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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y
AGROINDUSTRIA
DISEÑO DE UN PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE PECTINA
DE LA CORTEZA DEL LIMÓN DE LA VARIEDAD TAHITÍ (Citrus
latifolia Tan.).
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
QUÍMICA
LUISIANA AUGUSTA GALEAS LEMA
lusy89@hotmail.com
DIRECTOR: ING.MARCELO ALBUJA
marcelo.albuja@epn.edu.ec
CO-DIRECTOR: ING.MARCELO SALVADOR
marcelo.salvadorq@epn.edu.ec
Quito, Julio 2015
© Escuela Politécnica Nacional (2015)
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo, Luisiana Augusta Galeas Lema, declaro que el trabajo aquí escrito es de mi
autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o certificación
profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluye en
este documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Luisiana Augusta Galeas Lema
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Luisiana Augusta Galeas
Lema bajo mi supervisión.
________________________ ________________________
Ing. Marcelo Albuja Ing. Marcelo Salvador
DIRECTOR DEL PROYECTO CODIRECTOR DEL PROYECTO
AGRADECIMIENTOS
A Dios por permitirme culminar este objetivo con sabiduría y fortaleza, por
impulsar mis pensamientos y guiar mis acciones.
A mis padres, Norma y Luis, que con sus sacrificios fomentaron en mí el espíritu
de superación y trabajo; gracias por soportar mi mal genio y por depositar su total
confianza en mí.
A mi hermano y hermanas Danilo, Pao y Liz de quienes recibí su apoyo durante
este largo trajinar; y en especial a mis sobrinos Ximenita, Danna y José que con
sus locuras alegraron mis días.
A mi enamorado Alejandro por su cariño, apoyo y motivación por culminar este
proyecto en momentos de desánimo.
A mi ñaña Euge, ñaño Pato y Dani por su amor y preocupación, que aunque no
estemos cerca siempre están pendientes de mí.
Al Ing. Marcelo Albuja por su dirección y predisposición de ayuda para alcanzar el
término de este proyecto.
Al Ing. Marcelo Salvador por sus conocimientos y amistad, quien estuvo presto a
solucionar las inquietudes generadas en el desarrollo del proyecto.
A Don Ca, Ing. Mario Aldás, Carlitos y Lore por su colaboración y consejos, por su
ejemplo de seres humanos y profesionales; en sí a todos quienes conforman el
Laboratorio de Operaciones Unitarias gracias por su amabilidad y apoyo.
A mis amigas y amigos Letty, Tania, Andre, Gaby, Mafer y Cris quienes
compartieron conmigo las diferentes etapas de la carrera y de quienes recibí una
valiosa amistad.
DEDICATORIA
A lo más valioso que Dios me dio, mis padres, Luis y Norma, quienes consagraron
sus días para guiarme y educarme.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN xiv
INTRODUCCIÓN xv
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1
1.1. El limón Tahití (Citrus latifolia Tanaka) 1
1.1.1. Generalidades 1
1.1.2. Clasificación botánica 1
1.1.3. Nombres comunes 2
1.1.4. Descripción botánica 2
1.1.4.1. Planta 2
1.1.4.2. Hojas 2
1.1.4.3. Flor 3
1.1.4.4. Fruto 3
1.1.5. Condiciones climáticas y edáficas de cultivo 5
1.1.5.1. Condiciones Climáticas 5
1.1.5.2. Condiciones Edáficas 6
1.1.6. Siembra y fertilización 7
1.1.7. Cosecha 7
1.1.8. Composición nutricional 8
1.1.9. Aplicaciones industriales y propiedades 9
1.1.10. Producción en el Ecuador 11
1.1.10.1. Producción en el cantón Patate 12
1.2. Pectina 14
1.2.1. Ubicación 14
1.2.2. Estructura 15
1.2.2.1. Protopectina 16
1.2.2.2. Pectina 16
1.2.3. Esterificación de las pectinas y su categorización 19
1.2.3.1. Contenido de metóxilos 19
1.2.3.2. Grado de esterificación 19
1.2.3.3. Pectinas muy esterificadas 20
1.2.3.4. Pectinas poco esterificadas 21
1.2.4. Propiedades de modificación 22
1.2.4.1. Formación de geles y resistencia 22
1.2.5. Métodos de extracción 24
ii
1.2.5.1. Extracción con soluciones ácidas 25
1.2.5.2. Extracción con previa aplicación de ondas
microondas 26
1.2.5.3. Extracción enzimática 27
1.2.6. Usos y aplicaciones 28
1.2.7. Normalización de la pectina 30
1.2.8. Demanda de pectina en el ecuador 30
2. METODOLOGÍA 33
2.1. Caracterización del limón de la variedad Tahití
(Citrus latifolia Tan.) 34
2.1.1. Selección de la materia prima 34
2.1.2. Caracterización de las muestras 35
2.1.2.1. Caracterización física 36
2.1.2.2. Caracterización química 36
2.1.3. Análisis estadístico 36
2.2. Determinación de la cinética de reacción para la
obtención de la pectina 37
2.2.1. Número de repeticiones 37
2.2.2. Tratamiento previo 37
2.2.3. Proceso para la extracción de pectina del
limón de la variedad Tahití (Citrus latifolia Tan.) 38
2.2.3.1. Procedimiento 38
2.2.4. Determinación de los parámetros cinéticos de la
obtención de la pectina 41
2.3. Determinación de la cinética de secado de la pectina gel 42
2.3.1. Obtención del la mejores condiciones del proceso
de deshidratación de la pectina 42
2.3.2. Análisis del perfil de deshidratación, modelización
y cinética 43
2.4. Caracterización de la pectina obtenida de la corteza del
limón 43
2.5. Diseño del reactor para la hidrólisis y del secador de la
pectina a escala piloto. 44
2.5.1. Diseño del reactor para la hidrólisis a escala piloto 45
2.5.2. Diseño del secador de la pectina a escala piloto 46
2.5.3. Costos de materia prima, insumos y de producción
de pectina 47
iii
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 48
3.1. Resultados de la caracterización del limón de la variedad
Tahití (Citrus latifolia tan.) 48
3.1.1. Resultados de la selección de la materia prima 48
3.1.2. Resultados de la caracterización del limón tahití 49
3.2. Resultados de la determinación de la cinética de reacción
para la obtención de la pectina 53
3.2.1. Resultado del número de repeticiones 53
3.2.2. Resultados del tratamiento previo 53
3.2.3. Resultados del proceso de la extracción de pectina
el limón de la variedad tahití (Citrus latifolia Tan.) 57
3.2.4. Resultados de la determinación de los parámetros
cinéticos de la obtención de la pectina 62
3.3. Resultados de la determinación de la cinética de secado de la pectina gel 67
3.3.1. Resultados de la obtención del la mejores condiciones
del proceso de deshidratación de la pectina 67
3.3.2. Resultados del análisis del perfil de deshidratación,
modelización y cinética 71
3.4. Resultados de la caracterización de la pectina obtenida
de la corteza del limón 79
3.5. Resultados del diseño del reactor para la hidrólisis y del
secador de la pectina a escala piloto. 82
3.5.1. Resultados del diseño del reactor para la hidrólisis a
escala piloto 83
3.5.1.1. Cuerpo, tapa y fondo 83
3.5.1.2. Sistema de agitación y calentamiento 86
3.5.2. Resultados del diseño del secador a escala piloto 90
3.5.2.1. Armario, bandejas y cámara de secado 90
3.5.2.2. Sistema de ventilación 96
3.5.2.3. Sistema de calentameinto 99
3.5.3. Resultados de costos de materia prima, insumos y
de producción de pectina 102
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 107
4.1. Conclusiones 107
4.2. Recomendaciones 109
iv
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 111
ANEXOS 126
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. 1. Clasificación Botánica del limón Tahití 1
Tabla 1. 2. Contenido nutricional del limón Tahití 8
Tabla 1. 3. Total de exportaciones del limón Tahití del Ecuador 12
Tabla 1. 4. Exportaciones del limón Tahití en los últimos cuatro años 12
Tabla 1. 5. Área planta 13
Tabla 1. 6. Producción y rendimiento del área cosechada del limón Tahití. 13
Tabla 1. 7. Porcentaje de pectina en ciertos vegetales y frutos 15
Tabla 1. 8. Tiempo de gelificación de pectinas 23
Tabla 1. 9. Países proveedores de pectina al Ecuador 31
Tabla 1. 10. Industrias importadoras de materias pécticas en el Ecuador 31
Tabla 2. 1. Equipos 33
Tabla 2. 2. Materiales 33
Tabla 2. 3. Reactivos 34
Tabla 3. 1. Resumen de las características físicas del fruto de
la variedad Tahití 51
Tabla 3. 2. Resumen de las características químicas del fruto
de la variedad Tahití 52
Tabla 3. 3. Resultado visual de la pectina obtenida a 75 °C y 91 °C 54
Tabla 3. 4. Condiciones de extracción definidas en el tratamiento
previo para el limón Tahití 57
Tabla 3. 5. Grados Brix reportados durante el proceso de Lavado II 59
Tabla 3. 6. Rendimiento en base seca y húmeda de pectina de
diferentes limoneros 60
Tabla 3. 7. Rendimiento en base seca y húmeda de pectina de
diferentes especies 61
vi
Tabla 3. 8. Resultados de la cuantificación de pectina a diferentes
tiempos de extracción (pH 1,5; relación 1/3) 62
Tabla 3. 9. Expresiones de la velocidad de reacción 64
Tabla 3. 10. Factor de correlación según el orden de reacción 66
Tabla 3. 11. Ecuaciones de linealización como Reacción de Primer orden 67
Tabla 3. 12. Condiciones de deshidratación de la pectina gel 68
Tabla 3. 13. Contenido de metóxilos a las condiciones de 1,4 y 1,8 m/s de aire 70
Tabla 3. 14. Datos de humedad de pectina a diferentes intervalos de tiempo,
durante el proceso de deshidratación a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire 71
Tabla 3. 15. Datos de la rapidez de deshidratación respecto al tiempo,
durante el proceso de deshidratación a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire 76
Tabla 3. 16. Parámetros del proceso de deshidratación de la pectina a
50,0 °C y 1,8 m/s de aire 78
Tabla 3. 17. Características del producto final del limón Tahití
(Citrus latifolia Tan.) 80
Tabla 3. 18. Importaciones anuales, mensuales y diarias de pectina 82
Tabla 3. 19. Componentes de la carga de cada reactor batch 84
Tabla 3. 20. Dimensiones del reactor batch para la extracción de pectina 85
Tabla 3. 21. Espesor calculado, por corrosión y nominal del reactor 86
Tabla 3. 22. Dimensiones de la tapa y fondo del reactor 86
Tabla 3. 23. Características y dimensiones del agitador 87
Tabla 3. 24. Dimensiones de la chaqueta de calentamiento 88
Tabla 3. 25. Alimentación del gel, agua a eliminar y tiempo de
secado de la pectina 90
Tabla 3. 26. Área de diseño del secador 91
Tabla 3. 27. Características y dimensiones de las bandejas 92
Tabla 3. 28. Dimensiones de las carro y cámara de secado 93
vii
Tabla 3. 29. Condiciones térmicas de entrada y salida del aire 96
Tabla 3. 30. Parámetros del ventilador para el secado de pectina gel. 98
Tabla 3. 31. Dimensiones del ventilador para el secado de pectina gel. 98
Tabla 3. 32. Características de las resistencias con aletas 100
Tabla 3. 33. Áreas del diagrama PFD. 102
Tabla 3. 34. Detalle de los costos de los cítricos e insumos 102
Tabla 3. 35. Detalle de los costos de servicios industriales 104
Tabla 3. 36. Detalle de los costos de mano de obra 105
Tabla 3. 37. Recopilación de los elementos de producción de
2400 kg de pectina al año 105
Tabla AVI. 1. Valores de los parámetros estadísticos para la determinación
del número de repeticiones 133
Tabla AXI. 1. Registro de los datos de humedad 147
Tabla AXI. 2. Registro de los datos de cenizas 147
Tabla AXI. 3. Peso de las muestras libre de humedad y cenizas 148
Tabla AXI. 4. Consumo de NaOH para la determinación de las
propiedades estructurales 148
Tabla AXI. 5. Reporte de peso equivalente, metóxilos, ácido
galacturónico y ET 148
Tabla AXII. 1. Clases de cabezas para tanques cilíndricos 153
Tabla AXII. 2. Dimensiones de la cabeza estándar para un diámetro de 34 in 159
Tabla AXIII. 1. Condiciones térmicas de entrada y salida del aire 174
Tabla AXIII. 2. Condiciones de humedad del aire para la
deshidratación de pectina 175
Tabla AXIV. 1. Detalle del consumo de energía de los equipos
requeridos para generación de 2400 kg/año de pectina 187
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. 1. Flor y fruto de la variedad Tahití 4
Figura 1. 2. Corte transversal del limón 4
Figura 1. 3. Propiedades del limón 14
Figura 1. 4. Pared celular 14
Figura 1. 5. Estructura de un fragmento de cadena de ácido galacturónico 16
Figura 1. 6. Estructura de la región rugosa 18
Figura 1. 7. Representación del modelo estructural de la pectina 19
Figura 1. 8. Pectina muy esterificada 21
Figura 1. 9. Pectina poco esterificada 22
Figura 1. 10. Método de enlace entre pectinas para la generación del hidrogel 24
Figura 1. 11. Acción de la endo-poligalacturonasa (endo-PG) y
pectinesterasa (PE) 28
Figura 2. 1. Tabla colorimétrica del Limón Persa o Tahití 35
Figura 2. 2. Esquema del sistema de extracción utilizado en el
laboratorio de Operaciones Unitarias 40
Figura 2. 3. Parámetros de caracterización del producto 44
Figura 2. 4. Parámetros del costo de producción de pectina 47
Figura 3. 1. Frutos del limón Persa o Tahití seleccionados para el estudio 48
Figura 3. 2. Valores del diámetro ecuatorial del Limón Persa o Tahití 49
Figura 3. 3. Valores del peso por unidad del limón Persa o Tahití. 50
Figura 3. 4. Porcentaje de corteza por unidad del limón Persa o Tahití. 51
Figura 3. 5. Variables del tratamiento preliminar de extracción. 53
Figura 3. 6. Generación de pectina (pH 1,5 y 3,0), en el tratamiento
preliminar de extracción 55
ix
Figura 3. 7. Prueba de precipitación de pectina, (izquierda) relación
1/3, (derecha) relación (1/6) en el tratamiento preliminar
de extracción 57
Figura 3. 8. Esquema de la secuencia de operaciones unitarias para
la obtención de pectina del limón Tahití o Persa a escala
de laboratorio 58
Figura 3. 9. Valor medio y rango de desviación del rendimiento en
base seca de pectina del Limón Persa o Tahití, de acuerdo
a las seis repeticiones 59
Figura 3. 10. Representación de la masa de pectina en función del tiempo
de tratamiento, repetición 1, 2 y 3 63
Figura 3. 11. Representación de la masa de pectina en función del tiempo
de tratamiento, repetición 4, 5 y 6 63
Figura 3. 12. Método integral de linealización de los datos de extracción
R2, reacción de primer orden 65
Figura 3. 13. Método integral de linealización de los datos de extracción
R2, reacción de segundo orden 65
Figura 3. 14. Perfil de deshidratación de pectina a 50,0 °C, para las
condiciones de velocidad de aire de 1,4 y 1,8 m/s 69
Figura 3. 15. Perfil de deshidratación del periodo de velocidad constante,
para las condiciones de velocidad de aire de 1,4 y 1,8 m/s 69
Figura 3. 16. Perfil de deshidratación de pectina, generado por los datos
en base húmeda 73
Figura 3. 17. Etapas de la deshidratación de la pectina del limón Tahití a
50,0 °C y 1,8 m/s de aire 74
Figura 3. 18. Modelización de las etapas de la deshidratación de la pectina
del limón Tahití a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire 75
Figura 3. 19. Velocidad de deshidratación de la pectina del limón Tahití a
50,0 °C y 1,8 m/s 77
Figura 3. 20. Aspecto físico del producto del limón de la variedad Tahití 79
Figura 3. 21. Valores medios de las propiedades estructurales de la pectina
del limón Tahití (Citrus latifolia Tan.) 81
Figura 3. 22. Diseño del reactor y agitador para la hidrólisis de la protopectina 89
x
Figura 3. 23. Parámetros para la estimación del espesor de lana de vidrio en
el secador requeridos por el programa ECOWIN GREEN 94
Figura 3. 24. Resultados del programa ECOWIN GREEN 94
Figura 3. 25. Diseño del armario portador de bandejas para la pectina gel 95
Figura 3. 26. Diseño del secador de la pectina gel a escala piloto 101
Figura 3. 27. Diagrama de flujo del proceso de obtención de pectina del
limón Tahití (Citrus latifolia Tan.) a escala piloto 103
Figura 3. 28. Porcentaje de intervención de los elementos de producción
para la generación de 2400 kg/año de pectina. 105
Figura AI. 1. Tamaño de muestra para análisis de frutos medianos 127
Figura AII. 1. Clasificación del limón Tahití de acuerdo a sus
propiedades físicas 128
Figura AVII. 1. Linealización de los datos de extracción R1,
reacción de primer orden 137
Figura AVII. 2. Linealización de los datos de extracción R1,
reacción de segundo orden 137
Figura AVII. 3. Linealización de los datos de extracción R3,
reacción de primer orden 138
Figura AVII. 4. Linealización de los datos de extracción R3,
reacción de segundo orden 138
Figura AVII. 5. Linealización de los datos de extracción R4,
reacción de primer orden 139
Figura AVII. 6. Linealización de los datos de extracción R4,
reacción de segundo orden 139
Figura AVII. 7. Linealización de los datos de extracción R5,
reacción de primer orden 140
Figura AVII. 8. Linealización de los datos de extracción R5,
reacción de segundo orden 140
Figura AVII. 9. Linealización de los datos de extracción R6,
reacción de primer orden 141
Figura AVII. 10. Linealización de los datos de extracción R6,
reacción de segundo orden 141
xi
Figura AVIII. 1. Modelización de las etapas de la velocidad
deshidratación de la pectina del limón Tahití a 50 ̊C
y 1,8 m/s de aire 142
Figura AX. 1. Metodología de caracterización de la pectina del
limón de la variedad Tahití 150
Figura AXII. 1. Volumen de cabezas torriesféricas 155
Figura AXII. 2. Velocidad de pérdida por corrosión 159
Figura AXII. 3. Relaciones entre las dimensiones del reactor y agitador 160
Figura AXII. 4. Relaciones de las dimensiones del agitador 161
Figura AXII. 5. Comportamiento del número de potencia. 162
Figura AXIII. 1. Especificaciones de los perfiles de acero inoxidable 168
Figura AXIII. 2. Especificaciones de los ángulos de acero inoxidable 168
Figura AXIII. 3. Especificaciones de ruedas giratorias 171
Figura AXIII. 6. Rangos de diseño para la presión estática 176
Figura AXIII. 7. Característica de la boca de captación de aire para
el secado 176
Figura AXIII. 8. Parámetros del ventilador axial 179
Figura AXIII. 9. Dimensiones del ventilador axial 180
Figura AXIII. 10. Especificaciones de resistencias con aletas 182
xii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I
Extracto de la norma NTE INEN 1750 (1994): Hortalizas 127
y frutas frescas. Muestreo
ANEXO II
Extracto de la norma NTE INEN 1757 (2008): Frutas frescas.
Limón. Requisitos 128
ANEXO III
Extracto de la norma INEN 0389 (1986): Conservas vegetales. Determinación
de la concentración del ión hidrógeno (pH) 129
ANEXO IV
Extracto de la norma NTE INEN 0381 (1986): Conservas
vegetales. Determinación de la concentración del ión hidrógeno
(pH) 130
ANEXO V
Extracto de la norma NTE INEN 0381(1986): Determinación
de sólidos solubles. Método refractométrico 132
ANEXO VI
Determinación del número de repeticiones para el análisis de la
cinética de extracción 133
ANEXO VII
Metodología del análisis cinético de la extracción de pectina del limón
Tahití 135
ANEXO VIII
Determinación de la humedad crítica y velocidad constante a las
condiciones de 50 °C y 1,8 m/s de aire 142
ANEXO IX
Normas AOAC: Humedad y cenizas 144
ANEXO X
Método de valoración ácido - base para análisis de las pectinas 146
xiii
ANEXO XI
Registro de las características y propiedades estructurales de la pectina
del limón Tahití 147
ANEXO XII
Determinación de la producción a escala piloto y síntesis de cálculos
para el diseño del reactor para la hidrólisis 149
ANEXO XIII
Síntesis de cálculos para el diseño secador de pectina a escala piloto 164
ANEXO XIV
Demanda energética de los principales equipos descritos en el PFD
del proceso de extracción a escala piloto 183
xiv
RESUMEN
El presente estudio tiene como objetivo el diseño de un proceso para la obtención
de pectina a partir de la corteza del limón de la variedad Tahití (Citrus latifolia
Tan.), para lo cual se emplearon frutos provenientes de la Asociación de
productores Quinlata del cantón Patate, provincia de Tungurahua, los mismos que
fueron seleccionados bajo el parámetro colorimétrico verde oscuro. Se
determinaron las propiedades físicoquímicas de los limones, con lo que se
obtuvieron valores promedios de 6,04 cm de diámetro longitudinal con un peso
unitario de 69,7225 g y un porcentaje de corteza del 35,43 % con un nivel de
madurez 2.
El proceso de extracción fue evaluado a escala de laboratorio, donde las variables
de operación fueron la temperatura, pH, tiempo y la relación masa de
corteza/volumen de medio. Se definieron como las mejores condiciones del
tratamiento 75 °C; 1,5; 80 min y 1/3; cuyo efecto representó el incremento de
pectina por cantidad de materia prima empleada. Se obtuvo el perfil de extracción
a los tiempos de 15, 25, 35, 45, 60 y 80 min; donde se determinó que la reacción
de obtención de pectina corresponde a una de primer orden con un factor de
velocidad de 0,0286 min-1.
Se obtuvo el perfil de deshidratación de la pectina coloidal a 50 °C y una
velocidad de aire 1,8 m/s, del cual se determinó una humedad crítica de 11,8731
kg de agua/kg de pectina seca, una de equilibrio de 0,0556 kg de agua/kg de
pectina seca y un tiempo de secado de 11,41 h bajo una velocidad constante de
1,3527 kg agua/m2h. La pectina se caracterizó como un producto con 5,86 % de
humedad en base húmeda y 1,21 % de cenizas; con propiedades estructurales de
2 456,4505 peso equivalente; 3,55 % metóxilos; 27,47 % ácido galacturónico y
72,85 % grado de esterificación.
Se diseñó un reactor tipo batch a escala piloto con una capacidad de 0,87 m3 y un
secador con un área de 31,78 m2, que permitan producir 10 kg de pectina con un
costo de fabricación de 199,30 $/kg.
xv
INTRODUCCIÓN
En la actualidad el aditivo denominado pectina, es requerido por la industria
ecuatoriana en alrededor de 48,55 t por año (Banco Central del Ecuador, 2014)
con tendencia a incrementar, cuya demanda no es abastecida nacionalmente; por
lo que el país se ve obligado a importar. La nula existencia de industrias
enfocadas a su producción, hace de sus consumidores un mercado potencial.
La pectina se comercializa sólida, de apariencia blancuzca-amarillenta (FAO,
2009, p. 1); siendo las modas o cortezas de cítricos sus principales reservas.
Según los datos estadísticos del INEC en el 2013, los cultivos nacionales
generaron 10 915 t de limones y limas, definiéndole al Ecuador como un país
altamente citrícola, cuya producción se ve favorecida por la continua cosecha que
obedece a las características tropicales que posee (Corpei, 2009, p.3).
Pese a ello la industrialización de dichos frutos no ha evolucionado; pues estos se
destinan en su mayoría como frutos de consumo inmediato; siendo esta la causa
de una gran contradicción latinoamericana como lo es exportar la materia prima e
importar sus productos (Corpei, 2009, p.3).
La importancia de las pectinas se basa principalmente en su propiedad para
transformar la viscosidad de los alimentos, tornándoles más espesos; es por ello
de su uso en productos que requieren dicha textura como lo son: mermeladas y
conservas (Chasquibol, Arroyo y Morales, 2008, p. 180). En otras aplicaciones se
la utiliza como excipiente envolvente y desintegrador en la formulación de
cápsulas de fármacos; por su clasificación como fibra soluble se la utiliza en
procedimientos para disminuir el peso corporal y control de niveles de colesterol
(Mamani, Ruiz y Veiga, 2011, p. 85).
Los limones con una madurez menor presentan en sus tejidos una cantidad
superior de pectina, debido a la baja actividad de las enzimas degradadoras de
esta; por lo que es necesario evaluar su obtención a partir de frutos ecuatorianos
como el Tahití para fomentar su tecnificación.
1
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1. EL LIMÓN TAHITÍ (Citrus latifolia Tanaka)
1.1.1. GENERALIDADES
El limón Tahití o Persa (Citrus latifolia Tanaka) es calificado como una lima ácida
y es resultado de la combinación de dos especies de cítricos: la lima mexicana
(Citrus aurantifolia) y la cidra (Citrus medica linn) (Malo, Campbell, Balerdi y
Crane, 2012, p. 1).
Dicho fruto es originario de la isla Tahití, en Oceanía y se ha distribuido en
regiones tropicales y subtropicales, siendo los principales países productores:
México, Brasil, España y Argentina. En el Ecuador se localiza en el Litoral,
Imbabura, Pichincha, Tungurahua, Bolívar y Napo (UTEPI, 2006, pp. 17-18).
1.1.2. CLASIFICACIÓN BOTÁNICA
La clasificación botánica del limón Tahití se detalla en la Tabla 1.1.
Tabla 1. 1. Clasificación Botánica del limón Tahití
Nombre Científico Citrus latifolia Tan.
Género Citrus
Especie Latifolia
Clase Dicotiledóneas
Subclase Arquiclamídeas
Orden Geraniales
Suborden Geraniineas
Familia Rutaceae
Subfamilia Aurantioideas
(Cañizares, Sanabría y Rojas, 2005, p. 68)
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1.1.3. NOMBRES COMUNES
Limón Thaití o limón de Persia en Estados Unidos y Sudamérica, en México se lo
conoce como limón sin semilla; y en otros idiomas: Seedles Lime, Persian Lime,
Bears Lime y Limettier-Limonellenbaum (Malo et al., 2012, p. 1).
1.1.4. DESCRIPCIÓN BOTÁNICA
1.1.4.1. Planta
El árbol presenta una altura máxima de 5 m, un tronco corto y varias
ramificaciones que se extienden en distintas direcciones, varias de ellas tienden a
la base del árbol. Sus ramas están dotadas de pequeñas espinas y forman una
copa frondosa y redondeada (Malo et al., 2012, p. 1; Orduz, León y Arango, 2009,
p. 8)
Este limonero se caracteriza por no presentar periodos de inactividad vegetativa,
únicamente a temperaturas bajas reduce su crecimiento, favoreciendo así su
productividad (Jasso et al., 2011, pp. 203-204).
Dicho árbol frutal se diferencia de los demás limoneros por alcanzar mayores
alturas, mantener su follaje y producir frutos de mayor diámetro (Orduz et al.,
2009, p. 6).
1.1.4.2. Hojas
Las hojas son de color verde, de forma elíptica y lanceolada, alargadas de 2,5 a
9,0 cm, su borde es levemente dentado y su peciolo cilíndrico (Cañizares et al.,
2005, p. 68). Se encuentran de forma alternada en las ramas y se mantienen en
ellas por tiempo aproximado de 3 años (Malo et al., 2012, p. 1).
3
1.1.4.3. Flor
De forma continua en el año se tiene la presencia de la yema floral, la cual es
pequeña, ovalada y de color blanco con tintes violeta; a partir de ella se desarrolla
la flor alcanzando un tamaño de 2,5 cm. Las flores se ubican de manera solitaria
o en conjunto y su corola está formada por 5 pétalos libres que despiden un
aroma característico intenso (Malo et al., 2012, p. 1).
1.1.4.4. Fruto
El tamaño del fruto oscila de 5 a 7 cm de diámetro, de 76 g de masa media, su
forma es ovoide y uno de sus extremos se reduce ligeramente hasta terminar en
un pequeño abultamiento (Malo et al., 2012, p. 1; Orduz et al., 2009, p. 8).
El fruto no tiene semillas en su interior, por la esterilidad de su polen y su
crecimiento se da naturalmente en la planta, por acción de hormonas internas
(Orduz et al., 2009, p. 8).
La morfología del fruto es particular de los cítricos, presenta un flavedo liso y de
color verde oscuro, de 2 mm de espesor; a medida que avanza al estado de
madurez su tonalidad cambia a amarilla y su espesor se reduce. El área del
albedo es blanca, blanda y gruesa; y la región interna está dividida en pequeñas
secciones donde se almacena el jugo (Malo et al., 2012, p. 1).
En la Figura 1.1 y Figura 1.2 se observa la flor y la estructura del fruto de la
variedad Tahití.
4
Figura 1. 1. Flor y fruto de la variedad Tahití
(Orduz et al., 2009, p. 8)
Figura 1. 2. Corte transversal del limón (Fréderique, 2014, p.2)
5
1.1.5. CONDICIONES CLIMÁTICAS Y EDÁFICAS DE CULTIVO
1.1.5.1. Condiciones Climáticas
1.1.5.1.1. Temperatura
Esta variedad de limón presenta buena resistencia a diversos climas, sin embargo
el clima cálido, tropical o subtropical es el que favorece su crecimiento. El brote
floral se da de manera continua en climas que mantengan su temperatura entre
22 y 28 °C; y de forma temporal al reducir a los 12 °C (Piña, Laborem,
Monteverde, Magaña, Espinoza y Rangel, 2006, p. 435).
Generalmente el periodo desde que la flor nace hasta que se obtiene el fruto
adecuado para cosecha dura 2 meses, lo cual se ve ralentizado por las bajas
temperaturas incrementando el tiempo hasta 4 meses (Malo et al., 2012, p. 2).
1.1.5.1.2. Precipitación y humedad relativa
Estos árboles demandan anualmente entre 1 000 a 2 000 mm de agua para su
desarrollo, por lo que en épocas de bajas precipitaciones se utiliza acoplamientos
de riego, a fin de no afectar la producción (Piña et al., 2006, p. 435).
La humedad relativa de la región no debe ser elevada para un óptimo cultivo, ya
que un valor alto puede mejorar la textura del fruto pero lo vuelve vulnerable a
enfermedades (Escobar, 2008, p. 27).
1.1.5.1.3. Nivel
Se localiza en regiones de 500 a 1200 msnm, por su requerimiento de climas
calientes, lo cual está directamente relacionado (Piña et al., 2006, p. 435).
6
1.1.5.1.4. Vientos
La frecuencia máxima del viento en las zonas de cultivo debe ser de 20 km/h,
debido a las consistencia y frondosidad de su copa (Escobar, 2008, p. 27).
1.1.5.2. Condiciones Edáficas
1.1.5.2.1. Suelo
Se adaptan en territorios francos arenosos, permeables, sin exceso salino y con
una profundidad mayor a 2 m. No se desarrollan en suelos calcáreos (Malo et al.,
2012, p. 2).
1.1.5.2.2. pH
El suelo óptimo para el cultivo presenta un pH de 5,5 a 7,0; siendo su límite
básico 8,5. El pH está en función de los minerales a absorber, por tal razón es
necesario considerar las características de solubilidad de los mismos (Pinto, 2008,
p. 51).
1.1.5.2.3. Pendiente
Un factor determinante en la localización de las plantaciones es la pendiente, la
cual no debe sobrepasar los 28 °, a fin de evitar el desgaste del terreno (Escobar,
2008, p. 32).
1.1.5.2.4. Humus
Un contenido de 3 a 4 % es adecuado para el cultivo (Barrera, 2008, p. 1).
7
1.1.6. SIEMBRA Y FERTILIZACIÓN
El Limón Persa se obtiene mediante injerto de tipo escudete en patrones
de las variedades: Limón Macrofila, Mandarino Cleopatra, Volkameriana y
Citrumelo Swingle. La inserción de la yema se realiza a 30 cm de altura de
planta patrón y dura 5 días hasta acoplarse y brotar en él (Malo et al.,
2012, p. 1; Piña et al., 2006, p. 435).
La siembra se realiza mediante el método de ahoyado, en una profundidad
de 40 cm y con la adición de materia orgánica e insecticida. La distancia
entre sitios es de 3 a 6 m (Orduz y Mateus, 2012, p. 72).
La poda debe ser moderada asegurándose mantener las ramas
productivas, se la realiza de forma manual conservando un dimensión
horizontal de 2 a 3 m (Malo et al., 2012, p. 3).
Riego por gravedad, goteo o aspersión con una frecuencia promedio de 2
días por semana y en épocas secas hasta 4 días por semana (Orduz y
Mateus, 2012, p. 84).
El desarrollo y la producción están relacionados con la fertilización, sus
necesidades de nitrógeno, fósforo y potasio son 5,00 kg, 2,00 kg y 1,88 kg
por tonelada de fruta respectivamente (Orduz y Mateus, 2012, pp. 72-73).
1.1.7. COSECHA
La recolección de los frutos se realiza continuamente en el año y cuando su
corteza haya adquirido un color verde brillante y una acidez entre 4 – 7 %.
Esta operación se efectúa manualmente mediante la flexión de su rabillo o
utilizando tijeras adecuadas, los frutos más altos se los obtiene mediante
ganchos, evitando que sufran daños al desprenderse.
8
Se debe evitar la recolección de los frutos cuando presenten agua en su
superficie ya que esta incrementa la posibilidad de sufrir alteraciones en su
corteza, adherencia de hongos y fracturación de las vesículas internas
caracterizada por el manchamiento de la piel (Pinto, 2008, p. 54).
1.1.8. COMPOSICIÓN NUTRICIONAL
La riqueza nutricional que posee el limón se expone en la Tabla 1.2.
Tabla 1. 2. Contenido nutricional del limón Tahití
Componente Cantidad /100g de fruto
Potasio 135,0 mg
Vitamina C o ácido ascórbico 52,0 mg
Calcio 16,0 mg
Fósforo 13,0 mg
Sodio 10,0 mg
Glúcidos 9,6 g
Proteínas 0,8 g
Lípidos 0,6 g
Ácido cítrico 4,7 g
Agua 90 %
Calorías 19 kcal
(Fréderique, 2014, p. 17)
Dentro de su género, el limón es el fruto que mayor cantidad de ácido ascórbico
posee, el cual se ve fortalecido por la presencia de Riboflavina que inhibe su
pérdida por oxidación. Además presenta un elevado contenido de minerales y
bajo porcentaje de calorías que le convierte en una importante fuente nutricional.
De forma particular su corteza presenta abundante pectina y aceite esencial, en el
cual se ha registrado:
Citral (5%)
9
Limoneno (90 %)
Canfeno
Pineno (alfa y beta)
Cumarina
Iso-pulegol
Terpineno (alfa y gamma)
Felantreno
Beta-bergamoteno (Mejías y Aflallo, 2007, p. 59).
Sus hojas poseen cafeína y entre otros compuestos el limón presenta:
Bioflavonoides: Quercetina, limotricina, hesperidina, vitamina B1, B2 y B6
Hierro, Magnesio
Ácido málico, caféico (Jordá, 2011, p. 666).
1.1.9. APLICACIONES INDUSTRIALES Y PROPIEDADES
La demanda artesanal e industrial de esta variedad es extensa, aprovechándose
todos los componentes de su fruto, así como también las flores de su árbol.
El zumo se emplea en la preparación de bebidas, el cual se comercializa como
concentrado o jugo. Se elabora aderezos y aliños para alimentos, para dotar de
un sabor agrio o evitar la oxidación de ciertos vegetales; y por su alto contenido
de ácido cítrico, se lo emplea en su proceso de obtención con carbonato de barita
y ácido sulfúrico hasta formar cristales blancos de múltiples aplicaciones en el
campo alimentico y farmacéutico (Malo et al., 2012, p. 3).
La principal aplicación del pericarpio es la producción de pectina como
modificador de la reología de alimentos, el pericarpio puede provenir directamente
de cosechas designadas a este fin o de residuos industriales (de bebidas, licores).
10
La corteza húmeda o seca se emplea en formulaciones alimenticias para ganado
porcino y vacuno por su alto porcentaje de fibra, que conjuntamente con
suplementos propone un alimento adecuado para animales (Albarracín, Prieto,
Barnes, Paz y Genta, 2011, p. 1).
El aceite aromático se extrae de la corteza oleosa y se lo utiliza como material
desinfectante o fragancia; se lo obtiene mediante la técnica de arrastre de vapor o
raspadura con un rendimiento de 10 mL/kg de limón. También se comercializa
refinado mediante su desterpenación para evitar el enranciamiento y mejorar sus
propiedades, el cual se lo utiliza en bebidas (Fréderique, 2014, p. 14; Ortuño,
2006, p. 11).
La aplicación en perfumería es amplia, también de la flor blanca del limonero se
extrae el Neroli petalae, muy apetecido por su aroma dulce y por sus beneficios
en tratamientos de la piel.
Por su contenido de antioxidantes (flavonoides) se consume el fruto como tal, al
cual se le atribuyen beneficios medicinales contra el envejecimiento de la piel y
propiedades anticancerígenas. Por su riqueza en limoneno es calificado como
desintoxicante del organismo; y por el elevado índice de ácido ascórbico y
minerales es un regenerador de las células sanguíneas previniendo
enfermedades como la anemia (Mejías y Aflallo, 2007, p. 241).
En la Figura 1.3 se sintetizan las propiedades del limón, con las cuales se
fundamenta la acción positiva de este cítrico al ser consumido por el ser humano,
es así que Morales (2011), lo califica como una fuente de más de mil beneficios
químico-medicinales (p. 104).
11
Figura 1. 3. Propiedades del limón (Fréderique, 2014, p. 18)
1.1.10. PRODUCCIÓN EN EL ECUADOR
La variedad Tahití llegó al Ecuador en la década de los cincuenta, su proporción
de árboles asciende a 269 683 (INEC, 2013), ubicados en las regiones Costa,
Sierra y Amazónica, donde se destacan las provincias de Manabí, Guayas, El
Oro, Pichincha, Imbabura, Tungurahua, Bolívar, Loja y Napo (UTEPI, 2006, pp.
22-23).
En el Ecuador la producción del limón Tahití o Persa está mayoritariamente
encaminada a la exportación a países como: Estados Unidos, Canadá, Puerto
Rico, Francia y a las Antillas Holandesas y de Guadalupe, cuyos mercados se ven
abastecidos por la continua producción del país, que al poseer regiones de
características tropicales propicia el desarrollo de los cultivos durante todo el año.
Según el Banco Central del Ecuador en los últimos cuatro años se ha exportado
un total de 680,31 t, como se indica en la Tabla 1.3.
12
Tabla 1. 3. Total de exportaciones del limón Tahití del Ecuador
País Cantidad (t)
Estados Unidos 555,25
Canadá 48,26
Guadalupe 26,09
Puesto Rico 25,46
Francia 25,27
Antillas Holandesas 0,01
Total de exportaciones 630,31
(Banco Central del Ecuador, 2014)
Estados Unidos interfiere con mayor relevancia en las importaciones del limón
Tahití ecuatoriano registrando 555,25 t en el periodo del 2010 al 2013, pues a
pesar de también producirlo, su cosecha es estacional por lo que tiende a las
importaciones para cubrir sus necesidades.
Las exportaciones se han incrementado notablemente a medida de los años, por
las mejoras en las condiciones de comercialización del país con el exterior, que
han categorizado al producto ecuatoriano como un fruto competitivo y de calidad
logrando posesionarse en mercados altamente estrictos, como se indica en la
Tabla 1.4.
Tabla 1. 4. Exportaciones del limón Tahití en los últimos cuatro años
Año Cantidad (t)
2010 17,46
2011 22,86
2012 150,85
2013 439,14
(Banco Central del Ecuador, 2014)
1.1.10.1. Producción en el cantón Patate
En el área agrícola del cantón Patate el cultivo asociado presenta mayor
superficie, esto corresponde a cultivos combinados de diversas clases de cítricos,
13
que comúnmente lo realizan agricultores empíricos que satisfacen el mercado
interno de la provincia y del país, sin cumplimiento de parámetros estrictos de
cosecha. Sin embargo un porcentaje más bajo reserva zonas determinadas para
el cultivo del limón, las cuales reciben asistencia técnica adecuada, a fin de
intervenir en mercados más exigentes. En la Tabla 1.5 se observa el área
plantada, productiva y cosechada de limón en el cantón Patate.
Tabla 1. 5. Área plantada, productiva y cosechada de limón en el Cantón Patate
Modo de
cultivo
Área plantada
(hm2)
Área productiva
(hm2)
Área cosechada
(hm2)
Asociado 48,14 23,42 23,39
Solo 5,91 5,49 5,49
(INEC, 2010)
Los monocultivos presentan mayor eficiencia, por las ventajas de esta condición,
al tratar regularmente con maquinaria y fertilizantes que permiten normalizar las
características del fruto. La producción total del limón corresponde a 100,21 t, con
una generación promedio de 137 kg por árbol en cada cosecha.
La producción y el rendimiento del área cosechada se observa en la Tabla 1.6.
Tabla 1. 6. Producción y rendimiento del área cosechada del limón Tahití.
Modo de cultivo Producción (t) Rendimiento (t/hm2)
Asociado 64,45 2,76
Sólo 35,76 6,51
Total 100,21 -
(INEC, 2010)
14
1.2. PECTINA
1.2.1. UBICACIÓN
El término pectina se utiliza de forma general para nombrar a las sustancia
pécticas y se definen como polisacáridos complejos de elevado peso molecular,
se localizan en los tejidos de reserva de varios vegetales y cítricos. Constituyen la
mayor parte de las laminillas intermedias del fruto verde y se encuentran en las
membranas celulares y, en pequeña proporción, en todos los tejidos de la planta
(Mohmen, 2008, p. 266).
La pectina se encuentra en la pared celular entrecruzada por otros polisacáridos
como la hemicelulosa, celulosa y lignina, los cuales se enlazan a través de
puentes de hidrógeno. La pectina acopla y adhiere internamente las células,
proporcionando rigidez y firmeza a la pared (Lodish et al., 2005, p. 232; Velasco,
Romero, Salamanca y López, 2009, p. 106). La estructura de la pared celular se
presenta en la Figura 1.4.
Figura 1. 4. Pared celular (Velasco et al., 2009, p. 107).
15
El albedo, capa blanca y esponjosa de los cítricos, es una fuente importante de
pectina, que representa hasta el 50% del material seco, específicamente la
pectina extraída de la corteza del limón verde presenta excelentes propiedades de
homogeneidad, viscosidad y gelificación. Así también los residuos del plátano y la
pulpa de remolacha son fuentes ricas en pectina (Srivastava y Malviya, 2011, p.
12).
En la Tabla 1.7, se presenta el porcentaje de pectinas sobre materia fresca y seca
de ciertos vegetales y frutos.
Tabla 1. 7. Porcentaje de pectina en ciertos vegetales y frutos
Producto Porcentaje de pectina sobre:
Materia Fresca Materia Seca
Cáscaras de plátano - 20
Corteza de naranja 4 35
Corteza de limón 3 32
Corteza de limón verde - 50
Pulpa de remolacha 1 28
El porcentaje de pectina varía según la especie del fruto y su estado de
maduración. La actividad de la enzima pectinesterasa se incrementa a medida
que evoluciona el estado de maduración del fruto, por lo que el porcentaje de
pectina insoluble (protopectina) disminuye de las cáscaras, perdiendo su firmeza y
quedando más susceptible al ataque de hongos y microorganismos (Guidi y
Arandina, 2010, p. 68; Monsalves, Loyola y Muñoz, 2009, p. 10).
1.2.2. ESTRUCTURA
En la década del 80 la pectina fue descubierta por Braconnot, químico experto en
la extracción de componentes activos de las plantas, quién al observar las
(Srivastava y Malviya, 2011, pp. 12-13; Vasquez, Ruesga, D’addosio, Páez y Marín, 2008, p. 318)
16
características de gelificación de ciertos frutos identificó por primera vez este tipo
de polisacárido, denominándole pectina (Leclere, Van y Michiels, 2013, p. 1).
La palabra pectina se usa de modo universal para designar “sustancias pécticas”
y engloba los siguientes nombres: protopectina y pectina.
1.2.2.1. Protopectina
La protopectina es la sustancia péctica madre presente de forma abundante en
las laminillas medias de las paredes celulares de plantas verdes, la cual al
someterla al calentamiento en una solución de ácido o por acción de enzimas es
hidrolizada a pectina soluble (pectina). Se la califica como pectina insoluble al
agua (Monsalves et al., 2009, p. 10).
1.2.2.2. Pectina
Bioquímicamente la pectina está definida como un grupo de polisacáridos ricos en
ácido galacturónico, con unidades de arabinosa y galactosa en intervalos raros;
pueden presentar además ramnosa, fructosa y xilosa (Sandoval, 2005, p. 119).
Los fragmentos de ácido galacturónico se observan en la Figura 1.5, los cuales
presentan una forma piranosa.
Figura 1. 5. Estructura de un fragmento de cadena de ácido galacturónico (Wang, Liao, Feng, Zhang, Li y Wang, 2012, p. 257)
17
Los grupos de ácido galacturónico que forman la unidad de la pectina, se unen
por medio de enlaces glucosídicos α (1-4) para dar origen a moléculas fibrilares
constituidas por muchas unidades. Las macromoléculas poseen una variabilidad
de pesos hasta 200 000 daltons (Cerón y Cardona, 2011, pp. 67-68).
1.2.2.2.1. Modelo estructural de la pectina
La estructura de la pectina es compleja y todavía se encuentra en debate, siendo
el modelo estructural más aceptado aquel que está compuesto por dos regiones
importantes: lisa y rugosa; que forman su columna vertebral e involucran tres
dominios de polisacáridos presentes en todas los tipos de pectina:
homogalacturonano y ramnogalacturonano I y II. Estos tres dominios se unen
covalentemente formando la red péctica en toda la pared celular primaria y
laminillas intermedias (Schols, Coenen y Voragen, 2009, p. 20; Willats, Knox y
Mikkelsen, 2006, p. 98).
El homogalacturonano (HGA) es un homopolímero lineal en el que las fracciones
de ácido D-galacturónico están unidas por enlaces α(1-4), esta estructura
contiene alrededor de 100 a 200 fracciones de ácido D-galacturónico. El HGA es
un dominio muy extenso y abundante de pectina que es sintetizado en el aparato
de Golgi y depositado en la pared celular; los residuos de ácido D-galacturónico
se encuentran en un 70 a 80% metilados en el C-6 y a la vez pueden presentar
acetilación en los carbonos C-3 y C-2. Los residuos de ácido galacturónico
también pueden ser sustituidos en el C-3 con residuos de xilosa, formándose el
xilogaluctoronato (Mohmen, 2008, p. 267)
El dominio ramogalacturonano se divide en dos tipos: ramnogalacturonano I y
ramnogalacturonano II. El ramnogalacturonano I (RG I) es un polímero
heterogéneo y se adhiere al homogalacturonato mediante enlaces glicosídicos; su
estructura está formada por más de 100 repeticiones del disacárido α (1-2) - L-
ramnosa - α(1-4) - D-galacturónico, como se distingue en la Figura 1.6 (Leclere et
al., 2013, p. 2).
18
Figura 1. 6. Estructura de la región rugosa
(Chasquibol et al., 2008, p. 179)
En dicho dominio del 20 al 80% de los residuos de ramnosa están ramificados en
el carbono C-4 con cadenas laterales de residuos neutros, los cuales pueden
variar en tamaño desde 1 a 50 residuos, generando una familia extensa de
polisacáridos. Las cadenas laterales presentan generalmente L-ramnosa, D-
galacturónico, L-arabinosa y D-galactosa (Leclere et al., 2013, p. 2; Willats et al.,
2006, p. 98).
El ramnogalacturonano II presenta una estructura muy distinta al RG I, contiene
azúcares inusuales como: metilfucosa, metilxilosa, ácido acérico, apiosa, 3-
desoxi D -manno ácido -2-octulosónico, etc.; representado en la Figura 1.7
(Leclere et al., 2013, p. 2).
El modelo estructural de las regiones: homogalacturonano y ramnogalacturonano
se observan en la Figura 1.7.
19
Figura 1. 7. Representación del modelo estructural de la pectina
(Leclere et al., 2013, p. 2)
1.2.3. ESTERIFICACIÓN DE LAS PECTINAS Y SU CATEGORIZACIÓN
1.2.3.1. Contenido de metóxilos
El contenido de metóxilos se define al total de grupos carboxilos presentes en
forma de éster metílicos (-COOCH3) en la molécula de pectina; su contenido se
relaciona directamente con su esterificación.
1.2.3.2. Grado de esterificación
El grado de esterificación es una característica importante de las pectinas, se
expresa como porcentaje y está definido como la relación entre la cantidad de
20
esterificaciones de los grupos carboxilos con metanol y el contenido de ácido
ácido galacturónico.
Para determinar el grado de esterificación se presenta la siguiente ecuación [1.1]
(Kanmani, Dhivya, Aravind y Kumaresan, 2014, p. 305):
𝐸𝑇 (%) =176 𝑥 𝑀𝑋% 𝑥 100
31 𝑥 𝐺% [1.1]
Donde:
ET: Grado de esterificación
MX: Contenido de metóxilos
G: Contenido de ácido galacturónico anhidro
Los valores de 176 y 31 corresponden al peso equivalente del ácido galacturónico
y el peso molecular del metóxilo respectivamente.
Según los dos parámetros antes mencionados las pectinas se categorizan en dos
grupos:
1.2.3.3. Pectinas muy esterificadas
Se califica como pectinas muy esterificadas o ricas en grupos metoxi aquellas
que presentan un elevado número de ésteres metílicos, por tal razón su
porcentaje de esterificación es igual o mayor al 50% (Cerón y Cardona, 2011, p.
67).
Las pectinas ricas en grupos metoxi al disolverse generan geles estables en
medios cuyo pH es menor a 3,4 y un porcentaje de azúcar elevado, superior al
60%; y son irreversibles al exponerse en el calor. Para la elaboración de
confituras y jaleas se requiere un mínimo de 60% de azúcar, por tal razón dichas
21
pectinas son muy utilizadas en su elaboración; además se las aplica como
estabilizadores de bebidas lácteas ácidas y como agentes de viscosidad en
zumos de frutas sin la alteración del sabor, proporcionando un sabor de zumo
muy limpio (Cerón y Cardona, 2011, p. 67; Monsalves et al., 2009, p. 10).
1.2.3.4. Pectinas poco esterificadas
Cuando el porcentaje de grupos carboxilos metilados presentes en la cadena de
lineal de ácido galacturónico es bajo, se denominan pectinas poco esterificadas.
Este tipo de pectinas presentan un porcentaje de esterificación menor al 50%
(Cerón y Cardona, 2011, p. 67).
Estas pectinas forman geles en presencia de pequeñas cantidades de iones
divalentes, en concentraciones de azúcar muy inferiores a las que normalmente
se suele utilizar en las mermeladas y jaleas, o bien sin que exista azúcar alguno.
Sus geles presentan estabilidad cuando el pH y el azúcar se encuentran en los
rangos de 2,5 - 6,5 y 10 - 25% respectivamente (Cerón y Cardona, 2011, p. 67).
Al no requerir cantidades elevadas de azúcar las pectinas poco esterificadas se
las utiliza en productos dietéticos, yogures naturales y conservas con bajo nivel de
azúcar (Chasquibol et al., 2008, p. 192).
En las Figuras 1.8 y 1.9 se esquematiza las estructuras de las pectinas.
Figura 1. 8. Pectina muy esterificada (Imeson, 2010, p. 245)
22
Figura 1. 9. Pectina poco esterificada (Imeson, 2010, p. 245)
1.2.4. PROPIEDADES DE MODIFICACIÓN
1.2.4.1. Formación de geles y resistencia
La gelificación es la capacidad de las pectinas en formar soluciones coloidales,
por lo que se precisa otros agentes como: ácido, agua y azúcar, los cuales deben
estar en proporciones adecuadas.
La molécula de pectina presenta una alta afinidad por la molécula de agua, ya que
posee grupos oxhidrilos (-OH) que le otorgan polaridad; dando lugar a la
formación de puentes de hidrógeno con el agua. Al disolverse la pectina, sus
moléculas se esparcen en el medio y se genera fácilmente la heterólisis de sus
radicales carboxi (-COO-); por tal razón se añade sacarosa, que al ser una
sustancia también polar interacciona con el agua interfiriendo en la relación agua-
pectina y a la vez incrementando la unión pectina-pectina (grupos ésteres) que
favorece la formación de una estructura tridimensional (Kastner, Einhorn-Stoll y
Senge, 2012, p. 43; O’Brien, Philp y Morris, 2009, p. 1818).
Otro agente que se adiciona para favorecer la interacción pectina-pectina es el
ácido, el cual permite mantener estables los grupos carboxilos de la pectina,
evitando su ionización; que provoca que se separen (Kastner et al., 2012, p. 43).
23
Las moléculas de pectinas no se unen completamente, poseen secciones
definidas de interacción, donde las moléculas se entrecruzan y dan lugar a una
red tridimensional en cuyo interior se almacena agua, a la que se denominada
hidrogel (Imeson, 2010, p. 250).
El grado de esterificación es directamente proporcional a la velocidad de
gelificación, es por ello que, para pectinas de elevado grado de esterificación el
tiempo de formación del gel es menor, como se presenta en la Tabla 1.8. Además
se debe considerar la temperatura, manteniéndola en un rango de 55-85 °C, con
el fin de alcanzar una gelificación normal (Edwards, 2007, p. 126).
Tabla 1. 8. Tiempo de gelificación de pectinas
Tipo de pectina Grado de esterificación
(%)
Tiempo de
gelificación (s)
De gelificación rápida > 72 20-70
De gelificación normal 64 - 72 100-135
De gelificación lenta < 64 180-250
La diferencia de tiempos se fundamenta en la complejidad de la vía de gelificación
de las pectinas con ET bajo, menor al 64 %; al necesitar calcio para enlazar las
moléculas de pectina y acoplarse adecuadamente como gel. Para este tipo de
pectinas las fuerzas de cohesión del gel dependen de la cantidad de calcio
añadida y este del número de radicales carboxi (Shukla, Jain, Verma, K. y Verma,
S., 2011, p. 85).
Los factores ligados directamente con la resistencia del gel son el ET y el peso
molecular, es por ello que la extensión de las cadenas de pectina define la
transformación de la textura de la solución y la dificultad a fluir del hidrogel
(Kanmani et al., 2014, p. 304).
En la Figura 1.10 se esquematizan los enlaces entre cadenas de pectina según la
categoría a la que pertenecen.
(Edwards, 2007, p. 126; Imeson, 2010, p. 250)
24
Figura 1. 10. Método de enlace entre pectinas para la generación del hidrogel (Shukla et al., 2011, p. 84)
1.2.5. MÉTODOS DE EXTRACCIÓN
Existen métodos físicoquímicos y enzimáticos, a través de los cuales se obtiene
pectina de distinta calidad; pues dicho producto depende directamente del
tratamiento que haya sido utilizado. Los métodos de extracción de pectina
incluyen: extracción en medio ácido, asistida por microondas y extracción con
enzimas.
La extracción en medio ácido constituye el método convencional, el cual requiere
aproximadamente 30 min a 1 hora para obtener un buen rendimiento de pectina, y
si el periodo de calentamiento directo se extiende la pectina sufre degradación
térmica. La extracción por calentamiento en microondas utiliza la energía
discipada por el campo electromagnético para incrementar la porosidad de la
corteza, y la extracción enzimática requiere enzimas generadas por
microorganismos que despolimericen la estructura de la protopectina (Srivastava
y Malviya, 2011, p. 13).
25
1.2.5.1. Extracción con soluciones ácidas
La extracción de la pectina es un proceso complejo en el que la hidrólisis,
extracción y solubilidad de las moléculas de pectina de los tejidos de la fruta se
efectúan bajo la influencia de varios factores, siendo los principales: la
temperatura, el pH y el tiempo de tratamiento (Chakraborty y Ray, 2011, p. 391).
A escala industrial el método más utilizado es la extracción de pectina en medio
acuoso acidificado, el cual se realiza a temperaturas entre 60 ̊C - 95 C̊ y en un
rango de pH de 1,5 – 3,0. Los ácidos inorgánicos más comúnmente utilizados
son: ácido clorhídrico, sulfúrico y fosfórico; y entre ácidos orgánicos y sus sales:
ácido cítrico, ácido oxálico, oxalato de amonio, ácido tartárico, entre otros
(Sánchez, Aguilar, Contreras y Nevárez, 2011, p. 79; Srivastava y Malviya, 2011,
p. 13).
Dentro de los ácidos citados, el clorhídrico, es aquel que permitó la recuperación
máxima de pectina para la especie Citrus pseudolimon Tan.; es por ello, de su
preferencia para el ensayo con cítricos (Flores, Mariños, Rodríguez, N. y
Rodríguez, D., 2014, p. 79).
La presencia del ácido en medio acuoso a temperaturas elevadas ayuda a un
rápido y brusco rompimiento de las paredes celulares de la corteza del fruto,
dando lugar a la hidrólisis de la protopectina. Generalmente la extracción con
ácidos produce pectinas con alto grado de esterificación, mientras que las sales
pectinas con bajo grado (Sánchez et al., 2011, p. 79).
El tiempo de extracción puede variar de 30 minutos a horas y constituye un factor
relevante en dicho proceso; ya que, si el periodo de tiempo es muy pequeño la
cantidad extraída va a ser baja, mientras que si se extiende demasiado la pectina
tiende a degradarse (Monsalves et al., 2009, p. 10).
Después de dicho tratamiento se precipita la pectina del extracto obtenido, para
este fin se utiliza sales de aluminio, sales de cobre, pectato de calcio y alcoholes,
26
entre ellos: etanol, metanol y 2-propanol; debido a la capacidad de coagular o
gelificar la pectina en presencia de dichas sustancias. El etanol es el agente
precipitante más utilizado, ya que la aplicación de las demás sustancias involucra
procesos de lavado y purificación (con agua o etanol ácido para eliminar iones
metálicos) y por ende mayor costo (Cerón y Cardona, 2011, p. 69).
De forma específica, al analizar la influencia del pH y el tiempo de calentamiento
durante la extracción de pectina de la corteza seca de limones Citrus genuina, se
encontró un máximo rendimiento al trabajar a un pH 2,5 y 90 min. La pectina
obtenida se caracterizó como una de bajo índice de metóxilo (Chakraborty y Ray,
2011, p. 392).
1.2.5.2. Extracción con previa aplicación de ondas microondas
La extracción asistida por microondas, consiste en el calentamiento delimitado de
la matriz (modas de fruta) mediante ondas microondas, lo que provoca el aumento
de la temperatura y presión en el pericarpio (Srivastava y Malviya, 2011, p. 13). El
fenómeno de transformación de la energía electromagnética en energía térmica
ocurre por la rotación y alineación de los dipolos, ocasionando que las moléculas
roten y se friccionen, emitiendo energía en forma de calor (Fernández et al., 2010,
p. 2).
En dicho proceso la presión se acumula en el interior del material,
incrementándose rápidamente; lo que da lugar al fraccionamiento de la estructura
celular, los tejidos y la liberación las sustancias intracelulares; mientras que el
aumento de temperatura inactiva las enzimas que degradan la pectina (Sánchez
et al., 2011, p. 79; Srivastava y Malviya, 2011, p. 13).
Particularmente para la extracción de pectina del albedo de la naranja Valencia de
la región tropical de Colombia, se han estudiado tratamientos a una frecuencia de
2450 MHz y una potencia de 600 W, donde el mayor rendimiento correspondió a
9,50 % (base seca). Así también se trató a pieles de manzana con una potencia
27
de 499,99 W y un tiempo de 20 min, donde se obtuvo un rendimiento de 0,315 g
por 2 g de piel seca (Barón y Villa, 2014, p. 153).
Dicho método reduce el tiempo, se requiere un periodo de 15 a 20 minutos para la
extracción, sin embargo el costo operativo es alto (Srivastava y Malviya, 2011, p.
13). El pretratamiento con microondas incrementa la solubilidad de la pectina, a la
vez que dicho gel presenta mayor resistencia (Barón y Villa, 2014, p. 148-149).
1.2.5.3. Extracción enzimática
Este método se basa en la utilización de enzimas generadas por
microorganismos: endo-poligalacturonasa (Aspergillus niger, Aspergillus
kawachii), endo-celulasa (Trichoderma sp.) y endo-arabinasa (A. niger ), de las
cuales la primera permite una mayor solubilización de la pectina. Las endo-
poligalacturonasas actúan sobre el homogalacturonano, que constituye la
estructura principal de las sustancias pépticas, rompiendo mediante hidrólisis sus
enlaces glucosídicos; mientras que las otras enzimas señaladas atacan las
cadenas laterales. Las enzimas pectinesterasa y pectinmetilesterasa también se
las utiliza, para disminuir el porcentaje de metóxilos de las pectinas como se
observa en la Figura 1.11 (Sánchez et al., 2011, p. 80)
Dicho método se ha aplicado en la obtención de pectina de la cáscara
deshidratada de mango y se obtuvo un rendimiento del 32,50 %; utilizando la
endo-poligalacturonasa como enzima. Así también se utilizó dicha enzima en la
extracción de pectina del limón y se la comparó con el rendimiento obtenido con el
tratamiento general, donde se alcanzó un rendimiento del 17,60 % y 20,20 %,
respectivamente; observándose la disminución del rendimiento con el método
enzimático (Contreras, Voget, Vita y Espinoza, 2006, p. 163).
La ventaja de este método lo constituye las condiciones no severas de la reacción
y el bajo consumo de energía; calificándolo como un método amigable con el
medio ambiente (Contreras et al., 2006, p. 163; Flores et al., 2014, p. 81).
28
Figura 1. 11. Acción de la endo-poligalacturonasa (endo-PG) y pectinmetilesterasa (PME) (Menezes y Choudhari, 2011, p. 228)
1.2.6. USOS Y APLICACIONES
La principal aplicación de las pectinas se debe a su capacidad de gelificar y
estabilizar ciertos alimentos, su acción favorece las propiedades reológicas de
mermeladas, jaleas, lácteos, jugos, etc. Según Pons, García, Contreras y
Acevedo (2009), el aditamento de pectina en una concentración de 0,15 %
favorece la firmeza y viscosidad del yogurt, pues genera un producto de mejor
calidad respecto al estándar (p. 447).
En la industria alimenticia, se la utiliza en gran porcentaje para combatir la
sinéresis de mermeladas y conservas; pues una de las causas de este fenómeno
es la deficiencia de pectina; que ocasiona la compresión del gel y por ende la
expulsión del líquido presente, lo que constituye un grave problema en la
elaboración de dichos productos (Monsalves et al., 2009, p. 10; Colquichagua y
Ortega, 2005, p. 17).
Es considerada fibra dietética, al formar geles de alta viscosidad que inhiben la
asimilación de compuestos en el estómago e intestino; y al combinarse con el
agua generan una capa hidrofílica que evita que el colesterol y las sales biliares
29
atraviesen el intestino. Es por ello que se le añade a varios alimentos, al igual
que a la hemicelulosa y a la celulosa (Srivastava y Malviya, 2011, pp. 10-11).
Así se justifica su aplicación en tratamientos de reducción de peso y control de
niveles de colesterol en la sangre, donde el consumo de al menos 6 g/día de
pectina es necesario para establecer un efecto significativo en la reducción del
colesterol (Kadajji y Betageri, 2011, p.1972). Además, actúa como desintoxicante
por su capacidad de adherencia a cationes que permite eliminarlos del tracto
gastrointestinal, con gran eficiencia en la remoción específica de plomo y mercurio
(Shukla et al., 2011, p. 85).
La elaboración de recubrimientos comestibles es un nuevo campo de aplicación
de la pectina, produce películas con propiedades mecánicas y de permeabilidad
adecuada destinadas como barreras de preservación de alimentos; durante su
fabricación es necesaria la adición de sales de calcio para mejorar la resistencia
al agua. Además, se ha comprobado que la aplicación de radiación gama e
inmersión en cloruro cálcico (CaCl2) mejora la resistencia a la tracción, elongación
a la rotura y permeabilidad al vapor de agua de la película biodegradable
(Sánchez et al., 2011, p. 78).
En el ámbito farmacéutico, la pectina se la utiliza en las formulaciones como
gelificante instantáneo del paracetamol y ambrosol, para que su liberación en el
interior del estómago se realice lentamente y se controle su velocidad de
disipación; así también la adición de iones divalentes permite mejorar dicho
control, siempre y cuando se encuentren en dosis adecuadas, las cuales oscilan
entre 15 a 30 mg/g pectina (Mamani et al., 2011, pp. 84-85).
Las pectinas obtenidas de cítricos se han aplicado en la medicina para combatir el
cáncer, por su capacidad de bloquear su propagación y disminuir la dimensión del
tumor; con mayor relevancia en el cáncer de colon. La inclusión de pectina en el
consumo humano permite incrementar los ácidos grasos, los cuales intervienen
en el cuidado de las células de colon evitando su degeneración; además que
mejora el tránsito intestinal (Mamani et al., 2011, p. 91).
30
1.2.7. NORMALIZACIÓN DE LA PECTINA
Según el Codex Alimentarius, la pectina está calificada como aditivo alimentario
autorizado y seguro; que no presenta peligro alguno al ser consumida por los
seres humanos.
Los aditivos alimentarios son sustancias no consumidas de forma regular ni
directa por las personas, no constituyen un componente esencial en la
elaboración de alimentos y pueden o no presentar características nutricionales; su
adición en productos alimenticios se realiza para mejorar sus propiedades
organolépticas (Codex Alimentarius Codex Stan 192, 1995, p.3).
De acuerdo al Código Europeo, se califica a la pectina como Agente Gelificante,
Espesante y Estabilizante, al igual que el alginato, carragenano, agar, ácido
algínico, monoestearato, etc.; cuya función es transformar la textura de los
alimentos. Su característica más importante es la formación de geles estables a
diferentes condiciones; además de ser sustancias con baja o nula asimilación en
el organismo (García, 2010, p. 2).
En el Ecuador la norma INEN 192:2013 se fundamenta en la norma del Codex
Alimentarius y se especifica a la pectina 440 como coadyuvante, definiendo las
categorías de los alimentos en los que se usa:
Zumos de frutos
Concentrados para zumos de frutos
Néctares de frutos
Concentrados para néctares de frutos
1.2.8. DEMANDA DE PECTINA EN EL ECUADOR
El Ecuador y varios países de Sudamérica importan pectina, mientras la fuente
principal de este aditivo, los cítricos, se cultivan en gran porcentaje en sus
31
campos sin contar con un adecuado enfoque industrial. Según los registros del
Banco Central en el periodo: enero 2010 a diciembre 2013, el principal proveedor
de pectina del Ecuador es México, como se observa en la Tabla 1.9.
Tabla 1. 9. Países proveedores de pectina al Ecuador
País Cantidad (t)
México 60,28
Colombia 46,00
Alemania 21,25
Estados Unidos 21,81
Brasil 22,00
Francia 13,90
Bélgica 4,00
España 3,03
Dinamarca 0,85
China 0,90
Perú 0,15
Chile 0,03
(Banco Central, 2014)
El país ha importado un total de 194,18 t de materias pécticas en los últimos
cuatro años, de proveedores como Estados Unidos y Francia, que son los países
que mayor proporción de limón Tahití ecuatoriano consumen. Dicha cantidad es
requerida por 19 industrias presentes en el país, cuyos nombres se especifican en
la Tabla 1.10.
Tabla 1. 10. Industrias importadoras de materias pécticas en el Ecuador
ADITMAQ CIA. LTDA
ALITECNICO COMERCIO E INSUMOS PARA IND. ALIMENTOS
ALPINA PRODUCTOS ALIMENTICIOS ALPIECUADOR
COMERCIAL DANESA CIA. LTDA
ECUAJUGOS S.A.
ECUAVEGETAL S.A.
ESPECTROCROM CIA.LTDA.
32
Tabla 1.10. Industrias importadoras de materias pécticas en el Ecuador (continuación …)
INDUSTRIA DE PRODUCTOS ALIMENTICIOS INPROLAC
INDUSTRIAS LÁCTEAS TONI S.A.
INDUSTRIAS REUNIDAS CIA. LTDA.
JAMES BROWN PHARMA C.A.
NEW YORKER S.A.
PLASTIQUIM S.A.
PRODUCTOS DE SEGURIDAD INDUSTRIAL PROSEIN CIA.LTDA
PROVEQUIM C.A.
QUÍMICA SUIZA INDUSTRIAL DEL ECUADOR QSI S.A.
RESIQUIM S.A.
SUMESA S.A.
SUPERQUÍMICOS C.A.
(Banco Central del Ecuador, 2014)
Las industrias nombradas anteriormente se dedican a la producción de alimentos
como bebidas, jugos, lácteos, pastas, mermeladas, etc. que solicitan la pectina en
sus procesos como ingrediente para adquirir la textura que demanda el
consumidor; mientras que otras se dedican a la comercialización local de materias
primas, agregados y químicos.
33
2. METODOLOGÍA
Para la ejecución experimental del presente estudio se utilizaron los siguientes
equipos, materiales y reactivos, como se indican en las Tablas 2.1, 2.2 y 2.3:
Tabla 2. 1. Equipos
Equipo Marca Modelo Capacidad Sensibilidad
Agitador de
vidrio con
motor
Talboys. Engineering
Corp.
104 5000 rpm 2 %
Agitador
magnético
Stuart SM27 1 W -
Anemómetro Amprobe TMA40-A 0,4-32,0 m/s 0,1 m/s
Balanza
analítica
Ohaus Champ II CD-11 5,0000 kg 0,0001 kg
Balanza
analítica
Ae Adam PW 124 120,0000 g 0,0001g
Baño
termostático
Julabo 20B 30 L -
Calibrador Mitutoyo - 150,00 mm 0,02 mm
Hielera Scotsman ECF75AE-1A 53 kg -
Estufa Memmert SFE-A00 200,0 °C 0,1 °C
pH-metro Hanna H198127 14,0 0,1
Plancha
eléctrica
Scientific Support PC-100 50 Watts -
Refractómetro Llinsham & Stanless
Epic Inc.
33 0-50 °Bx
0,00-25,00
°Bx
1 °Bx
0,25 °Bx
Termómetro 80203 150 °C 1 °C
Termostato Thomas Scinetific 73A0G11B 100 °C 2 °C
Tabla 2. 2. Materiales
Material Capacidad (mL)
Vaso de precipitación 50, 250,1000 y 4000
Bureta 25
Matraz Erlenmeyer 250
34
Tabla 2.2. Materiales (continuación …)
Pipeta 10
Balones 500 y 1000
Filtro de tela -
Bandeja 0,0456 m2
Mortero -
Cuchillo -
Imán de agitación
Bolsas herméticas -
Tabla 2. 3. Reactivos
Material Casa Comercial Pureza
Hidróxido de sodio Laquin S.A. Reactivo
Ácido clorhídrico Merck 37 %
Etanol Laquin S.A. 96 %
Fenolftaleína Laquin S.A. 2%
Rojo fenol Laquin S.A. 2 %
Cloruro de Sodio Laquin S.A. Reactivo
2.1. CARACTERIZACIÓN DEL LIMÓN DE LA VARIEDAD
TAHITÍ (Citrus latifolia Tan.)
2.1.1. SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA
La recolección de las muestras de los frutos del limonero de la variedad Tahití se
realizó directamente en la Granja de la Asociación de Productores Agropecuarios
Quinlata del cantón Patate, en la provincia de Tungurahua.
Esta etapa se efectuó manualmente mediante la torcedura del rabillo de fruto y
bajo la utilización de la tabla colorimetría específica del limón Persa o Tahití,
elaborada por Bosquez, Domínguez, Perez, Bautista, Díaz de León y Rivera
35
(2008) en su estudio sobre este cítrico y cuyo patrón de selección fue el color
verde oscuro número 2, como se indica en la Figura 2.1.
Figura 2. 1. Tabla colorimétrica del Limón Persa o Tahití (Bosquez et al., 2008, p. 165)
La selección de los frutos fue aleatoria, es decir se desprendieron aquellos que se
encontraban tanto en las ramas superiores, laterales e inferiores de la copa del
árbol. Posteriormente se escogieron las muestras libres de daños físicos o
alteraciones del flavedo por microorganismos y se descartaron aquellas que
presentaban algún índice de daño.
Los frutos se agruparon y colocaron en una canastilla plástica para evitar daños
por golpes e inmediatamente se llevaron al Laboratorio de Operaciones Unitarias
para su experimentación y almacenamiento bajo refrigeración a 10 ̊C.
2.1.2. CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS
Para dicha etapa se utilizó la norma NTE INEN 1750 (1994): Hortalizas y frutas
frescas. Muestreo, por lo que se tomaron 2 kg de fruto como muestra para
ensayos en laboratorio, lo que correspondió a 30 unidades para su análisis físico
y 50 ml de zumo para el análisis químico (6 repeticiones). En el Anexo 1 se indica
el extracto de la norma mencionada.
36
2.1.2.1. Caracterización física
Los frutos verdes fueron caracterizados mediante la determinación de los
siguientes parámetros: peso del fruto, diámetro ecuatorial y porcentaje de la
corteza, cuya metodología aplicada para los dos primeros se fundamentó en la
sección 8 de la norma NTE INEN 1757 (2008): Frutas Frescas. Limón. Requisitos,
Anexo II.
El porcentaje de corteza se evaluó mediante el desprendimiento del albedo y
flavedo, el cual se pesó y se relacionó directamente con el peso unitario del fruto.
2.1.2.2. Caracterización química
Para la caracterización química se extrajo el zumo de limón y se filtró
adecuadamente, con el fin de evitar la presencia de vesículas que obstruyan su
succión para los ensayos.
Se evaluó la acidez, definida como potencial de hidrógeno y cantidad de ácido
cítrico, cuyo procedimiento se realizó de acuerdo a las normas NTE INEN 0389
(1986) y 0381 (1986) respectivamente. Otro parámetro determinado fue la
presencia de sólidos solubles, los cuales se caracterizaron en referencia a la
norma NTE INEN 0380 (1985). De forma detallada en los Anexo III, IV, V se
expone la metodología aplicada.
2.1.3. ANÁLISIS ESTADÍSTICO
Se realizó un análisis estadístico mediante la determinación de la media aritmética
como medida de tendencia central, así como la desviación estándar como
parámetro de dispersión o desviación de los datos.
37
2.2. DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE REACCIÓN PARA
LA OBTENCIÓN DE LA PECTINA
2.2.1. NÚMERO DE REPETICIONES
Para la determinación del número de repeticiones para el análisis cinético de la
pectina, se aplicó el modelo estadístico específico para casos cuando se ignora la
variabilidad los datos, el cual se expone en la ecuación 2.1 (Lozano, 2011, p. 57):
#𝑟𝑒𝑝𝑒𝑡𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 =R(1 − R)Zβ + 1,4Zα
R2 [2.1]
Donde:
R: Rendimiento esperado
Zβ: Nivel de certeza o confiabilidad
Zα: Potencia estadística
Se utilizaron los valores de Zα y Zβ estándar los cuales corresponden a 1,960 y
0,842, que significan un 95% de confiabilidad y 80% de potencia estadística,
respectivamente, como se indica en el Anexo VI. Para el factor del rendimiento
esperado se utilizó un valor de 0,700; que establece que el 70% tiene posibilidad
de ocurrencia.
2.2.2. TRATAMIENTO PREVIO
Se realizaron pruebas preliminares del proceso de extracción para definir sus
condiciones óptimas. Inicialmente se evaluaron las temperaturas de 75 ± 2 °C y
de ebullición; se seleccionó aquella que generaba una pectina con una coloración
acorde a la norma INS 40: Pectinas (FAO, 2009, p. 1).
38
Para la selección del pH se consideró lo mencionado por Menezes y Choudhari
(2011), la protopectina de reservas cítricas se libera en medios con un potencial
de hidrógeno de 1,5 a 3,0 (p. 241) en base a ello se experimentó con los dos
extremos del rango, en un periodo de 10 a 100 min.
Además, según Muñoz (2010), la relación 1/3 correspondiente a cáscara
fresca/medio, influye positivamente en la extracción (p. 46), por lo que bajo este
valor constante, se evaluaron los parámetros anteriores; sin embargo Sudhakar y
Maini (2000), manifiestan que con relación de 1/6 los resultados son significativos
(p. 216), por lo que se ensayó con dicha relación.
Considerando el mayor rendimiento de producto extraído se seleccionaron los
valores de pH, tiempo y relación corteza/medio óptimos, para continuar con los
ensayos posteriores.
2.2.3. PROCESO PARA LA EXTRACCIÓN DE PECTINA DEL LIMÓN DE LA
VARIEDAD TAHITÍ (Citrus latifolia Tan.)
2.2.3.1. Procedimiento
Selección y lavado de los frutos
Se seleccionaron los frutos de color verde oscuro, con apariencia saludable, sin la
presencia de manchas o lesiones del flavedo por microorganismos. Su lavado se
efectuó con agua para eliminar impurezas propias del cultivo, los frutos se
escurrieron y se colocaron individualmente sobre una toalla absorbente para su
posterior tratamiento.
39
Desprendimiento de la corteza
El descortezamiento se realizó mediante un cuchillo, asegurándose la total
separación de las secciones verdes y blancas del fruto, las cuales seguidamente
fueron cortadas en rectángulos de 10 a 15 mm, para incrementar el contacto con
el medio de extracción. Este proceso se realizó hasta alcanzar 500 g de cáscara
por ensayo.
Escaldado
La corteza fue sometida a una etapa de escaldado durante 10 min en agua
destilada, bajo la proporción de 5/10 (g de corteza/ ml de agua), a fin de
desactivar las enzimas que fraccionan la macromolécula de pectina. El proceso se
realizó en un recipiente de acero inoxidable, el cual se colocó sobre una plancha
eléctrica para alcanzar la ebullición del agua destilada. Posteriormente el
contenido se filtró y se procedió al lavado de la corteza tratada.
Lavado de la corteza tratada
La corteza se sumergió en agua destilada y se realizó el lavado hasta reducir la
presencia de azúcares en el agua residual, los cuales fueron determinados
mediante su observación en el refractómetro, cuya lectura final fue 0 °Bx.
Extracción
Esta etapa se desarrolló de acuerdo al esquema expuesto en la Figura 2.2, para
lo cual se preparó un baño termostático a 75 ± 2 °C, donde se sumergió el reactor
con 1500 ml de agua acidulada con ácido clorhídrico a pH de 1,5 y se esperó
hasta que se alcance el equilibrio térmico.
40
Seguidamente se añadieron 500 g de corteza del fruto fresco para la extracción
durante 10, 25, 35, 45, 60 y 80 min, mediante agitación continua y leve. Se debe
acotar que el agua que se utilizó fue agua destilada, para evitar la presencia de
iones que interfieran en la extracción.
Figura 2. 2. Esquema del sistema de extracción utilizado en el laboratorio de Operaciones
Unitarias
Filtración I y enfriamiento
Se retiraron los residuos de corteza mediante su separación por un filtro,
aplicando presión para expulsar todo el líquido retenido. Seguidamente el extracto
se colocó en un recipiente rodeado de hielo en escarcha para disminuir la
temperatura y parar la reacción al tiempo determinado.
Separación por coagulación
Una vez que el extracto alcanzó la temperatura de 25 °C se añadió etanol 96 %
utilizando la relación 6/10 (ml de etanol/ml de extracto), por la propiedad de la
pectina de coagular en presencia de alcoholes. Se mantuvo en reposo durante 60
min hasta que el coágulo alcance su estabilidad.
TermostatoAgitador
Baño termostático
Termómetro
41
Filtración II
La separación del precipitado se efectuó a través de un filtro de liencillo, mediante
pequeños movimientos circulares y vibratorios. El precipitado se retiró con una
paleta y se colocó en la bandeja de secado.
Secado
Esta etapa se llevó a cabo en una estufa de bandejas a la temperatura de 50 °C
hasta alcanzar el equilibrio, definido por el valor constate del peso de la muestra.
Molienda y almacenamiento
La reducción de tamaño de la pectina se realizó en un mortero, por la pequeña
cantidad de materia obtenida, sin embargo a las condiciones que se obtuvo mayor
rendimiento se realizó en un molino de cuchillas alcanzando un tamaño de
partícula de 250 um, malla # 60.
La pectina se almacenó en bolsas con sello hermético, las cuales fueron
debidamente etiquetadas según el tiempo de extracción y el número de repetición
correspondiente.
2.2.4. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS CINÉTICOS DE LA
OBTENCIÓN DE LA PECTINA
El análisis cinético se enfocó en la reacción de Solubilización de la protopectina,
la cual ocurre hasta el tiempo en el que se alcanza el mayor rendimiento en el
proceso extractivo, determinado en el tratamiento previo.
42
Se efectuaron seis repeticiones de extracción mediante el procedimiento descrito
en la sección 2.2.3., donde se obtuvo el peso de pectina. Se graficaron los valores
en cada tiempo y se definió el perfil de extracción.
El orden de reacción se analizó considerando la ley de la velocidad para una
reacción de primer y segundo orden, se graficaron sus ecuaciones de
linealización en función del contenido de protopectina y se determinó su ajuste
utilizando como criterio el mejor factor de correlación. A partir de la pendiente de
la ecuación de la recta generada en los gráficos, se determinó el valor promedio
de la constante de velocidad.
2.3. DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE SECADO DE LA
PECTINA GEL
2.3.1. OBTENCIÓN DEL LA MEJORES CONDICIONES DEL PROCESO DE
DESHIDRATACIÓN DE LA PECTINA
Para la determinación de las mejores condiciones del proceso de deshidratación
de la pectina en estado coloidal hasta obtenerla sólida, se aplicó el método
cuantitativo de gravimetría.
El método cuantitativo de gravimetría durante el proceso de deshidratación
considera el pesado del material a medida que incrementa el tiempo al que es
sometido a condiciones de secado, el cual se realizó hasta lograr un valor
constante en el peso. La diferencia de peso en el tiempo representa la cantidad
de agua que es evaporada y se elimina por efecto de la temperatura y flujo de aire
a la que es expuesto el material.
Para ello, previamente se desecó la bandeja a utilizar durante 5 min y se pesó, las
dimensiones de la bandeja son de 0,19 x 0,24 m; en ella se colocó el gel hasta
generar un espesor aproximado de 1,2 mm.
43
De forma específica el proceso de deshidratación señalado en la sección 2.2.3.1.
se experimentó en el secador de bandejas del Laboratorio de Operaciones
Unitarias a la temperatura de 50 °C y a diferentes flujos de aire 1,4 y 1,8 m/s,
considerando que el rango del secador oscila de 1,3 a 2,0 m/s.
La evaluación de las condiciones se basó en la influencia sobre la propiedad de
los grupos metóxilos y el tiempo requerido en alcanzar el equilibrio, a fin de evitar
la alteración de la calidad del producto.
2.3.2. ANÁLISIS DEL PERFIL DE DESHIDRATACIÓN, MODELIZACIÓN Y
CINÉTICA
El análisis del perfil de deshidratación consistió en la identificación de las etapas
de secado, para lo cual se consideró como frontera de división la humedad crítica.
El punto crítico se determinó gráficamente en la figura humedad sobre tiempo,
posteriormente se ajustaron ciertas curvas a cada una de las etapas, a fin de
obtener expresiones matemáticas que permitan modelar dichos periodos.
Para definir la cinética de deshidratación se determinaron los valores de velocidad
por intervalo de tiempo, mediante la aplicación de la razón diferencial de la
humedad y el tiempo. Se graficó la trayectoria de la velocidad respecto a la
humedad, donde se identificó el valor de la rapidez con la que se efectúa la
eliminación del agua en la fase constante y el valor crítico.
2.4. CARACTERIZACIÓN DE LA PECTINA OBTENIDA DE LA
CORTEZA DEL LIMÓN
Para este objetivo se consideró como parámetros de calidad y propiedades
estructurales aquellos descritos en la Figura 2.3, mediante los procedimientos
44
indicados en las normas AOAC y mediante métodos estandarizados como el de
Owens.
Figura 2. 3. Parámetros de caracterización del producto
De forma detallada en el Anexo IX y X se muestran los procedimientos
experimentales seguidos para cada uno de los parámetros antes mencionados.
2.5. DISEÑO DEL REACTOR PARA LA HIDRÓLISIS Y DEL
SECADOR DE LA PECTINA A ESCALA PILOTO.
En primer lugar se definió la producción de pectina a escala piloto mediante los
datos de la sección 1.2.8., se consideró el 5 % de la demanda diaria de pectina
para definir la producción de los equipos a diseñar.
El cálculo de la producción a escala industrial se presenta en el Anexo XII.
Parámetros fisicoquímicos
Color
Humedad AOAC 925.10
Cenizas insolubles en ácido AOAC 942.05 y AOAC 920.46
Propiedades estructurales
Peso equivalente
Proporción de metóxilos
Proporción de ácido galacturónico
Grado de esterificación
Método de Owens
45
2.5.1. DISEÑO DEL REACTOR PARA LA HIDRÓLISIS A ESCALA PILOTO
Para el diseño del reactor, se consideraron las mejores condiciones de extracción
evaluadas experimentalmente y en base a las cuales se seleccionó el tipo de
reactor apto para tratar la alimentación.
La constante de reacción definida mediante el tratamiento de la sección 2.2.4., el
contenido y concentración inicial de protopectina fueron parámetros utilizados
para definir el volumen del reactor mediante el balance de masa en el equipo; así
también el volumen de carga se estableció considerando la mejor relación materia
prima/medio ácido. Con un factor de seguridad del 20% se determinó el volumen
nominal del equipo (API 2350, 2005, p. 18).
Se consideró una relación entre las dimensiones del reactor de 1,0 a 2,0 (Ahmed
y Rahman, 2012, p. 850) y se determinó el diámetro interno del reactor; este valor
se corroboró con la dimensiones estándares de fabricación. Se seleccionó el tipo
de fondo y tapa, su espesor se definió mediante la ecuación [AXII.19] que
involucra presión y material de diseño; al cual se añadió el valor de espesor
corroído con una velocidad extrema o insatisfactoria. Considerando la naturaleza
de la alimentación y temperatura de trabajo se seleccionó el tipo de material apto
para el diseño.
Entre los accesorios del reactor se diseñó el agitador y la chaqueta de
calentamiento, el primero se basó en las proporciones estándares de acuerdo al
diámetro y altura nominal del equipo, señalas por McCabe, Smith y Harriott
(2007), se definió del tipo de flujo a tratar y el número de potencia con lo que se
encontró el requerimiento energético para la acción de este accesorio. El
segundo, el sistema de calentamiento, se determinó la dimensión del anular entre
el reactor y chaqueta, en base a ello se estableció el diámetro de la chaqueta, y
las condiciones del flujo que atravesará dicha sección. En el anexo AXII se detalla
el algoritmo seguido para el diseño del reactor de hidrólisis para el proceso de
extracción, a la temperatura de 75 °C.
46
2.5.2. DISEÑO DEL SECADOR DE LA PECTINA A ESCALA PILOTO
Para el diseño del secador de la pectina en estado coloidal, se definió una
humedad entre 0 a 12 %, como lo exige la norma INS 40: Pectinas para este
coadyuvante.
Aplicando la modelización de las etapas de deshidratación definidas en la sección
1.3.2., se determinó el tiempo de operación, cantidad de agua a retirar y área real
de secado; a la que se añadió un factor de sobredimensionamiento para definir el
área de diseño.
En el equipo de deshidratación se diseñaron dos áreas: en primer punto aquella
donde ocurre el proceso como tal, denominada cámara de secado, cuyas
dimensiones se establecieron considerando las del armario de bandejas. Se
determinó el área y el número de bandejas por bastidor hasta un máximo de 40.
El esqueleto se diseñó con barras y ángulos de acero inoxidable y se determinó
su peso, con el que se estableció el número de ruedas aptas para soportar dicho
valor.
Mediante el programa ECOWIN GREEN facilitado por empresa Fiber Glass, el
cual requiere de datos como: temperatura del exterior, temperatura de trabajo,
emisividad, velocidad el viento y posición del equipo se estimó el espesor del
aislante para mantener la temperatura interna en 50 °C.
En la cámara externa se diseñó el ventilador y sistema de calentamiento. El
primer accesorio se diseñó considerando el flujo de aire, presión estática, de
fricción y nivel permisible de sonido; el segundo se definieron resistencias que
satisfagan el requerimiento energético por convección entre el aire y el gel; y la
energía del gel en incrementar su temperatura.
En el Anexo AXIII se detalla el procedimiento seguido para el diseño del secador
a escala piloto.
47
2.5.3. COSTOS DE MATERIA PRIMA, INSUMOS Y DE PRODUCCIÓN DE
PECTINA
Para el análisis económico fue imprescindible construir el diagrama de flujo del
proceso estudiado, que involucra los principales equipos y la tabla de resumen de
corrientes, realizada con los resultados del balance de masa y energía.
Se realizó el balance de masa para la generación de 10 kg/día de pectina, con lo
que se definió la cantidad de materia prima (limones) y la cantidad de insumos:
agua, ácido clorhídrico 37 % y alcohol etílico 96 %. Mediante el balance
energético se establecieron los kilogramos de consumo de vapor durante los
procesos de escaldado y extracción, con lo que se calcularon los litros de
combustible para el procesamiento del caldero y el consumo eléctrico de cada
equipo.
Mediante la adición de los tres elementos básicos descritos en la Figura 2.4 y la
producción anual de 2 400 kg, se estimó el costo de producción de la pectina del
limón Tahití (Citrus latifolia Tan.)
Figura 2. 4. Parámetros del costo de producción de pectina
Materia Prima e insumos
Servicios industriales
Mano de obra
48
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A continuación se exponen los resultados obtenidos en el presente estudio, los
cuales se describen de acuerdo con los objetivos y la experimentación antes
señalada. En base a disertaciones relacionadas con el tema se analizará el
rendimiento del fruto verde de la variedad Tahití (Citrus Latifolia Tan.) como
materia prima en la obtención de la pectina.
3.1. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DEL LIMÓN DE
LA VARIEDAD TAHITÍ (Citrus latifolia Tan.)
3.1.1. RESULTADOS DE LA SELECCIÓN DE LA MATERIA PRIMA
Se seleccionaron las muestras frutales de forma cualitativa, según el color verde
oscuro, expuesto en la gama de colores de la Figura 2.1, correspondiente a un
estado de madurez 2. El color de los frutos seleccionados se observa en la Figura
3.1.
Figura 3. 1. Frutos del limón Persa o Tahití seleccionados para el estudio
49
3.1.2. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DEL LIMÓN TAHITÍ
El análisis físico se realizó a 30 unidades de los frutos recolectados de la
Asociación Quinlata del cantón Patate., en las cuales se determinó el diámetro,
peso por unidad y porcentaje de corteza. Dichas propiedades se midieron de
acuerdo a los métodos inscritos en la norma NTE INEN 1757 particular para
limones, que engloba las clases Tahití, Sutil y Meyer. Los resultados se exponen
en las Figuras 3.2 y 3.3.
Figura 3. 2. Valores del diámetro ecuatorial del Limón Persa o Tahití
El diámetro medio es de 6,04 cm, cuyos datos reportan una desviación estándar
de ± 0,17 cm, lo cual define el rango en el que se encuentran la mayor cantidad
de muestras, siendo este de 5,87 a 6,21 cm.
De acuerdo a la clasificación de calibres de la norma NTE INEN 1757:2008,
expuesta en el Anexo II, el fruto recolectado corresponde a un limón de tamaño
mediano cuyo rango de diámetro se encuentra de 5,50 a 6,50 cm. Sin embargo de
acuerdo a la característica del peso se lo ubica en el rango de fruto pequeño por
poseer un peso unitario menor a 140 g.
5,40
5,60
5,80
6,00
6,20
6,40
6,60
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Diá
metr
o e
cu
ato
rial
(cm
)
Número de repeticiones
Diámetro (cm) Media LIDesviación
LSDesviación Calibre mediano
50
En la Figura 3.3 se observa el valor medio del peso del fruto de 69,7225 g, con
una dispersión de ± 3,8830 g, donde el rango de dicha característica es de
65,8395 a 73,6055 g.
Figura 3. 3. Valores del peso por unidad del limón Persa o Tahití.
Dentro de las partes del cítrico la sección de interés constituye la corteza, ya que
en el interior de la pared celular se encuentra la pectina, en base a ello se definió
el contenido de pericarpio de 35,43 ± 3,69 %, que representa el flavedo como la
parte verde y el albedo como la sección blanca.
En comparación con otras especies, como el limón Sutil y el limón Eureka el
contenido de corteza es mayor, ya que estos presentan valores de 19,98 % y 20,
28%; con ello se define que aproximadamente la mitad del fruto es apto para el
tratamiento. Además la textura del albedo es carnosa y suave facilitando la
absorción del catalizador durante la extracción.
En la Figura 3.4 se observa el valor medio de contenido de corteza del limón
Tahití.
50,0000
55,0000
60,0000
65,0000
70,0000
75,0000
80,0000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Peso
Un
itari
o (
g)
Número de repeticiones
Peso Unitario Media LIDesviación LSDesviación
51
Figura 3. 4. Porcentaje de corteza por unidad del limón Persa o Tahití.
Al comparar las Figuras 3.2, 3.3 y 3.4, se observa que la mayoría de datos
presentan una relación directa entre las tres características, ya que a mayor
diámetro, mayor es su peso unitario y por ende su contenido de corteza. Los
ensayos realizados en la extracción se efectuaron con 0,5 kg de corteza, si el
porcentaje medio por unidad de fruto es de 35,43 % se utilizaron
aproximadamente 21 frutos por ensayo.
De forma global las características físicas del limón utilizado en el presente
estudio se presentan en la Tabla 3.1.
Tabla 3. 1. Resumen de las características físicas del fruto de la variedad Tahití
Parámetro Valor
Color Verde oscuro #2
Diámetro 6,04 ± 0,17 cm
Peso Unitario 69,7225 ± 3,8830 g
Porcentaje de corteza 35,43 ± 3,69 %
20
25
30
35
40
45
50
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Po
rcen
taje
de c
ort
eza (
%)
Número de repeticiones
% de corteza Media LIDesviación LSDesviación
52
El análisis químico del zumo reportó los siguientes resultados de acidez (titulable
o pH) y contenido de sólidos solubles, los cuales se presentan en la Tabla 3.2.
Tabla 3. 2. Resumen de las características químicas del fruto de la variedad Tahití
Parámetro Marca
pH 2,00 ± 0,100
Acidez titulable 4,70 ± 0,18 %
Sólidos solubles 8,20 ± 0,40 °Bx
Grado de madurez 1,74 ± 0,18
Mediante la razón de sólidos solubles y acidez titulable se determinó el nivel de
maduración, correspondiendo a un valor aproximado de 2, lo que se corrobora su
ubicación en la segunda etapa de la gama colorimétrica de madurez de la Figura
2.1. Dicho parámetro engloba las propiedades internas del fruto, de forma
específica para el limón su valor de recolección no está estandarizado, ya que
esta etapa básicamente se detecta mediante la degradación de la clorofila es
decir mediante el grado de coloración de corteza externa.
De acuerdo a los parámetros anteriores, el limón cumple con los requisitos de
calibre para su consumo como producto fresco, ya sea como fruto pequeño o
mediano, pero no cumple con la característica principal visible de maduración, el
color; ya que posee un color verde oscuro a diferencia del verde claro brillante
que debe presentar el limón listo para su comercialización.
Esto define una ventaja de industrialización de esta clase de limón, ya que sin
alcanzar su estado de cosecha destinada para la alimentación directa constituye
una opción de materia prima para la extracción de pectina, debido al mayor
contenido que presentan los frutos inmaduros; lo que implica a la vez ahorro en
costos de mantenimiento del cultivo (riego y fertilización).
53
3.2. RESULTADOS DE LA DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA
DE REACCIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE LA PECTINA
3.2.1. RESULTADO DEL NÚMERO DE REPETICIONES
El número de repeticiones u observaciones experimentales se obtuvo al aplicar la
ecuación [2.1], la cual arrojó un valor de 6 para asegurar resultados 95%
estadísticamente confiables, con una pequeñísima diferencia entre ellos.
Considerando el desconocimiento de la desviación estándar que pueda presentar
la constante cinética de la extracción de pectina, se aplicó dicha ecuación, la cual
es específica para estudios cuando no se dispone de información sobre la
versatilidad de los resultados a obtener. Su cálculo se presenta en el Anexo VI.
3.2.2. RESULTADOS DEL TRATAMIENTO PREVIO
El tratamiento de extracción involucra el análisis de cuatro parámetros, lo cuales
se presentan en la Figura 3.5.
Figura 3. 5. Variables del tratamiento preliminar de extracción.
En primer lugar se analizó el efecto de la temperatura, se trabajó a la temperatura
de ebullición en la ciudad de Quito que corresponde a 91 ̊C y a una temperatura
menor de 75 C̊ ± 2 C̊. El tratamiento se realizó por 60 min, a pH de 3,0 del medio
con ácido clorhídrico y con una relación 1/3 correspondiente a peso de corteza
fresca y volumen del medio acidulado.
Temperatura
• 75 °C
• 91 °C
pH
• 1,5
• 3,0
Tiempo
• 10, 25, 35, 45, 60, 80, 90 y 100 min
Relación cáscara/medio
• 1/3
• 1/6
54
En la Tabla 3.3 se presenta el resultado visual de la pectina obtenida a 75 °C y 91
°C.
Tabla 3. 3. Resultado visual de la pectina obtenida a 75 °C y 91 °C
Condiciones
de temperatura
Resultado visual
Características
Tebullición
91°C
Tonalidad verde
oscuro con
secciones de color
café
75 °C
Tonalidad crema-
beige.
* Las imágenes corresponden a la pectina obtenida después del proceso de secado.
En la Tabla 3.3 se distingue una diferencia relevante de tonalidades de pectina.
La pectina extraída a la temperatura de ebullición presenta un color verde oscuro,
que en el mercado es una tonalidad inaceptable para este aditivo alimentario.
El color verde es resultado de la condición severa de temperatura a la que fue
sometida la corteza, que provocó la desintegración del flavedo durante la
55
“cocción” y con ello la liberación del pigmento natural del limón (clorofila), el cual
alteró la apariencia del producto y su calidad.
A la temperatura de 75 °C la pectina presenta un color crema-beige, el cual es
característico de las pectinas, por lo que se seleccionó como la adecuada para la
extracción.
Una vez definida la temperatura de 75 ± 2 °C, se analizó la extracción bajo las
condiciones de pH del medio de 1,5 y 3,0; cuya experimentación se realizó a los
tiempos de 10, 25, 35, 45, 60, 80, 90 y 100 min.
En la Figura 3.6 se observan los resultados obtenidos a los diferentes valores de
pH. El máximo rendimiento al trabajar en un medio a pH de 1,5 corresponde a
14,76 %, el cual es superior al alcanzado a pH 3,0 de 6,89 %, lo que evidencia el
incremento del rendimiento al reducirse el valor del potencial de hidrógeno, es
decir, al incrementar la cantidad de ácido en el medio de extracción.
Figura 3. 6. Generación de pectina (pH 1,5 y 3,0), en el tratamiento preliminar de
extracción
0,0000
2,0000
4,0000
6,0000
8,0000
10,0000
12,0000
14,0000
16,0000
0 20 40 60 80 100 120
Pecti
na
(g
pe
cti
na
/100 g
de
co
rte
za
seca)
Tiempo de reacción (min)
1,5 3,0
Frontera de
extracción
56
Dicho efecto es consecuencia de la capacidad de los ácidos de penetrar en los
sólidos; por tal razón a mayor cantidad de ácido, la penetración ocurre fácilmente,
generando mayor contacto con las sustancias pécticas en el interior de la
estructura celular y convirtiendo la pectina insoluble en soluble (Seggiani, Puccini,
Pierini, Giovando y Forneris, 2009, p. 577).
Además, la Figura 3.6 describe una tendencia a incrementar el rendimiento de
pectina conforme el tiempo del tratamiento al que es sometida la corteza es
mayor, alcanzando un límite de tiempo en el que el porcentaje es el máximo y
después disminuye; con ello se determina la frontera entre dos fases de
extracción:
1. Solubilización de la protopectina
2. Descomposición de la pectina soluble
Para la curva generada a pH 1,5 el mayor rendimiento se presenta a los 80 min
con un valor de 14,76 %, de allí este se reduce hasta 11,76 % a los 100 min , ya
que la pectina contenida en los tejidos de la corteza se acaba y toma lugar la
formación de productos de degradación del producto de interés.
Considerando los resultados antes mencionados, se seleccionaron como
condiciones de trabajo el pH de 1,5 y el tiempo de tratamiento máximo de 80 min.
Otro parámetro importante lo constituye la relación de corteza fresca y medio
acidulante, por lo que se experimentó con una relación mayor 1/6, cuyos
resultados no concordaron con lo reportado bibliográficamente; ya que al
adicionar etanol en el extracto, la precipitación fue baja y dispersa, como se
observa en la Figura 3.7. El resultado negativo se puede atribuir a la gran
cantidad de agua que tuvo la pectina para solubilizarse debido a su carácter
hidrofílico, impidiendo la acción absorbente y deshidratante del etanol; que por
ende reprime la generación del coágulo.
57
Figura 3. 7. Prueba de precipitación de pectina, (izquierda) relación 1/3, (derecha) relación
(1/6) en el tratamiento preliminar de extracción
En base a dicho resultado se descartó la relación 1/6 y se mantuvo la relación 1/3
con la que se obtuvo mayor rendimiento; con ello se definieron las mejores
condiciones de extracción, las cuales se resumen en la Tabla 3.4.
Tabla 3. 4. Condiciones de extracción definidas en el tratamiento previo para el limón
Tahití
Temperatura
(°C)
pH Tiempo
máximo (min)
Relación corteza-
medio (g/mL)
75 ± 2 1,5 80 1/3
3.2.3. RESULTADOS DEL PROCESO DE LA EXTRACCIÓN DE PECTINA DEL
LIMÓN DE LA VARIEDAD TAHITÍ (Citrus latifolia Tan.)
En la Figura 3.8 se esquematiza el proceso al que fueron sometidos los limones
de la variedad Tahití para la extracción de la pectina. El proceso engloba las
operaciones unitarias de: selección y lavado I, desprendimiento de la corteza,
escaldado de la corteza, lavado II, extracción, filtración I, enfriamiento,
separación, filtración II, secado, molienda y almacenamiento; de acuerdo a la
metodología descrita en la sección 2.2.3.
58
Figura 3. 8. Esquema de la secuencia de operaciones unitarias para la obtención de pectina del limón Tahití o Persa a escala de laboratorio
Selección Lavado IDescortezamiento
10 a 15 mm
Escaldado
Tebullición
10 min
Limones
Tahití Lavado II
Limones
de desechoPulpa
y semillas
Agua
(10 ml/ 5 g corteza)
ExtracciónT: 75 °C , pH: 1,5
c/m: 1/3
Filtración IDesechos
de corteza
Enfriamiento
25 ° C CoagulaciónFiltración II
Secado
T= 50 ° C
Etanol (6 ml/ 10 ml extracto)
Agua
HCl 37%
Corteza
AlmacenamientoMolienda
250 umPectina
Impurezas
Agua
(10 ml/ 5 g corteza)
Agua y etanol
Agua
Corteza y extracto
Extracto
Hielo en escarcha
Corteza Agua residual con
sólidos solubes
59
En referencia al proceso de Lavado II y mediante el análisis del registro de los
grados Brix expuestos en la Tabla 3.5, se confirma que al efectuar una sola vez el
lavado de la corteza, la lectura de los sólidos solubles se reduce notablemente.
Con ello se asegura la exclusión de los azúcares naturales presentes en ella, que
puedan obstruir la extracción de la pectina al presentar una estructura polimérica
similar.
Tabla 3. 5. Grados Brix reportados durante el proceso de Lavado II
Parámetro Grados Brix
(°Bx)
Agua residual del escaldado 2,3 ± 0,5
Agua residual del lavado (1) 0,0
En la Figura 3.9 se aprecia el rendimiento promedio máximo de pectina extraída
de la especie Citrus latifolia Tan., cuyo valor en base seca y húmeda es de 14,49
± 0,43 % y 2,90 ± 0,09 % respectivamente, siendo la humedad de la corteza de 80
%. El rendimiento en base húmeda concuerda con el expresado en la Tabla 1.7
para la corteza de limón del 3 %.
Figura 3. 9. Valor medio y rango de desviación del rendimiento en base seca de pectina
del Limón Persa o Tahití, de acuerdo a las seis repeticiones
12,5
13
13,5
14
14,5
15
15,5
0 1 2 3 4 5 6 7
Porc
enta
je d
e e
xtr
acció
n
(kg p
ectina/k
g c
ort
eza s
eca)
Número de repeticiones
Porcentaje Media LSDesviación LIDesviación
60
En la Tabla 3.6 se resumen los porcentajes generados por otras especies de
limón mediante recopilación bibliográfica.
Tabla 3. 6. Rendimiento en base seca y húmeda de pectina de diferentes limoneros
Especie de Citrus Condiciones de
extracción
Rendimiento %
(g de pectina/g de
corteza seca)
Rendimiento %
(g de pectina/g de
corteza húmeda)
Limón Tahití Citrus
latifolia Tan (albedo y
flavedo)
HCl 37%; pH 1,5; 75 ±
2 °C ; 1/3; 80 min
14,49 ± 0,43 2,90 ± 0,09
Limón Sutil Citrus x
Aurantifolia Swingle
(albedo y septos)
HCl 6N; pH 2,2; 95 °C ;
1/4; 40 min
- 2,30
Limón injertado Citrus
genuina (albedo)
HCl; pH 2,5;
Tebullición; 25 g
(cs)/3L; 90 min
20,54 -
Limón Eureka Citrus
Limon (albedo)
HCl; pH 2,2-2,3; 95-100
°C; 30 min
- 2,53
La optimización de la hidrólisis de la protopectina depende sustancialmente del
tipo de materia prima, variedad y estado de maduración. Al no existir estudios
específicos sobre dicha especie, se relacionó su rendimiento con frutos de varios
limoneros, distinguiéndose un pequeño incremento respecto al Limón Sutil de
características de madurez aproximadas (pHzumo= 2,44).
En comparación con el Limón Eureka de tamaño, apariencia y madurez similar
(pHzumo= 2,25), el rendimiento también es mayor lo que ratifica la adecuada
selección de las condiciones extracción y su eficiencia.
Sin embargo con los resultados bibliográficos para los limones injertados Citrus
genuina el rendimiento del limón estudio es menor, debido a la diferencias en su
grado de madurez. Los limones injertados presentan un grado de madurez de 1,5
menor al determinado en el limón de estudio; lo que ratifica que mientras el fruto
madura el contenido de pectina disminuye.
(Grunauer, 2009, p. 40)
61
Al comparar las condiciones del tratamiento aplicado, existe una diferencia
notable en la temperatura y tiempo de extracción respecto al limón Sutil y Eureka.
Las temperaturas elevadas (Tebullición) alteran la coloración del producto, es por
ello que se optó por reducir la temperatura obteniéndose mejores resultados en
rendimiento y apariencia, como se verificó con los resultados de la Tabla 3.3.
En la Tabla 3.7 se presentan los rendimientos de pectina de especies como:
naranja valencia, cocona, maracuyá, manzana e inflorescencias de girasol.
Tabla 3. 7. Rendimiento en base seca y húmeda de pectina de diferentes especies
(Muñoz, 2010, p. 50; Cuesta y Muñoz, 2010, p. 95)
Al compararlo con otras materias primas se concluye que el limón Persa contiene
un porcentaje medio de pectina respecto a la naranja, cocona, maracuyá,
manzana y girasol; como se observa en la Tabla 3.7. Su contenido sobrepasa
ligeramente al presente en la cocona, maracuyá y cabezas del girasol; pero es
menor al que se obtiene de la manzana y la naranja. Con ello se establece que
las modas del limón Persa son buenas reservas de pectina.
Fruto Condiciones de extracción Rendimiento %
(g de pectina/g de
corteza seca)
Rendimiento %
(g de pectina/g de
corteza húmeda)
Limón Tahití Citrus latifolia
Tan (albedo y flavedo)
HCl 37%; pH 1,5; 75 ± 2
°C ; 1/3; 80 min
14,49 ± 0,43 2,90 ± 0,09
Naranja valencia Citrus
sinensis
HCl 37%; pH 2,0;
Tebullición ; 3/10; 40 min
-
6,50
Cocona (Colanum
sessiliflorum)
HCl; pH 1,7; 93 ± 2 °C;
1/3; 75 min
9,33 -
Maracuyá (Passiflora edulis
var. flavicarpa degener)
HCl; pH 2,0; Tebullición ;
1(cs)/25; 60 min
10,00 -
Manzana Pachacamac HCl; pH 1,6; 1(cs)/16; 95
°C ; 75 min
27,80 -
Inflorescencias del girasol
(Helianthus anntttts L)
SHMP y HCl; pH 5,0;
1(cs)/20; 65 °C ; 20 min
10,67 - 11,53 -
62
3.2.4. RESULTADOS DE LA DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS
CINÉTICOS DE LA OBTENCIÓN DE LA PECTINA
El proceso de extracción de pectina involucra dos periodos que ocurren
secuencialmente, como se observa en la Figura 3.6. El análisis cinético se centró
en la primera fase: Conversión de la Protopectina a Pectina, la cual es catalizada
por el ácido clorhídrico presente en el medio de extracción, como se resume en la
ecuación [3.1].
𝑃𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑘→
𝐻𝐶𝑙 𝑃𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 [3.1]
Donde:
k: constante de la velocidad de la reacción.
De acuerdo a la metodología descrita en la Figura 3.8 se obtuvo el peso de
pectina en los ciclos de 10, 25, 35, 45, 60 y 80 min. En la Tabla 3.8 se presenta el
contenido de pectina por 100 g de corteza seca o 500 g de corteza húmeda, en
cada una de las repeticiones.
Tabla 3. 8. Resultados de la cuantificación de pectina a diferentes tiempos de extracción
(pH 1,5; relación 1/3)
R:Repetición
Tiempo
(min)
Pectina (g)
R1 R2 R3 R4 R5 R6
10 4,3253 4,7610 4,2958 4,4986 3,7938 2,9972
25 6,9524 7,7245 7,1633 7,0839 6,2462 5,6049
35 10,0617 10,1521 8,8134 8,5724 9,3112 8,1935
45 11,9266 11,2654 11,1605 11,0653 11,0784 10,1736
60 13,0119 12,7152 13,5743 12,3448 13,1355 12,1282
80 14,7590 14,4995 15,0241 14,6815 14,2779 13,6753
63
Con los datos experimentales de la Tabla 3.8 se elaboraron las trayectorias de la
evolución de la extracción hasta los 80 min, los cuales se representan en las
Figuras 3.10 y 3.11.
Figura 3. 10. Representación de la masa de pectina en función del tiempo de tratamiento,
repetición 1, 2 y 3
Figura 3. 11. Representación de la masa de pectina en función del tiempo de tratamiento,
repetición 4, 5 y 6
0,0000
2,0000
4,0000
6,0000
8,0000
10,0000
12,0000
14,0000
16,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Pecti
na (
g)
Tiempo de reacción (min)
R1 R2 R3
0,0000
2,0000
4,0000
6,0000
8,0000
10,0000
12,0000
14,0000
16,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Pecti
na (
g)
Tiempo de reacción (min)
R4 R5 R6
64
En las seis repeticiones se confirma un patrón de ascenso a medida que el tiempo
de extracción incrementa, siendo los datos de 60 y 80 min los de menor aumento
a causa del agotamiento del catalizador y del contenido en sí de la protopectina
en la matriz de las paredes celulares.
Además se aprecia una leve disminución del rendimiento en las dos últimas
repeticiones (R5 y R6); dicho comportamiento se justifica en que durante el
almacenamiento del fruto hasta su experimentación, este pudo sufrir la liberación
de la protopectina por efecto de enzimas; a pesar de estar en condiciones
adecuadas de refrigeración. Es por ello que al momento de la extracción con
ácido los resultados son ligeramente menores.
Los parámetros cinéticos: el orden y la velocidad de reacción se determinaron en
términos de la protopectina contenida en la corteza. Los datos de rendimiento se
modelaron según las linealizaciones correspondientes para una reacción de
Primer y Segundo Orden, cuyas expresiones se detallan en la Tabla 3.9.
Tabla 3. 9. Expresiones de la velocidad de reacción
[P]: Concentración de protopectina, g/mL
mP: Masa de protopectina, g
θ: Tiempo, min
De acuerdo a los factores de correlación que arrojó el tratamiento de los datos, se
determinó su correspondencia con una reacción de primer orden pues su valor se
aproxima de mejor forma a 1, a diferencia de aquellos valores generados por la
linealización de segundo orden; como se distingue en la Tabla 3.10. En las
Figuras 3.12 y 3.13 se observa la aplicación del método integral y en el Anexo VII
se detalla el procedimiento seguido para todas las repeticiones.
Reacción Velocidad de reacción Ecuación de Linealización
Primer Orden 𝑣 =
𝑑[𝑃]
𝑑𝜃
𝑣 = 𝑘 [𝑃]
ln[𝑃] = ln[𝑃]𝑜 + 𝑘𝜃
ln 𝑚𝑃 = ln 𝑚𝑜 + 𝑘𝜃
Segundo Orden 𝑣 = 𝑘 [𝑃]2 1
[𝑃] =
1
[𝑃]𝑜− 𝑘𝜃
65
Figura 3. 12. Método integral de linealización de los datos de extracción R2, reacción de
primer orden
Figura 3. 13. Método integral de linealización de los datos de extracción R2, reacción de
segundo orden
y = 18,404x - 312,17R² = 0,9031
0,0000
200,0000
400,0000
600,0000
800,0000
1000,0000
1200,0000
1400,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1/
[P]
(mL
/g)
Tiempo (min)
Repetición 2
y = -0,0289x + 2,8555R² = 0,9882
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
ln (
mP)
Tiempo (min)
Repetición 2
66
Tabla 3. 10. Factor de correlación según el orden de reacción
Dicho resultado define a la reacción de Conversión de la Protopectina a Pectina
como una reacción de orden 1, lo cual es sustentado por el trabajo investigativo
de Khalikov, Mukhiddinov, Asoev y Degtyarev (1994), que concuerdan en lo
mencionado (Khalikov et al., 1994, p. 734)
Sin embargo, su índice de linealización difiere de una correlación perfecta en
pequeña proporción, cuya causa puede atribuirse a la complejidad del
procedimiento para la cuantificación gravimétrica de pectina; ya que, las
operaciones unitarias que prosiguen a la extracción pueden ser susceptibles a
pequeños errores experimentales; a pesar de ello la correspondencia con una
reacción de primer orden es notoria.
Una vez definido el orden se determinó la constante de la reacción, cuyo valor
corresponde a la pendiente de las ecuaciones de linealización, las cuales se
detallan en la Tabla 3.11.
El valor promedio de la constante de velocidad es de 0,0286 min-1 con una
desviación estándar de 0,0082 lo que indica una repetitividad en los datos.
Número de
repetición
Correlación
Reacción Primer Orden
Correlación
Reacción Segundo Orden
1 0,8255 0.7411
2 0,9882 0,9031
3 0,9937 0,9371
4 0,9746 0,8693
5 0,9957 0,9646
6 0,9996 0,9287
67
Tabla 3. 11. Ecuaciones de linealización como Reacción de Primer orden
El valor de la constante de velocidad guarda relación con el reportado, para las
influorescencias del girasol de 0,000283 s-1. En cambio al compararla con el de la
manzana su valor es menor, pues es de 0,00098 y 0,00097 s-1 como lo
determinaron Minkov, Minchev y Paev (Minkov, Minchev y Paev, 1996, p. 107).
Este comportamiento se justifica en el orden, pues al ser de 1 su velocidad de
reacción depende directamente de la concentración del reactivo (protopectina en
la corteza del fruto). Es por ello de la similitud con el girasol, ya que su contenido
de pectina es cercano, como se distingue en la Tabla 3.7; lo que difiere de las
manzanas, ya que estas contienen mayor cantidad.
3.3. RESULTADOS DE LA DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA
DE SECADO DE LA PECTINA GEL
3.3.1. RESULTADOS DE LA OBTENCIÓN DEL LA MEJORES CONDICIONES
DEL PROCESO DE DESHIDRATACIÓN DE LA PECTINA
Número de
repetición
Linealización Reacción
Primer orden
Velocidad
de reacción
(min-1)
Velocidad
de reacción
(s-1)
1 y = 0,0122 x + 1,7969 0,0122 0,00020
2 y = 0,0289 x + 2,8555 0,0289 0,00048
3 y = 0,0329 x + 3,1461 0,0329 0,00055
4 y = 0,0312x + 3,0861 0,0312 0,00052
5 y = 0,0329 x + 3,0480 0,0329 0,00055
6 y = 0,0335 x + 3,1138 0,0335 0,00056
Velocidad de reacción promedio 0,0286 ± 0,0082 0,00048 ±
0,00014
68
Después del proceso de coagulación de la pectina, esta requiere ser sometida a
un proceso de deshidratación como se distingue en la Figura 3.8, pues se
comercializa sólido; por dicha razón fue precisa la determinación de las mejores
condiciones de secado.
La deshidratación se realizó en el secador de bandejas del Laboratorio de
Operaciones Unitarias y se trabajó a velocidades de aire de 1,4 m/s y 1,8 m/s;
valores dentro del rango de funcionamiento del equipo en mención.
La pectina es un producto termolábil, a temperaturas elevadas sufre daños en su
estructura, que al recibir calor disminuye su propiedad de gelificación (Grunauer,
2009, p. 63), por lo que se definieron los 50,0 °C como la temperatura del
tratamiento de secado.
Las condiciones a las que se experimentó dicho proceso se resumen en la Tabla
3.12.
Tabla 3. 12. Condiciones de deshidratación de la pectina gel
Los resultados de humedad en base seca de la pectina coloidal respecto al
tiempo a las diferentes condiciones se presentan en la Figura 3.14.
Al comparar el comportamiento de la deshidratación a una velocidad de aire de
entre 1,4 m/s y a 1,8 m/s, se distingue una reducción en la pendiente del perfil
generado a menor velocidad, con valores de 3,6081 y 4,3471 (kg de agua/kg de
pectina seca x h) respectivamente, correspondientes a la primera fase donde el
líquido libre se elimina y se produce una reducción considerable de la humedad
del gel, como se distingue en la Figura 3.15.
Condiciones Temperatura (°C) Velocidad de aire (m/s)
1 50,0 1,4
2 50,0 1,8
69
Figura 3. 14. Perfil de deshidratación de pectina a 50,0 °C, para las condiciones de
velocidad de aire de 1,4 y 1,8 m/s
Figura 3. 15. Perfil de deshidratación del periodo de velocidad constante, para las
condiciones de velocidad de aire de 1,4 y 1,8 m/s
0,0000
5,0000
10,0000
15,0000
20,0000
25,0000
30,0000
35,0000
0,0000 2,0000 4,0000 6,0000 8,0000 10,0000 12,0000 14,0000 16,0000
Hu
med
ad
(kg
de a
gu
a/k
g d
e p
ecti
na
seca)
Tiempo (h)
v= 1,4 m/s v=1,8 m/s
y = -3,6081x + 31,507R² = 0,9998
y = -4,3471x + 30,923R² = 0,9997
0,0000
5,0000
10,0000
15,0000
20,0000
25,0000
30,0000
35,0000
0,0000 1,0000 2,0000 3,0000 4,0000 5,0000
Hu
me
da
d
(kg
de
ag
ua/k
g d
e p
ecti
na
seca)
Tiempo (h)
v=1,4 m/s v= 1,8 m/s
13,5356
17,0746
70
En la Figura 3.14 y 3.15 se evidencia que un aumento en el flujo de aire durante el
proceso de eliminación del agua y del etanol contenido en la pectina coloidal, va
directamente relacionado con un crecimiento de la velocidad de deshidratación; y
con de ello la disminución del tiempo requerido para tal proceso, es por ello que
para un mismo tiempo de 4 h el valor de la humedad alcanzado difiere de
17,0746 y 13,5346 (kg de agua/kg de pectina seca x h), para los tratamientos de
1,4 m/s y 1,8 m/s respectivamente.
Al analizar el perfil a las condiciones de 50,0 °C y 1,4 m/s se observa que la
pectina en estado sólido alcanza el equilibrio aproximadamente a las 13,50 h que
corresponden a 830 min; mientras que para la curva generada a 50,0 °C y 1,8 m/s
el tiempo en alcanzar un peso constante es de 11,83 h que equivale a 743 min.
La diferencia de tiempo es alrededor 1,67 h que corresponde a 127 min. Un
menor tiempo de secado involucra considerablemente una reducción de costos de
operación, por tal razón este factor constituye un aspecto importante en la
selección de las mejores condiciones; sin embargo es necesario evaluar si se
produjo alteración alguna sobre una propiedad de calidad.
Para ello se analizó la característica estructural del producto como lo es el
porcentaje de metóxilos, cuyo parámetro es directamente proporcional a la
capacidad de gelificar, como lo fundamenta en la sección 1.2.4.1.Los resultados
del porcentaje de metóxilos se presentan en la Tabla 3.13.
Tabla 3. 13. Contenido de metóxilos a las condiciones de 1,4 y 1,8 m/s de aire
En base a los datos experimentales reportados en la Tabla 3.12 se determina la
influencia de la velocidad de deshidratación sobre el porcentaje de metóxilo. La
Condiciones de deshidratación Contenido de metóxilos
(%) Temperatura (°C) Velocidad de aire (m/s)
50,0 1,4 1,6946
50,0 1,8 3,8722
71
pectina deshidratada a una velocidad menor 1,4 m/s reporta una disminución en
dicha propiedad respecto a la obtenida a 1,8 m/s; cuyo resultado puede atribuirse
a la prolongación del tiempo al que es sometida la pectina coloidal a las
condiciones de secado hasta reducir su humedad, lo que afecta negativamente en
los ésteres de su cadena por la acidez del coloide.
Considerando los resultados de las Figura 3.14 y 3.15; y de la Tabla 3.13 se
definieron como condiciones óptimas de deshidratación para la pectina obtenida
del limón Tahití un flujo de aire de 1,8 m/s y una temperatura de 50,0 °C.
3.3.2. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DEL PERFIL DE DESHIDRATACIÓN,
MODELIZACIÓN Y CINÉTICA
El análisis cinético de la deshidratación de la pectina en estado coloidal hasta
obtenerla sólida se realizó sobre el perfil generado a las mejores condiciones:
50,0 °C y 1,8 m/s; en el cual se determinó el tiempo y la velocidad de secado.
El secado se llevó a cabo en una bandeja de dimensiones 0,19 x 0,24 m, cuya
superficie expuesta fue la cara superior, con un espesor de material de
aproximadamente 1,2 cm. Los resultados periódicos de peso de pectina respecto
al tiempo registrados durante el ensayo, con sus respectivos valores de humedad
en base seca y húmeda calculados se presentan en la Tabla 3.14.
Tabla 3. 14. Datos de humedad de pectina a diferentes intervalos de tiempo, durante el
proceso de deshidratación a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire
Tiempo
(min)
Tiempo (h) Peso de pectina
(kg)
Humedad en base
seca (kg de agua/kg
de pectina seca)
Humedad en
base húmeda
(%)
0 0,0000 0,4520 30,8086 96,8562
73 1,2167 0,3810 25,8121 96,2703
119 1,9833 0,3310 22,2935 92,7069
178 2,9637 0,2700 18,0007 94,7370
72
Tabla 3.14. Datos de humedad de pectina a diferentes intervalos de tiempo, durante el
proceso de deshidratación a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire (continuación ….)
Una vez definidos los valores de humedad en cada intervalo se graficaron las
curvas de deshidratación de la pectina, las cuales se presentan en las Figuras
3.16 y 3.17.
Las trayectorias generadas presentan la forma típica de deshidratación de sólidos,
la Figura 3.16 muestra el comportamiento de la humedad en base húmeda
expresada como porcentaje, donde se distingue una humedad inicial elevada de
96,86 %, debido a su estado coloidal por los residuos de la precipitación previa
(retención de agua y etanol); la cual disminuye a medida que el tiempo al que es
expuesto el coágulo en el secado se incrementa. El descenso del porcentaje de
humedad se da de forma parabólica, alcanzando una humedad de equilibrio de
5,2667 %, con un peso de pectina extraída de 15,0241 g.
Tiempo
(min)
Tiempo (h) Peso de pectina
(kg)
Humedad en base
seca (Kg de agua/kg
de pectina seca)
Humedad en
base húmeda
(%)
243 4,0500 0,2030 13,2857 93,00
312 5,2000 0,1420 8,9930 89,99
359 5,9833 0,1080 6,6003 86,84
418 6,9667 0,0760 4,3483 81,30
443 7,3833 0,0640 3,5039 77,80
464 7,7333 0,0560 2,9409 74,53
493 8,2167 0,0460 2,2372 69,11
523 8,7167 0,0380 1,6742 52,61
553 9,2167 0,0310 1,1816 54,16
583 9,7167 0,0250 0,7593 43,16
613 10,2167 0,0200 0,4075 28,95
643 10,7167 0,0160 0,1260 11,19
710 11,8333 0,0150 0,0556 5,27
770 12,8233 0,0150 0,0556 5,27
788 13,1333 0,0150 0,0556 5,27
73
Figura 3. 16. Perfil de deshidratación de pectina, generado por los datos en base húmeda
La Figura 3.17 muestra el perfil de deshidratación obtenido al representar los
datos de la humedad en base seca contra el tiempo de secado de la pectina, los
cuales se tabularon en la Tabla 3.14. En la Figura 3.17 se distinguen dos etapas,
considerando como límite de división la humedad crítica.
La etapa antecrítica involucra los primeros cinco datos de humedad
correspondientes a los 262 min o 4,36 h, donde el agua contenida en el coloide se
elimina a la temperatura de bulbo húmedo del aire de 24,4 ̊C (dato medido
experimentalmente). Dicho periodo involucra la mayor reducción de la humedad
correspondiente a 18,9355 kg de agua/kg de pectina seca.
Esta etapa presenta un comportamiento lineal debido a la evaporación del líquido
superficial y libre de la pectina (velocidad constante); a lo que le prosigue un
cambio de direccionamiento, donde el punto flexión corresponde a la humedad
crítica, como se esquematiza en la Figura 3.17.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
0,0000 2,0000 4,0000 6,0000 8,0000 10,0000 12,0000 14,0000
Hu
me
dad
(%
)
Tiempo (h)
74
Figura 3. 17. Etapas de la deshidratación de la pectina del limón Tahití a 50,0 °C y 1,8 m/s
de aire
Donde:
Xc: Humedad de pectina (kg de agua/kg de pectina seca)
𝜃c: Tiempo en el que se alcanza la humedad crítica (h)
El comportamiento de la etapa antecrítica puede expresarse mediante la siguiente
correlación lineal, donde el R2 es 0,9997 valor cercano a 1, lo que indica su
adecuado ajuste de linealización. La ecuación [3.2] que describe dicho
comportamiento es:
X = −4,3471 θ + 30,923 [3.2]
Donde:
X: Humedad de la pectina (kg de agua/kg de pectina seca)
𝜃: Tiempo de secado (h)
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
Hu
med
ad
(kg
ag
ua/
kg
pecti
na s
eca)
Tiempo (h)
Humedad Crítica
Etapa Antecrítica
Etapa Postcrítica
Xc
𝜃c
75
La etapa posterior a las 4,36 h concierne la etapa postcrítica que representa una
curva polinómica hasta alcanzar el equilibrio. Para este periodo en la superficie
del gel ya se formó una costra, convirtiéndose esta en una barrera que tornó difícil
la eliminación del agua; ocasionando la disminución de la velocidad de secado.
La ecuación [3.3] expresa el comportamiento en la sección después del punto
crítico:
X = 0,2264 θ2 − 5,2364 θ + 30,069 [3.3]
Dichas linealizaciones permiten modelar las etapas de deshidratación de la
pectina, como se observa en la Figura 3.18.
Figura 3. 18. Modelización de las etapas de la deshidratación de la pectina del limón
Tahití a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire
El tiempo en el que ocurre la eliminación del agua de manera uniforme de 4,36 h
es menor al tiempo en que la rapidez decrece de 7,19 h; esto se origina por los
parámetros de control siendo inicialmente la rapidez de evaporación del agua y
después la rapidez de difusión internamente en la pectina.
y = -4,3471x + 30,923R² = 0,9997
y = 0,2264x2 - 5,2364x + 30,069R² = 0,9966
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
Hu
med
ad
(kg
ag
ua/
kg
pecti
na s
eca)
Tiempo (h)
76
Con el fin de divisar de mejor forma la variación de la velocidad de secado, se
determinaron sus valores como una relación diferencial entre la humedad y el
tiempo; la cual expresa analíticamente las pendientes de la curva generada en la
Figura 3.17, como se distingue en la ecuación [3.4].
𝑊 =𝑆
𝐴 ∆𝑋
∆𝜃 [3.4]
Donde:
S: Peso de pectina seca, (kg)
A: Área expuesta al secado, (m2)
∆X: Variación de humedad en base seca, (kg de agua/kg de pectina seca)
∆𝜃: Variación de tiempo, (h)
Para ello se consideró el área de la superficie superior de la bandeja con pectina
que corresponde a 0,0456 m2. En la Tabla 3.15 se exponen los valores de la
rapidez de deshidratación de la pectina respecto a la humedad media.
Tabla 3. 15. Datos de la rapidez de deshidratación respecto al tiempo, durante el proceso
de deshidratación a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire
Tiempo (h)
X media (kg
de agua/kg de
pectina seca)
(∆x/∆𝜃)
W ( kg de
agua/m2h)
1,2167 28,3103 4,1067 1,2797
1,9833 24,0528 4,5895 1,4302
2,9637 20,1471 4,3655 1,3604
4,0500 15,6432 4,3523 1,3563
5,2000 11,1393 3,7328 1,1632
5,9833 7,7966 3,0545 0,9518
6,9667 5,4743 2,2901 0,7136
7,3833 3,9261 2,0267 0,6316
7,7333 3,2224 1,6085 0,5013
8,2167 2,5890 1,4560 0,4537
77
Tabla 3.15 Datos de la rapidez de deshidratación respecto al tiempo, durante el proceso de
deshidratación a 50,0 °C y 1,8 m/s de aire (continuación ….)
Los datos de Xmedia y W de la Tabla 3.15 se representaron en la Figura 3.19,
para definir el comportamiento de la velocidad de deshidratación de la pectina, en
la cual se visualiza un tramo recto que indica una velocidad constante durante los
primeros cuatro valores de la humedad media, con un rango estrecho de 1,2797 a
1,3563 kg de agua/ m2h; corroborando el comportamiento lineal de la Figura 3.17.
Figura 3. 19. Velocidad de deshidratación de la pectina del limón Tahití a 50,0 °C y 1,8
m/s
Tiempo (h) X media (kg
de agua/kg de
pectina seca)
(∆x/∆𝜃) W ( kg de
agua/m2h)
8,7167 1,9557 1,1260 0,3509
9,2167 1,4279 0,9852 0,3070
9,7167 0,9704 0,8445 0,2632
10,2167 0,5834 0,7037 0,2193
10,7167 0,2667 0,5630 0,1754
11,8333 0,0908 0,5630 0,0196
12,8233 0,0556 0,0000 0,0000
13,1333 0,0556 0,0000 0,0000
y = 0,0009x + 1,342R² = 1
y = 0,1041x + 0,1167R² = 0,9502
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
1,4000
1,6000
0,0000 5,0000 10,0000 15,0000 20,0000 25,0000 30,0000 35,0000
W(k
g/m
^2h
)
Xmedia (kg de agua/ kg de pectina seca)
Punto críticoVelocidad constante
Velocidad decreciente
78
De igual manera, en la Figura 3.19 la expresión de la variación de la velocidad
puede ser expresada mediante ajustes lineales, para lo cual se definieron las
ecuaciones de las rectas generadas en las dos etapas definidas en la Figura 3.17.
Etapa antecrítica: 𝑊 = 0,001 𝑋 + 1,342 [3.5]
Etapa postcrítica: 𝑊 = 0,1041 𝑋 + 0,1167 [3.6]
Mediante la intersección de las rectas se determinaron las coordenadas de (Xc;
Wa) Anexo VIII, las cuales corresponden a una humedad crítica de 11,8731 kg de
agua/ kg de pectina seca y un velocidad en la etapa antecrítica de 1,3527 kg de
agua/m2 h.
El tiempo de secado depende de la variación de la humedad con la velocidad y al
considerar las ecuaciones [3.5] y [3.6], se determinó que se requirió de 11,83 h
para alcanzar una humedad 0,0556 kg agua/ kg de pectina seca como humedad
de equilibrio.
En la Tabla 3.16 se resumen los parámetros cinéticos obtenidos del análisis de la
deshidratación de la pectina del limón Tahití a las condiciones de 50,0 °C y 1,8
m/s de flujo de aire.
Tabla 3. 16. Parámetros del proceso de deshidratación de la pectina a 50,0 °C y 1,8 m/s de
aire
Parámetros Valor
Tiempo de secado hasta el
equilibrio (h)
11,83
Humedad de equilibrio
(kg de agua/kg de pectina seca )
0,0556
Humedad crítica
(kg de agua/kg de pectina seca )
11,8731
Tiempo crítico (h) 4,36
Velocidad de secado constante
(kg de agua/m2h)
1,3527
79
3.4. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE LA PECTINA
OBTENIDA DE LA CORTEZA DEL LIMÓN
En la Figura 3.20 se muestra una imagen del producto obtenido bajo la
experimentación de las mejores condiciones descritas en la Tabla 3.4. El producto
presenta un aspecto de polvo fino con un tamaño de partícula de 250 um malla
#60, su color es amarillo claro con ligera tonalidad blanca de modo que cumple
con lo señalado por la FAO en la norma INS 40: Pectinas (FAO, 2009, p. 1). La
tonalidad clara que posee la pectina del limón Tahití es preferida por su mínimo
efecto sobre el aspecto final del alimento al que se le añade.
Figura 3. 20. Aspecto físico del producto del limón de la variedad Tahití
La evaluación de características del producto se definieron mediante las normas
AOAC y bajo el método especifico de la determinación de las propiedades
estructurales como lo es la valoración ácido-base de Owens señalado en los
Anexos IX y X.
Sus resultados promedios y su desviación estándar se presentan en la Tabla 3.17
y Figura 3.21, sus cálculos se encuentran desarrollados en el Anexo XI.
80
Tabla 3. 17. Características del producto final del limón Tahití (Citrus latifolia Tan.)
La norma INS 40 manifiesta que la humedad que deben presentar las pectinas
debe ser menor a 12%, con lo cual concuerda el producto obtenido ya que su
valor es menor 5,86 ± 0,44. En relación con el valor reportado por productos de
otras fuentes también es menor, es así de la diferencia con respecto al obtenido
del limón Eureka de 11,12 % y de la cocona de 10,92% (Muñoz, 2010, p. 50). El
valor bajo de dicho parámetro evita que la pectina se convierta en un medio de
proliferación de microorganismos, pues la carencia de agua inhibe su desarrollo;
asegurando su inocuidad alimenticia. A la vez que una humedad baja facilita la
trituración del producto después del proceso de deshidratación.
El segundo parámetro, cenizas, sobrepasa ligeramente el mencionado por la
norma ˂ 1 %, atribuido probablemente al método de precipitación en alcohol que
no actuó de forma completamente eficaz debido a la mala solubilidad de cenizas o
sustancias inorgánicas que fueron captadas en el coágulo, dando lugar a un valor
superior de 1,21% ± 0,15. En comparación con otras fuentes presenta similitud en
su exceso, de acuerdo a la pectina del maracuyá que manifiesta un 1,4 % (Cuesta
y Muñoz, 2010, p. 95; Kumar, Nayagi, Punichelvana y Afandi, 2013, p. 8).
En la Tabla 3.16 se observa un valor elevado de los gramos-equivalentes de
2.456,4505 ± 339,4869 respecto al producto reportado de la cocona y los limones
Eureka, siendo estos de 1 643,17 g/eq y 1 130 g/eq respectivamente; sin embargo
respecto la pectina del maracuyá como materia prima, su valor es cercano de
2.370 g/eq (Cuesta y Muñoz, 2010, p. 95; Muñoz, 2010, p. 50). Dicho parámetro
indica una elevada concentración de fragmentos piranosos de ácido galacturónico
en la estructura de la pectina extraída.
Parámetros Valor
Humedad (%) 5,86 ± 0,44
Cenizas insolubles en ácido (%) 1,21 ± 0,15
Peso Equivalente (g/ eq) 2 456,4505 ± 339,4869
81
Figura 3. 21. Valores medios de las propiedades estructurales de la pectina del limón
Tahití (Citrus latifolia Tan.)
La agrupación de los esteres metílicos presentes en el homogalacturonano de la
pectina del limón Tahití alcanza un porcentaje de 3,55 ± 0,83 %, mientras que la
presencia de los elementos individuales de ácido galacturónico corresponden a
27,49 ± 5,45 %, y mediante su relación, el grado de esterificación promedio es de
72,85 ± 3,20 %.
Según dichos parámetros el producto extraído del limón Tahití se categoriza como
de elevado ET, ya que su proporción sobrepasa al 50 % como se fundamenta en
la sección 1.2.3.3.; de esta manera se le atribuye un tiempo corto para la
formación de geles de entre 20 a 70 s, definidos en la Tabla 1.8 (Edwards, 2007,
p. 126; Imeson, 2010, p. 250). Además se corrobora lo mencionado por Sánchez
et al. (2011), que indica que la extracción en medios ácidos genera pectinas con
alto ET (p. 79).
Respecto a la pectina del limón Eureka y del maracuyá su ET es menor; ya que,
estas presentan un porcentaje de 76,50 % y 90,90 % respectivamente; mientras
que en relación a la cocona su valor es mayor, ya que esta reporta un valor de
65,98 %. (Muñoz, 2010, p. 50; Cuesta y Muñoz, 2010, p. 95).
3,55 %
27,49 %
72,85 %
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
Metóxilos Ácido Galacturónico Esterificación
Porc
enta
je (
%)
82
En base a dicho resultado la pectina obtenida puede distribuirse como un aditivo
de rápida gelificación, al igual que la pectina 105 de Cimpa S.A.S. en cuya ficha
comercial reportan un ET entre 62-73%; con humedad menor al 12%, tamaño de
partícula de 250 um, de coloración crema y sin presencia de olor ni sabor (Cimpa,
2013, p. 1).
Sin embargo la presencia de los fragmentos de ácido galacturónico menor al 65 %
(Norma ISN. 40), indica que la pectina no presenta una pureza adecuada, lo cual
se atribuye a la presencia de otros azúcares que intervinieron durante el
precipitado de la misma o a la larga extensión del ramal ramnogalacturonano
(Kumar et al., 2013, p. 8).
3.5. RESULTADOS DEL DISEÑO DEL REACTOR PARA LA
HIDRÓLISIS Y DEL SECADOR DE LA PECTINA A ESCALA
PILOTO.
Para el diseño de los equipos a escala piloto se determinó inicialmente la
producción diaria, la cual se estableció de acuerdo a las necesidades del país de
pectina; es decir, a partir de los datos estadísticos de importaciones registrados
por el Banco Central del Ecuador en los últimos años, lo cual se expone en la
Tabla 3.18.
Tabla 3. 18. Importaciones anuales, mensuales y diarias de pectina
(Banco Central del Ecuador, 2014)
Considerando el concepto de escala piloto como: modelo de una planta industrial
a iguales condiciones, para análisis e investigación operativo, con requerimiento
Importaciones Valor
Anual (t) 48,55
Mensual (t) 4,05
Diaria (kg) 202,27
83
de menores costos económicos (Anaya y Pedroza, 2008, p. 33); se consideró el 5
% de las importaciones diarias, lo que equivale aproximadamente a 10 kg de
pectina sólida.
3.5.1. RESULTADOS DEL DISEÑO DEL REACTOR PARA LA HIDRÓLISIS A
ESCALA PILOTO
El diseño del reactor se realizó considerando las mejores condiciones de
extracción obtenidas según datos experimentales y expuestas en las Tabla 3.4.
El tipo de reactor seleccionado es un batch o discontinuo; ya que, la corteza y el
medio acidulado son cargados en el reactor y requieren 80 min de contacto para
solubilizar el producto; una vez finalizado dicho periodo, se descarga el contenido;
no existen flujos por lo que se consideró dicho clase de reactor para el diseño.
3.5.1.1. Cuerpo, tapa y fondo
El volumen de carga se estimó mediante el balance de masa en el reactor
expresado en la ecuación [3.7], que involucra la constante de reacción
previamente determinada de 0,0286 min-1. Se consideró una conversión del 90%.
−𝑟𝑃𝑉 = 𝑁𝑃𝑜
𝑑 𝑋𝑃
𝑑𝑡 [3.7]
𝑉1 =𝑁𝑃𝑜
𝑘 𝑡 𝐶𝑃𝑜𝑥 ln (
1
1 − 𝑋𝑃) = 1,40 𝑚3 [3.8]
Aplicando el rendimiento de la extracción y la mejor relación corteza/ medio, el
volumen de carga corresponde a:
𝑚𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎 = 𝑁𝑃𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑥100
0,2 𝑥 𝜂= 345, 05 𝑘𝑔 [3.9]
84
𝑉𝑠 = 3 𝑥 𝑚𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎 = 1 035,15 𝐿 [3.10]
𝑉2 = 𝑚𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎
𝜌𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 + 𝑉𝑠 = 1,44 𝑚3 [3.11]
Los valores de los volúmenes son muy similares, sin embargo para el diseño se
consideró el volumen 2 que involucra resultados evaluados experimentalmente.
En base a ello se estableció la operación de dos reactores en paralelo a fin de
evitar un equipo de gran tamaño, por lo que se definió la carga por reactor de 0,72
m3.
En la Tabla 3.19 se detallan los componentes de la alimentación por reactor.
Tabla 3. 19. Componentes de la carga de cada reactor batch
El volumen nominal debe presentar cierta holgura del ocupado por el de carga o
alimentación; según la mención en la norma API 2350: Protección contra
sobrellenado para tanques (2005), se propone un 20 % (p. 18), por lo que se
asumió dicho valor.
𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 1,2 𝑥 𝑉𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 = 0,87 𝑚3 [3.12]
El volumen nominal involucra el volumen del cilindro y fondo del reactor; en primer
lugar se consideró una relación 1,5 entre las dimensiones y se definió un diámetro
de 0,84 m; 33,07 in. Dicho valor se aproximó a las dimensiones estándares de
cabezas y casco recopiladas por Megyesy (2008) y se ajustó a un diámetro de 34
in, cuyo volumen de fondo es de 0,05 m3.
Componente Valor
Corteza fresca (kg) 172,53
Ácido clorhídrico (L) 4,14
Agua (L) 513,44
85
Se recalculó la altura y se estableció una relación de 1,6; adecuada según las
relaciones típicas para tanques y reactores expuestas por Ahmed y Rahman
(2012), que oscila entre 1,0 y 2,0 (p. 850). En el anexo AXII se presenta la
descripción detallada del diseño del reactor y accesorios.
En la Tabla 3.20 se tabularon las dimensiones del reactor para la extracción de
pectina.
Tabla 3. 20. Dimensiones del reactor batch para la extracción de pectina
La tapa y el fondo del reactor se diseñaron considerando la presión de vapor y la
presión hidrostática a soportar por las paredes del equipo. Se seleccionó de tipo
torriesférico por características de: menor costo, presión máxima de trabajo de 15
bar y por ser la adecuada para reactores con un radio entre 15 a 300 cm (Sinnott,
2005, p. 817; Bueno, 2014, p. 73). Además que es imprescindible que el fondo del
reactor presente una forma curva a fin de evitar aristas sin tráfico de flujo donde
tiende a acumularse el material.
El espesor de la base y tapa calculado corresponde aproximadamente 3 mm, se
consideró un tiempo de vida útil por corrosión de 10 años, con lo que se definió un
espesor del equipo de 18 mm. Sin embargo de acuerdo a las especificaciones
comerciales de tapas estándar de Steel Company (Megyesy, 2008, pp. 324-326),
se seleccionó un espesor de ¾ in , que equivale a 19,05 mm.
La medida de 19,05 mm se consideró como espesor nominal de todo el equipo;
en la Tabla 3.21 se expone el valor del espesor calculado, por corrosión y nominal
del reactor batch.
Parámetro Valor
Altura reactor (m) 1,41
Diámetro interno del reactor (m) 0,86
Altura carga (m) 1,15
86
Tabla 3. 21. Espesor calculado, por corrosión y nominal del reactor
Mediante el diámetro del reactor y el espesor del mismo se definieron las
características dimensionales de la tapa y el fondo, las cuales se presentan en la
Tabla 3.22.
Tabla 3. 22. Dimensiones de la tapa y fondo del reactor
El reactor está destinado a contener una solución de ácido clorhídrico, sin
embargo su concentración es pequeña, es decir la solución es muy diluida, por tal
razón se seleccionó como adecuado el acero inoxidable austenítico por su
resistencia a ácidos como el clorhídrico y sulfúrico. De forma específica se
seleccionó el acero inoxidable 904L con elevado índice de resistencia a la
corrosión de 35 (IMOA, 2012, p. 13-14); a la vez que, se establece adecuado del
tipo 316 con un revestimiento interior de fibra de vidrio.
3.5.1.2. Sistema de agitación y calentamiento
El proceso de extracción requiere agitación, por tal razón para cumplir con dicha
operación se seleccionó un impulsor que proporcione un movimiento radial.
Parámetro Valor
Espesor calculado (mm) 3,00
Espesor por corrosión (mm) 18,00
Velocidad de corrosión
(mm/año)
1,50
Espesor nominal (mm) 19,05
Parámetro Valor
Diámetro (cm) 86,36
Radio de curvatura (cm) 5,72
Profundidad (cm) 15,40
87
En la Tabla 3.23 se especifican las características y dimensiones del agitador
diseñado.
Tabla 3. 23. Características y dimensiones del agitador
Los resultados presentados en la Tabla 3.23 dependen directamente del diámetro
del reactor y la altura de llenado, pues su cálculo se fundamentó en razones
estándares definidas por McCabe et al. (2007). El movimiento circulatorio creado
en el interior del reactor y su localización a un nivel de 38,33 cm de la base del
cilindro, permiten mayor contacto de la corteza con el medio ácido, beneficiando
la extracción.
La velocidad de giro en el reactor es de 250 rpm, que arroja un número de
Reynolds de 3 x 103, lo cual indica un flujo ligeramente turbulento; beneficioso, ya
que si cayera en un estado de turbulencia considerable la corteza se desintegraría
alterando el resultado final del producto. El número de potencia correspondiente
es de 5,5 y mediante la expresión [3.13] se precisó 1 HP para que el impulsor
gire a la velocidad indicada.
𝑃 = 𝑁𝑝 𝑛3𝐷𝑎5𝜌𝑚 = 1,00 HP [3.13]
Sin embargo para su diseño se recomienda u a potencia mayor en un 15% (De la
Morena, 2013, p. 62) por lo que la potencia necesaria aproximadamente equivale
a 1,20 HP.
Parámetro Valor
Tipo Turbina de disco
Número de palas 6
Diámetro (cm) 28,67
Ubicación respecto al cilindro (cm) 38,33
Diámetro del disco (cm) 25,55
Longitud de la pala (cm) 9,58
Altura de la pala (cm) 7,67
88
El requerimiento energético para elevar la temperatura de la solución ácida
equivale a 246 765,88 kJ, valor alto debido a que la variación de temperatura a la
que se expone la alimentación también lo es (57 °C), en base a ello se determinó
la utilización de una chaqueta de calentamiento.
La chaqueta es el sistema más utilizado para proporcionar energía calorífica a
diversos procesos, pues el calor latente entregado por el vapor es considerable
(Hernández, Montiel, Reyes y Zaragoza, 2013, p.88). Se descartó la utilización de
resistencias sumergibles o serpentines internos debido al tratamiento con solución
ácida, que provocaría su corrosión.
Sinnott (2005), menciona una separación entre camisa y reactor de 50 mm para
equipos de pequeña y mediana capacidad (p. 775), a partir de dicha
consideración se determinó el diámetro de la chaqueta, el cual se observa en la
Tabla 3.24.
Tabla 3. 24. Dimensiones de la chaqueta de calentamiento
Por el anular generado entre el reactor y la chaqueta se definió como necesario
vapor saturado a 150 psi y 181,62 °C; cuyo fluido transferirá una energía de
21009,2 kJ/ kg para incrementar la temperatura durante el proceso de extracción.
En la Figura 3.22 se presenta el diseño final del reactor para la extracción de la
pectina del limón Tahití, incluidos sus accesorios: agitador y chaqueta.
Parámetro Valor
Ancho chaqueta (m) 0,05
Diámetro chaqueta (m) 1,00
89
Figura 3. 22. Diseño del reactor y agitador para la hidrólisis de la pectina a escala piloto
90
3.5.2. RESULTADOS DEL DISEÑO DEL SECADOR A ESCALA PILOTO
3.5.2.1. Armario, bandejas y cámara de secado
Considerando las mejores condiciones de secado evaluadas experimentalmente
en la sección 3.3.1, así como la naturaleza del producto se determinó la utilización
de un secador batch para el tratamiento de la pectina; lo que obedece a
características de producción menores a 150 kg/h, tiempo extenso de reducción
del contenido de agua y naturaleza de gel o pasta de la alimentación (McCabe et
al., 2007, pp. 853 -869).
Se diseñó un equipo de forma rectangular, cuyas dimensiones de la cámara de
secado corresponden las del carro móvil portador de bandejas con cierto espacio
libre, de manera que al ingresar este al secador calce correctamente. Para el
diseño del mismo y mediante la aplicación de la norma INS 40: Pectinas se
consideró una humedad final del producto del 10,00 %, a partir de ello se definió
la masa de alimentación de la pectina en estado coloidal, la cantidad de agua a
eliminar y el tiempo de secado hasta alcanzar dicha humedad, los cuales se
presentan en la Tabla 3.25.
Tabla 3. 25. Alimentación del gel, agua a eliminar y tiempo de secado de la pectina
En la Tabla 3.25 se observa una amplia diferencia entre la masa de alimentación
y la masa del producto final, lo cual se debe al elevado contenido de humedad; es
así que para producir 10,00 kg; el secador debe disponer de un área para
almacenar aproximadamente 30 veces el valor del producto. El área de secado se
definió mediante expresión del tiempo que involucra los periodos ante y postcrítico
Parámetro Valor
Pectina alimentación (kg) 286,28
Agua a eliminar (kg) 276,28
Pectina producto (kg) 10,00
Tiempo de secado (h) 11,41
91
como se señala en la ecuación [3.14], para ello se consideró la modelización de la
Figura 3.19.
𝜃 =𝑆
𝐴 [
𝑋𝑜 − 𝑋𝑐
𝑊𝑐+ ∫
𝑑𝑋
0,1041 𝑋 + 0,1167
𝑋𝑐
𝑋𝑓
] [3.14]
Para su diseño se estableció un factor de 10 % sobre el requerimiento real
(Sinnott, 2005, p. 13). En la Tabla 3.26 se presenta el área real y de diseño del
equipo deshidratador.
Tabla 3. 26. Área de diseño del secador
Tomando en cuenta el elevado valor de superficie de secado se definieron dos
bastidores. Se determinó un área por bandeja de 0,49 m2 que corresponde a la
sección superior expuesta de dimensiones de 75 x 65 cm, valores dentro de los
recomendados por McCabe et al. (2007). El número de bandejas se definió
mediante la relación [3.15].
𝑁 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
Á𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎 [3.15]
𝑁 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 65,19 ≈ 66 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠
La distribución de bandejas por bastidor vertical es de 33, lo cual concuerda con
lo señalado por McCabe et al. (2007), quien define como máximo 40 por sección
(p.854).
En la Tabla 3.27 se resumen las características individuales de las bandejas.
Parámetro Valor
Área real (m2) 28,89
Área de diseño (m2) 31,78
92
Tabla 3. 27. Características y dimensiones de las bandejas
Se seleccionó como material acero inoxidable 316, debido a sus buenas
características de resistencia ante componentes como agua, alcohol etílico y
pectina; además de su favorable trabajo a temperaturas menores a los 800 °C. El
coloide en la bandeja alcanza un espesor 1,2 cm; por lo que se definió una altura
de 2,0 cm para evitar derrames; y un espacio libre entre bandejas de 4 cm.
Para el esqueleto del bastidor se consideraron perfiles cuadrados de 20 y 50 mm
de ancho, 6 de posición vertical y 4 horizontal, formándose un cubo. Cada 6 cm
en los perfiles verticales se establecieron pestañas o ángulos para soporte de las
bandejas, siendo estos de 30 mm de ancho. Mediante la densidad el acero de
7800 kg/m3 (Megyesy, 2008, p. 360) se definió el peso del armario y bandejas.
𝑃𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 + 𝑃𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 293,29 𝑘𝑔 [3.16]
Los bastidores son estructuras móviles por lo que se definió la implantación
ruedas giratorias que soporten el peso total de armario, incluido el material a
deshidratar.
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 𝑃𝑔𝑒𝑙 + 𝑃𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 + 𝑃𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 579,57 𝑘𝑔 [3.17]
M&S Equipamientos comercializa ruedas con una capacidad de carga de 160 kg,
en base a ello se definió la implantación de cuatro ruedas, las mismas que se
ubicarán en los vértices de la estructura metálica permitiendo su desplazamiento.
Parámetro Valor
Material Acero inoxidable 316
Número 33
Longitud (cm) 75
Ancho (cm) 65
Alto (cm) 2
93
Su temperatura máxima de trabajo es de 80 °C, adecuada ya que se trabaja a una
temperatura menor a esta.
Considerando la altura total de la rueda 12,80 cm, dimensiones de bandeja y
soportes metálicos se definieron la altura, ancho y profundidad del armario; así
como de la cámara, con espacio adicional de 15 cm, como se distingue en la
Tabla 3.28. En el Anexo XIII se detalla el diseño del secador.
Tabla 3. 28. Dimensiones de las carro y cámara de secado
En la Figura 3.25 se presenta la vista frontal y lateral del armario, con los dos
bastidores.
Para mantener internamente la temperatura de 50 °C, se definió la utilización de
un aislante térmico. El gradiente de temperatura entre el ambiente y el interior no
es alto, pero el elevado costo de la utilización de energía eléctrica en un tiempo
extenso de 11,41 h de operación, obliga la implantación de lana de vidrio en las
paredes laterales y cubierta de la cámara interna o cámara de secado.
El espesor del aislante 3,81 cm (1,5 in) se estimó mediante la ecuación [3.18]
obtenida por transferencia de calor, como se describe en el Anexo XIII.
𝑡𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 = 𝑘 𝑅𝑠 (𝑇𝑜𝑝−𝑇𝑠
𝑇𝑠−𝑇𝑎) = 3,81 𝑐𝑚 [3.18]
La empresa FIBER GLASS proveedora de lana de vidrio, facilitó su programa
ECOWIN GREEN, el cual al introducir las variables señaladas en la Figura 3.23,
se obtiene el espesor adecuado del aislante.
Parámetro Altura Ancho Profundidad
Dimensiones carro (m) 2,15 1,59 0,69
Dimensiones cámara (m) 2,30 1,75 0,85
94
Figura 3. 23. Parámetros para la estimación del espesor de lana de vidrio en el secador
requeridos por el programa ECOWIN GREEN
Figura 3. 24. Resultados del programa ECOWIN GREEN
En la Figura 3.24 se estableció como resultado un espesor 3,81 cm (1,5 in) de
lana de vidrio; lo que corrobora el valor obtenido mediante la ecuación [3.18], el
cual permite una eficiencia energética considerable del 92,72 %. La aplicación del
espesor mencionado en las paredes del deshidratador es imperioso a fin de
mantener la temperatura de trabajo y minimizar las pérdidas energéticas al
ambiente, ya que sin dicho material se perderían alrededor de 340,73 W/m
95
Figura 3. 25. Diseño del carro móvil portador de bandejas para la pectina gel
96
3.5.2.2. Sistema de ventilación
Con el fin de mantener el movimiento del aire para la deshidratación se
determinaron tres parámetros primordiales para la selección del ventilador, entre
ellos: flujo volumétrico del aire, presión estática y nivel sonoro.
La caída en el contenido de humedad de la pectina se relaciona al incremento de
la humedad del aire en el deshidratador, desde las condiciones iniciales a
aquellas de descarga, como se describe en la ecuación [3.19].
𝐺𝑎 (𝑌𝑠 − 𝑌𝑒) = 𝑃𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎(𝑋𝑜 − 𝑋𝑓) [3.19]
Es por ello que experimentalmente se registraron las temperaturas de bulbo
húmedo y seco a la entrada y salida del dámper del equipo, que permitieron
definir las propiedades del aire, las cuales se exponen en la Tabla 3.29. Dichos
parámetros definidos se evaluaron a nivel de Quito de 2 800 msnm y 0,72 atm, su
cálculo detallado se encuentra en el Anexo XIII.
Tabla 3. 29. Condiciones térmicas de entrada y salida del aire
Temperatura Entrada Salida
Temperatura de
bulbo seco
68 °F / 20,0 °C 118 °F / 47,8 °C
Temperatura de
bulbo húmedo
60 °F / 15,6 °C 76 °F / 24,4 °C
Humedad Absoluta
(kg de agua/ kg de
aire seco)
0,0136
0,0176
Volumen especifico
(m3/kg)
1,18 1,31
Densidad (kg/m3) 0,85 0,76
Remplazando los valores de la humedad absoluta del aire y las condiciones de
humedad del coágulo de 30,8086 a 0,1111 kg agua/kg de pectina seca en la
ecuación [3.19], se definió el flujo de aire necesario para su deshidratación; y
97
mediante un factor de sobredimensionamiento del 20 % se consideró el flujo de
diseño.
𝐺𝑎 =𝑃𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎(𝑋𝑜 − 𝑋𝑓)
(𝑌𝑠 − 𝑌𝑒)= 7 143,02
𝑚3
ℎ
𝐺𝑎 = 1,2 𝑥 7143,02 𝑚3
ℎ
𝐺𝑎𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = = 8 571,62 𝑚3
ℎ
El elevado valor del flujo volumétrico se fundamenta en la naturaleza de la
pectina, con aspecto coloidal o gel, que contiene 96,8562 % de humedad, es decir
únicamente el 3,1438 % del material es pectina pura, es así que para retirar toda
el agua o etanol contenido requiere una cantidad de aire realmente significante.
Según Greenheck (2010), para la ventilación en equipos o sistemas sin ductos, la
presión estática de diseño oscila de 0,05 a 0,20 inca (p. 17), se consideró el valor
del límite superior ya en el secador el aire es succionado directamente no
atraviesa por ductos circulares ni rectangulares. Además se determinaron las
perdidas friccionales en la cámara de secado de 2,3 mmca.
𝑃𝑠 = 0,20 𝑖𝑛 𝑐𝑎 = 5,08 𝑚𝑚𝑐𝑎
𝛥𝑃𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 2,30 𝑚𝑚𝑐𝑎
Con el fin de mantener el movimiento del aire se seleccionó un ventilador tipo
axial helicoidal, el cual se definió por sus particularidades de caudal de trabajo
elevado, presiones menores, bajo coste, corta dimensión longitudinal y de uso
extendido para ventilación directa y forzada (Rayaprolu, 2012, p. 28).
98
En las Tablas 3.30 y 3.31 se muestran las características de operación del
ventilador OTAM y sus dimensiones, el cual fue seleccionado según los
parámetros de diseño anteriormente definidos.
Tabla 3. 30. Parámetros del ventilador para el secado de pectina gel.
Parámetro Valor
Modelo OTAM 710
Caudal volumétrico (m3/h) 8 916
Presión estática (mmca) 11
Velocidad de rotación (rpm) 850
Nivel de ruido (dBA) 65
Potencia (HP) 1
(OTAM, 2011, p. 7)
Tabla 3. 31. Dimensiones del ventilador para el secado de pectina gel.
Parámetro Valor
Peso (kg) 52
Diámetro de los álabes (m) 0,712
Ancho incluido motor (m) 0,491
Altura total (m) 1,000
(OTAM, 2011, p. 10)
Según los datos de la Tabla 3.30 el movimiento de los álabes genera un nivel
sonoro de 65 dBA, el cual se encuentra dentro del rango permitido para zonas
industriales, como lo señala el Anexo 5 del TULAS, que especifica un máximo
de 70 dBA (Registro oficial de normas técnicas ambientales N°41, 2007, p. 39)
La posición del ventilador se definió en la parte posterior de la cámara de secado,
para impulsar el aire en dicha sección.
99
3.5.2.3. Sistema de calentamiento
Además de la cámara de secado se estableció en el equipo una cámara externa,
en la que se ubica el ventilador y el sistema de calentamiento que permita elevar
la temperatura del aire en su recorrido.
La cantidad de calor necesario en el proceso de secado se estimó mediante la
ecuación [3.20] (Ahmed y Rahman, 2012, p. 518), que expresa el fenómeno
gobernador como lo es la convección, transfiriendo el calor del gas al cuerpo
húmedo, especialmente durante la fase inicial cuando no existe resistencia a
liberar el agua y etanol atrapado en el gel. El área de secado constituye el área de
diseño señalada en la Tabla 3.26.
𝑄 = ℎ 𝐴𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 (𝑇 − 𝑇𝑓) [3.20]
La dirección del flujo del aire es paralela al alimento, tomando en cuenta dicho
aspecto se definió el coeficiente de transferencia expresado en la ecuación [3.21].
ℎ = 0,0175 𝐺0,8 = 15,57𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑚2ℎ °𝐶 [3.21]
Aplicando la ecuación [3.20], en un intervalo entre la temperatura de trabajo y la
de bulbo húmedo del aire, se definió la cantidad de calor.
𝑄 = 13,46 𝑘𝑊
Es imperioso considerar la cantidad de calor requerido por el gel para incrementar
su temperatura.
𝑄𝑔𝑒𝑙 = 𝑚𝑔𝑒𝑙 𝑥 𝐶𝑝𝑔𝑒𝑙 𝑥 ∆𝑇 = 1,02 𝑘𝑊 [3.22]
𝑄𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 = 1,10 𝑥 (𝑄 + 𝑄𝑔𝑒𝑙) = 15,93 𝑘𝑊
100
El medio calefactor constituyen las resistencias eléctricas, para lo cual se añadió
un 10 % al calor total a causa de posibles pérdidas. Para este deshidratador se
definió utilizar resistencias tipo aletas, las cuales por su configuración (mayor
superficie conectiva) permiten disipar rápidamente la energía térmica generada.
Las características de las aletas seleccionadas se presentan en la Tabla 3.32. La
potencia por resistencia generada es de 3 500 W, por lo que se estimó según el
requerimiento energético 5 unidades, cuya longitud es adecuada considerando
que se ubicaran en la parte posterior baja de la cámara de secado.
Tabla 3. 32. Características de las resistencias con aletas
Parámetro Valor
Material Acero inoxidable 304
Potencia (W) 3 500
Longitud (m) 1,055
Ancho (m) 0,040
(RCI, 2015, p. 1)
En la Figura 3.26 se observa el diseño del deshidratador, incluidas su sección
interna y sus accesorios.
101
Figura 3. 26. Diseño del secador de la pectina gel a escala piloto
102
3.5.3. RESULTADOS DE COSTOS DE MATERIA PRIMA, INSUMOS Y DE
PRODUCCIÓN DE PECTINA
En la Figura 3.27 se esquematiza el Diagrama PFD del tratamiento de las
cortezas del limón Tahití (Citrus latifolia Tan.) para la extracción de la pectina, en
el cual se sintetiza el balance de masa y energía realizado bajo las mejores
condiciones experimentales de la Tabla 3.4, a fin de generar diariamente 10 kg o
2 400 kg al año.
En el proceso sólido-líquido de la Figura 3.31 se establecieron tres áreas como se
describen en la Tabla 3.33, las cuales se enumeran de acuerdo al orden de
interferencia; cada sección está conformada por uno o más equipos que cumplen
una función determinada.
Tabla 3. 33. Áreas del diagrama PFD.
Área Descripción
100 Tratamiento del albedo y flavedo
200 Extracción ácida
300 Tratamiento de la pectina
En la estimación de los costos de producción se consideraron aquellos recursos
que intervienen directamente con la fabricación del aditivo, como lo son: limones e
insumos, servicios y fuerza laboral. En la Tabla 3.34 se tabulan los valores de los
cítricos e insumo requeridos.
Tabla 3. 34. Detalle de los costos de los cítricos e insumos
Parámetro Consumo diario Costo unitario Consumo anual Costo anual ($)
Limones 991,64 kg 0,66 $/kg * 237 993,60 kg 157 075,77
Agua 1,72 m3 0,72 $/m3 412,80 m3 297,22
HCl 37% 8,28 L 1,36 $/L ** 1 987,20 L 2 702,59
Etanol 96 % 626,48 L 2,00 $/L ** 150 355,20 L 300 710,40
TOTAL 460 785,98
*Referencia: Asociación Quinlata, Patate **Referencia: Casa de los Químicos S.A., Ecuador
103
Figura 3. 27. Diagrama de flujo del proceso de obtención de pectina del limón Tahití (Citrus latifolia Tan.) a escala piloto
Limones
CR-101
LV-102
PC-103
RE-201
LV-102
TP-302
F-301
F-303
SB-304
MC-305
Agua
Agua
residual
Limones
de desecho
HCl
Corteza
AguaPectina
150
75
18
50
25
91
1
3 6
4
5
Agua 12Agua
residual
13
Vapor 9
2
Pulpa
y semllas
7
8
11
Agua10
RE-202
Agua
HCl
Vapor
75
14
15 15
17
Agua 16
150
Vapor 18
19
20
21
22
Etanol 96 % 23
2426
Etanol y agua
25
2829
Etanol y agua
27
Agua 30
ME-104
104
Analizando los valores de la Tabla 3.34 se distingue que los rubros que mayor
relevancia económica presentan corresponden al etanol, lo cual es justificable
considerando, que durante el proceso de coagulación se adiciona el 60 % del
volumen del extracto, este rubro podría optimizarse con la recuperación y
reutilización del alcohol. Además el valor de la materia prima es alta, ya que, la
corteza como única parte útil para la extracción corresponde el 35,43 % del
cuerpo entero del fruto, demandando un número aproximado de 14 224 limones.
De la Figura 3.27 también se obtuvo la cantidad de agua como servicio industrial y
la cantidad de vapor con el que se determinó el requerimiento de diésel; el
consumo eléctrico se definió de la operación de los equipos; cuyo detalle se
expone en el Anexo XIV.
En la Tabla 3.35 se presenta el detalle de costos por servicios industriales.
Tabla 3. 35. Detalle de los costos de servicios industriales
Parámetro Consumo diario Costo unitario Consumo anual Costo anual($)
Agua 2,89 m3 0,72 $/m3 652,80 m3 499,39
Combustible 17,47 L 0,31 $/L 3 472,80 L 1 076,57
Energía
eléctrica
204,56 kWh 0,12 $/kWh 49 094,40 kWh 5 891,33
TOTAL 7 467,29
En la Tabla 3.35 es notorio que la energía eléctrica ingiere en un 79 % de los
valores por servicios, este costo describe la alta demanda energética del secador
y su extenso rango de operación de 11,41 h. El diésel representa el 14 % y el
agua el 7 %, que abarca los procesos de lavado, escaldado y enfriamiento. El
desglose del costo eléctrico se presenta en Tabla AXIV.1.
En la Tabla 3.36 se detalla el salario recibido por los operados de la planta piloto,
que representan el rubro de la mano de obra.
105
Tabla 3. 36. Detalle de los costos de mano de obra
Parámetro
Número
Sueldo mensual
($)
Sueldo anual más
beneficios ($)
Sueldos
($)
Operador 2 354,00 $ 5 034,33 $ 10 068,66
TOTAL 10 068,66
La recopilación de los costos de producción de 2 400 kg/año de pectina se
presenta en la Tabla 3.37.
Tabla 3. 37. Recopilación de los elementos de producción de 2400 kg de pectina al año
Concepto Valor ($/kg)
Materia prima e
insumos
191,99
Servicios industriales
y mano de obra
7,31
COSTOS TOTALES
DE PRODUCCIÓN
199,30
En la Figura 3.28 se esquematiza el porcentaje de intervención de los elementos
de producción descritos en la Tabla 3.37.
Figura 3. 28. Porcentaje de intervención de los elementos de producción para la
generación de 2 400 kg/año de pectina.
96%
4%
Materia Prima e Insumos
Servicios y Mano de obra
106
Mediante la relación de los costos y la cantidad a producir anualmente de 2 400
kg, se definió el valor del kilogramo de pectina obtenida del limón Tahití (Citrus
latifolia Tan.) mediante el proceso fisicoquímico planteado, de 199,30 $; como se
indica en la Tabla 3.37.
De acuerdo a la Figura 3.28, el concepto de materia prima e insumos constituye
casi la totalidad del valor de producción, justificable debido al bajo rendimiento de
la corteza de 2,90 % (base húmeda), que obliga a un consumo elevado de
cítricos e insumos.
A pesar que la pectina constituye un producto con un alto costo en el mercado; el
valor de producción es sumamente elevado, equivalente a cuatro veces del valor
de expendio del producto importado por Laquim de 52,76 $/kg, con lo que se
establece que el proceso no es económicamente rentable. Sin embargo se debe
acotar la necesidad de estudiar un mecanismo de recuperación del etanol, o a la
vez partir de corteza de desecho para reducir costos, lo que implicaría un nuevo
estudio ya que el presente es específicamente de la variedad Tahití.
107
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. CONCLUSIONES
De la caracterización física del limón Tahití (Citrus latifolia Tan.) de la Granja
de la Asociación de Productores Agropecuarios Quinlata del cantón Patate,
Provincia Tungurahua, se obtuvo un diámetro promedio de 6,04 ± 0,17 cm y
un peso unitario promedio de 69,7225 ± 3,8830 g; con una proporción de
albedo y flavedo próxima a la mitad de su peso unitario, siendo esta de 35,43
± 3,69 %; cuya sección es la reserva de pectina.
Resultados de la caracterización química definieron al limón Tahití (Citrus
latifolia Tan.) con una acidez de 2,00 ± 0,10 de pH y un porcentaje de 4,70 ±
0,17 % considerando la neutralización del ácido cítrico presente; y el contenido
de sólidos solubles en el zumo del fruto de 8,20 ± 0,40 °Bx. Se estableció un
estado de madurez de 1,74 ± 0,18, valor aproximado a 2, lo que corrobora el
nivel de recolección según la apariencia física.
Del tratamiento preliminar de extracción se determinó la temperatura de 75 °C
como la mejor, de acuerdo al efecto beige en la tonalidad de la pectina
obtenida y la mejor condición de potencial de hidrógeno de 1,5 por generar un
rendimiento superior de 14,76 % respecto al 6,89 % a pH 3,0.
De acuerdo al comportamiento extractivo en función del tiempo a pH 1,5, se
establecieron los 80 min como la cumbre de extracción; a partir del cual se
produce un declive; divisándose dos etapas en el proceso de obtención de
pectina.
La mejor relación corteza/medio en la operación unitaria de extracción fue de
1/3, debido a la formación de un coágulo grande y consistente en la adición de
alcohol etílico para su separación.
108
El rendimiento promedio de extracción de pectina del albedo y flavedo del
limón Tahití (Citrus latifolia Tan.) bajo las mejores condiciones de extracción
fue de 14,49 ± 0,43 % en base húmeda y de 2,90 ± 0,09 % en base seca; y al
comparar dicho valor con el presentado bibliográficamente de las especies
Sutil y Eureka es superior.
Del análisis cinético de extracción se determinó que la reacción de
Solubilización de la Protopectina involucra una reacción de primer orden hasta
alcanzar los 80 min, según el método integral de velocidad de reacción.
Además según la pendiente de la gráfica se determinó el valor de la constante
de reacción de 0,0286 min-1.
Se establecieron como las mejores condiciones de deshidratación de la
pectina coloidal los 50,0 °C y 1,8 m/s de aire, cuyo tratamiento produjo un
menor tiempo de secado concatenado con una baja interferencia en el
porcentaje de metóxilos del producto.
Del análisis cinético del perfil de deshidratación del gel bajo las mejores
condiciones se determinó un tiempo de secado de 11,83 h, una velocidad
constante de 1,3527 kg de agua/m2h, una humedad crítica y de equilibrio de
11,8731 y 0,0556 kg de agua/kg de pectina seca respectivamente.
De la caracterización del producto final se determinó un contenido de agua de
5,86 %, el cual cumple con la norma INS 40: Pectinas expuesta con la FAO; y
un contenido de cenizas superior al permitido de 1,21 %.
De acuerdo a las propiedades estructurales se definió a la pectina como una
sustancia de 2 456,4505 g/eq, 3,55 % de metóxilos, 27,49 % de ácido
galacturónico y 72,85 % grado de esterificación.
Del diseño del reactor para la hidrólisis se obtuvo un equipo con capacidad
nominal de 0,87 m3, con una relación dimensional de 1,6, que involucra 1,41
109
m de altura y 0,86 m de diámetro; un espesor de 19,05 mm; tapa y fondo
torriesférica.
Del diseño de los equipos auxiliares al reactor se estableció un agitador de
turbina de 6 palas, con diámetro de 28,67 cm y un motor de 1,20 HP. Además
una chaqueta con un anular de 0,05 m, por la que se atraviesa vapor a 150
psi.
Del diseño del secador se determinó un área nominal de 31,78 m2, bandejas
de 0,75 x 0,65 m, ubicadas en un armario con dos bastidores de 33 unidades.
Las dimensiones del armario se establecieron en 2,15 x 1,59 y 0,69 m y las de
la cámara de secado mayores en 0,15 m; con un aislamiento de lana de vidrio
de 3,81 cm.
Del diseño de los equipos auxiliares al secador se estableció un ventilador con
un diámetro de alabes de 0,712 m, que proporciona un flujo de 8916 m3/h y
soporta una presión estática de 11 mmca. Para el sistema de calentamiento se
establecieron 5 resistencias tipo aletas, que generan 3,5 kW cada una.
El costo de producción por kilogramo de pectina es de 199,30 $, valor
sumamente elevado al producto importado, con lo que se concluye una no
rentabilidad del proceso de extracción.
4.2. RECOMENDACIONES
Evaluar el efecto en el rendimiento de extracción de otras sustancias
precipitantes no convencionales como: sales de aluminio, sales de cobre,
pectato de calcio, etc.; a diferentes proporciones del extracto.
Se recomienda analizar la inclusión de un proceso de evaporación o
concentración, para reducir tiempo, energía y costos en el proceso de
110
deshidratación de la pectina coloidal, cuya operación demanda gran cantidad
de energía eléctrica.
Analizar profundamente la extracción de la pectina del limón Tahití por el
método enzimático y bajo el previo tratamiento en microondas de las cortezas.
Evaluar un proceso para la recuperación y reutilización del alcohol etílico
residual del proceso de coagulación, ya que se consume de una cantidad
elevada de dicha sustancia.
Estudiar la implantación de un proceso integral de aprovechamiento de los
recursos del fruto, además de la corteza, la pulpa y el zumo, como lo es la
extracción de aceite, elaboración de alimento, etc.; a fin de optimizar la
industrialización del limón Tahití.
111
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126
ANEXOS
127
ANEXO I
EXTRACTO DE LA NORMA NTE INEN 1750 (1994): HORTALIZAS
Y FRUTAS FRESCAS. MUESTREO
Para el análisis de las propiedades físicas y químicas del limón de estudio Citrus
Latifolia Tan. se consideró el tamaño muestral definido según la sección de 4.4 de
la norma NTE INEN 1750 (1994) para frutos de tamaño medio, como se distingue
en la Figura AI.1.
Figura AI. 1. Tamaño de muestra para análisis de frutos medianos
128
ANEXO II
EXTRACTO DE LA NORMA NTE INEN 1757 (2008): FRUTAS
FRESCAS. LIMÓN. REQUISITOS
La determinación experimental del diámetro y peso del limón de la variedad Tahití
se basó en el procedimiento señalado en la sección 8 de la norma NTE INEN
1757 (2008).
Diámetro longitudinal
Tomar al fruto de sus extremos en posición ecuatorial.
Colocar las mordazas del calibrador en los extremos del limón sin causar
alteración del pericarpio.
Marcar el valor del diámetro.
Peso
Encender la balanza analítica marca Ae Adam.
Colocar el limón sobre el platillo, de manera que este permanezca inmóvil.
Registrar el valor del fruto en gramos.
Además, en la sección 4 de dicha norma se define la clasificación del limón de
acuerdo a sus propiedades físicas: diámetro y peso, como se distingue en la
Figura AII.1
Figura AII. 1. Clasificación del limón Tahití de acuerdo a sus propiedades físicas
129
ANEXO III
EXTRACTO DE LA NORMA INEN 0389 (1986): CONSERVAS
VEGETALES. DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DEL
IÓN HIDRÓGENO (pH)
La medición del pH del zumo de limón de la variedad Tahití se basó en el
procedimiento de la norma NTE INEN 0389 (1986) y su adaptación al laboratorio.
Procedimiento
Extraer manualmente el zumo de los limones.
Filtrar el zumo para eliminar las vesículas y semillas presentes.
Homogenizar el líquido filtrado mediante leves movimientos del recipiente
contenedor.
Tomar una alícuota de zumo y colocarla en un vaso de precipitación de 50 mL.
Encender el pH-metro y lavar sus electrodos con agua destilada.
Sumergir los electrodos en la alícuota líquida, evitando el contacto con las
paredes de vaso.
Registrar el pH, una vez que este haya alcanzado un valor estable.
Es imperioso que el pH-metro sea calibrado previamente con las soluciones
buffer.
130
ANEXO IV
EXTRACTO DE LA NORMA NTE INEN 0381 (1986): CONSERVAS
VEGETALES. DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DEL
IÓN HIDRÓGENO (pH)
Mediante la adaptación al laboratorio de la sección 6 de la norma 0381 (1986) se
determinó el porcentaje de acidez del zumo de limón de la variedad Tahití.
Procedimiento
Filtrar y homogenizar la muestra.
Tomar una alícuota de 3 mL de muestra y colocarla en un erlenmeyer.
Colocar dos o tres gotas de fenoftaleína.
Añadir gradualmente la solución base (NaOH 0,1 N) en el erlenmeyer y agitar
de forma continua hasta observar el viraje colorimétrico.
Registrar el consumo en mL de la solución base.
La acidez titulable se determina mediante el tratamiento de la ecuación [AV.2]:
Acidez =VNaOH x NNaOH x 𝑓NaOH x MAC
VM =
g de ácido citrico
1000 mL de muestra [AV.1]
% Acidez =𝐴
ρM x 100 [AV.2]
Donde:
A: Acidez, (g/1000 mL)
VNaOH: Volumen de la solución base, (mL)
NNaOH: Concentración de la solución base, (eq/L)
131
fNaOH: factor de la base
MAC: Peso-equivalente del ácido cítrico, (g/meq)
VM: Volumen de la muestra, (mL)
ρM: densidad de la muestra, (g/L)
132
ANEXO V
EXTRACTO DE LA NORMA NTE INEN 0381(1986):
DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS SOLUBLES. MÉTODO
REFRACTOMÉTRICO
La determinación del contenido de Brix o sólidos solubles en el zumo de limón de
la variedad Tahití, se fundamentó en el procedimiento descrito en la sección 6 de
la norma NTE INEN 0381(1986).
Procedimiento
Agitar el zumo de limón Tahití en el recipiente contenedor.
Succionar mediante un gotero una alícuota de zumo.
Colocar dos gotas sobre el prisma del refractómetro.
Enfocar el refractómetro a la luz y registrar el valor de los grados Brix.
Retirar cuidadosamente la muestra del prisma.
Limpiar el equipo con agua destilada y papel libre de pelusas.
133
ANEXO VI
DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE REPETICIONES PARA EL
ANÁLISIS DE LA CINÉTICA DE EXTRACCIÓN
El número de repeticiones se calculó mediante el modelo estadístico propuesto
por Lozano (2011), que engloba términos como: el nivel de certeza, potencia
estadística y el rendimiento esperado; cuyos valores que se presentan en la Tabla
AVI.1.
Tabla AVI. 1. Valores de los parámetros estadísticos para la determinación del número de
repeticiones
Parámetro Valor
Nivel de certeza (Zα) 95% ; 1,960
Potencia estadística (Zβ) 80 % ; 0,842
Rendimiento esperado 0,700
Estadísticamente los valores habituales de certeza y potencia estadística para
investigaciones son de 95% y 80% respectivamente (Lozano, 2011, p. 56).
Se consideró un 70% de posibilidad de ocurrencia, con el fin de acaparar posibles
errores que podrían intervenir en la extracción e impedirían el resultado positivo
de pectina. Debido a ello se descartó el valor de 1; a pesar que los resultados del
tratamiento previo constataron la existencia de pectina cuantificable en la corteza
del limón de estudio.
Dichos valores de reemplazaron en la ecuación [2.1]:
n =0,7(1 − 0,7)0,842 + 1,4 x 1,960
0,72
n = 5,9609 ≈ 6
134
Con ello se establece como necesario seis datos de la constante cinética de
extracción para obtener un resultado estadísticamente confiable del valor de dicho
parámetro.
135
ANEXO VII
METODOLOGÍA DEL ANÁLISIS CINÉTICO DE LA EXTRACCIÓN
DE PECTINA DEL LIMÓN TAHITÍ
Para la definición de los parámetros cinéticos se dedujeron las ecuaciones de
linealización según el orden correspondiente, a partir de la ley universal de
velocidad de reacción expresada en la ecuación [AVII.1].
𝑣 =𝑑[𝑃]
𝑑𝜃 [AVII.1]
Donde:
[P] : Concentración de protopectina
θ : tiempo
1. Reacción de primer orden
𝑑[𝑃]
𝑑𝜃= 𝑘 [𝑃] [AVII.2]
La ecuación AVII.2 se integra y se obtiene:
ln[𝑃] = ln[𝑃]𝑜 + 𝑘𝜃 [AVII.3]
ln[𝑃]
[𝑃]𝑜= 𝑘𝜃
ln
𝑚𝑃
𝑣𝑚𝑝𝑜
𝑣
= 𝑘𝜃
136
ln𝑚
𝑚𝑜= 𝑘𝜃
ln 𝑚𝑃 = ln 𝑚𝑃𝑜 + 𝑘𝜃 [AVII.4]
Donde:
mP : Masa de protopectina
v: Volumen del reactor
2. Reacción de segundo orden
𝑑[𝑃]
𝑑𝜃= 𝑘 [𝑃]2 [AVII.5]
La ecuación AVII.5 se integra y se obtiene:
1
[𝑃] =
1
[𝑃]𝑜− 𝑘𝜃 [AVII.6]
La linealización de segundo orden involucra el término de concentración de
pectina (masa/volumen), para ello se consideró volumen constante, es decir
durante toda la extracción se mantuvo el volumen inicial, es así que se determinó
la densidad aparente de la corteza húmeda, siendo esta 0,8435 g/mL, lo que
define el volumen que ocupan los 500 g de corteza de 592,77 mL; y por ende el
volumen total ocupado en el reactor de 2092,77 mL.
A partir de las ecuaciones AVII.4 y AVII.6 se realizaron los gráficos de
linealización, en los cuales se distingue el factor de correlación y el valor de la
pendiente como valor de la velocidad de reacción, resumidos en las Tablas 3.9 y
3.10.
Para la linealización de los datos de extracción de la Tabla 3.7, de las seis
repeticiones, se excluyó el primer dato experimental obtenido a los 10 min, pues
137
se considera tiempo insuficiente para la impregnación y acción del catalizador en
la estructura vegetativa.
Figura AVII. 1. Linealización de los datos de extracción R1, reacción de primer orden
Figura AVII. 2. Linealización de los datos de extracción R1, reacción de segundo orden
y = 0,0122x + 1,7969R² = 0,8255
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
ln (
mP)
Tiempo (min)
Repetición 1
y = -2,4991x + 319,88R² = 0,7411
0,0000
200,0000
400,0000
600,0000
800,0000
1000,0000
1200,0000
1400,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1/
[P]
(mL
/g)
Tiempo (min)
Repetición 1
138
Figura AVII. 3. Linealización de los datos de extracción R3, reacción de primer orden
Figura AVII. 4. Linealización de los datos de extracción R3, reacción de segundo orden
y = -0,0329x + 3,1461R² = 0,9937
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
ln (
mP)
Tiempo (min)
Repetición 3
y = 19,113x - 378,96R² = 0,9371
0,0000
200,0000
400,0000
600,0000
800,0000
1000,0000
1200,0000
1400,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1/
[P]
(mL
/g)
Tiempo (min)
Repetición 3
139
Figura AVII. 5. Linealización de los datos de extracción R4, reacción de primer orden
Figura AVII. 6. Linealización de los datos de extracción R4, reacción de segundo orden
y = -0,0312x + 3,0861R² = 0,9746
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
ln (
mP)
Tiempo (min)
Repetición 4
y = 18,582x - 369,28R² = 0,8693
0,0000
200,0000
400,0000
600,0000
800,0000
1000,0000
1200,0000
1400,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1/[
P]
(mL/
g)
Tiempo (min)
Repetición 4
140
Figura AVII. 7. Linealización de los datos de extracción R5, reacción de primer orden
Figura AVII. 8. Linealización de los datos de extracción R5, reacción de segundo orden
y = -0,0329x + 3,048R² = 0,9957
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
ln (
mP)
Tiempo (min)
Repetición 5
y = 20,261x - 380,73R² = 0,9646
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1/
[P]
((m
L/g)
Tiempo (min)
Repetición 5
141
Figura AVII. 9. Linealización de los datos de extracción R6, reacción de primer orden
Figura AVII. 10. Linealización de los datos de extracción R6, reacción de segundo orden
y = -0,0335x + 3,1138R² = 0,9996
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
ln (
mP)
Tiempo (min)
Repetición 6
y = 20,916x - 426,17R² = 0,9287
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
1/
[P]
(mL
/g)
Tiempo (min)
Repetición 6
142
ANEXO VIII
DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD CRÍTICA Y VELOCIDAD
CONSTANTE A LAS CONDICIONES DE 50 °C Y 1,8 m/s DE AIRE
Figura AVIII. 1. Modelización de las etapas de la velocidad deshidratación de la pectina
del limón Tahití a 50 ̊C y 1,8 m/s de aire
Las rectas que se ajustan a las etapas de deshidratación constituyen las
ecuaciones [AVIII.1] y [AVIII.2]:
𝑦1 = 0,1041 𝑥 + 0,1167 [AVIII.1]
𝑦2 = 0,0009𝑥 + 1,3420 [AVIII.2]
Igualando las ecuaciones anteriores.
0,1041 𝑥 + 0,1167 = 0,0009𝑥 + 1,3420
y = 0,0009x + 1,342R² = 1
y = 0,1041x + 0,1167R² = 0,9502
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
1,4000
1,6000
0,0000 5,0000 10,0000 15,0000 20,0000 25,0000 30,0000 35,0000
W(k
g/m
^2h
)
Xmedia (kg de agua/ kg de pectina seca)
143
𝑥 = 11,8731 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
𝑋𝑐 = 11,8731 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
Despejando x de la ecuación [AVIII.2].
𝑥 = 𝑦2 − 1,3420
0,0009 [AVIII.3]
Reemplazando [AVIII.3] en [AVIII.1] y considerando y1=y2=y.
𝑦1 = 0,1041 𝑦2 − 1,3420
0,0009+ 0,1167
𝑦 = 1,3527 𝐾𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
ℎ 𝑚2
𝑊𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 1,3527 𝐾𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
ℎ 𝑚2
144
ANEXO IX
NORMAS AOAC: HUMEDAD Y CENIZAS
La metodología aplicada para la determinación de los parámetros de humedad y
cenizas de la pectina se fundamentó en las normas AOAC 925.10, 942.05 y
920.46.
NORMA AOAC 925.10: HUMEDAD
Colocar el crisol y la tapa en la estufa a 130 ± 3 °C durante un periodo de 60
min.
Trasportar el crisol cubierto al desecador y mantenerlo en el interior hasta
alcanzar la temperatura ambiente.
Registrar el peso del crisol y la tapa.
Colocar aproximadamente 2 g de pectina en el crisol.
Ingresar el crisol descubierto con la muestra y la tapa a la estufa de secado,
previamente calentada a 130 ± 3 °C por 60 min.
Cubrir el crisol en el interior de la estufa, trasportarlo al desecador, descubrirlo
y dejar que alcance la temperatura ambiente.
Registrar el nuevo peso del crisol y la muestra.
Para la determinación del contenido de cenizas insolubles en ácido se realizó el
procedimiento descrito por las normas AOAC 942.05 y 920.46.
NORMA AOAC 942.05: CENIZAS
Colocar una cantidad de 2 g de pectina al crisol, previamente secado y tarado.
Introducir el crisol con el contenido en la mufla a 600 °C.
Mantener el crisol en calentamiento durante un tiempo de 2 h.
145
Transferir directamente el crisol al desecador, enfriarlo y pesarlo.
NORMA AOAC 920.46: CENIZAS INSOLUBLES EN ÁCIDO
A la ceniza obtenida del ensayo bajo la norma 942.05. adicionar ácido
clorhídrico 2,5 N.
Cubrir el crisol y calentarlo en un baño de agua durante un rango de 5 min.
Filtrar la solución resultante a través de un filtro libre de cenizas.
Lavar los residuos con agua caliente.
Retornar los residuos del papel filtro al crisol y calcinar la ceniza.
Calentar nuevamente con ácido, filtrar, lavar e incinerar los residuos.
Pesar las cenizas insolubles en ácido y registrar su valor.
Expresar el resultado en relación al contenido de pectina libre de humedad.
146
ANEXO X
MÉTODO DE VALORACIÓN ÁCIDO - BASE PARA ANÁLISIS DE
LAS PECTINAS
La determinación de las propiedades estructurales de la pectina se realizó en
función del método de Owens, el cual se describe en la Figura AXI.1 (Kanmani et
al., 2014, p. 305).
Figura AX. 1. Metodología de caracterización de la pectina del limón de la variedad Tahití
Solución 1:
5 g Pectina + 1 g Clorurosódico + 100 ml aguadestilada + rojo fenol
Titulación con sosa cáustica 0,1 N a la
solución 1
Solución 2:
Solución 1 titulada + 25ml (0,25 N NaOH )+ 30min
Solución 3:
Solución 2 + + 25 ml(0,25 N HCl) + rojofenol
Titulación de solución3 con 0,1 N NaOH
147
ANEXO XI
REGISTRO DE LAS CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES
ESTRUCTURALES DE LA PECTINA DEL LIMÓN TAHITÍ
Tabla AXI. 1. Registro de los datos de humedad
Muestra Pectina
inicial (g)
Pectina
final (g)
Humedad
(%)
1 2,2950 2,1646 5,6819
3 15,000 14,2099 5,2667
4 2,0801 1,9450 6,4949
5 3,5831 3,3817 5,6208
6 2,1633 2,0285 6,2312
PROMEDIO 5,86 ± 0,44
*Muestra 2 se evaluó a las condiciones de secado de 1,4 m/s y 50 ̊ C; condiciones diferentes a las óptimas por
lo que se descartó de la presente tabla
Tabla AXI. 2. Registro de los datos de cenizas
Muestra Pectina
(g)
Cenizas
(g)
Pectina sin
humedad (g)
Cenizas
(%)
1 3,1120 0,0407 2,9352 1,3866
3 2,5640 0,0263 2,4290 1,0828
4 2,3177 0,0252 2,1672 1,1628
5 2,6506 0,347 2,5016 1,3871
6 2,5744 0,0248 2,4140 1,0273
PROMEDIO 1,21 ± 0,15
148
Tabla AXI. 3. Peso de las muestras libre de humedad y cenizas
Muestra
Muestra
pectina (g)
Contenido de
agua (g) Contenido de
cenizas (g)
Pectina libre de
humedad y cenizas (g)
1 0,6260 0,0356 0,0005 0,5899
3 0,5750 0,0303 0,0003 0,5444
4 0,5679 0,0369 0,0004 0,5306
5 0,5457 0,0307 0,0004 0,5146
6 0,6059 0,0378 0,0004 0,5678
Tabla AXI. 4. Consumo de NaOH para la determinación de las propiedades estructurales
Tabla AXI. 5. Reporte de peso equivalente, metóxilos, ácido galacturónico y ET
Muestra
Peso
equivalente
(g/eq)
Metoxilos
(%)
Ácido
galacturonico
(%)
ET
(%)
1 2681,3636 2,89 22,97 71,43
3 2722,0000 3,87 28,45 77,27
4 2792,6316 2,57 20,90 69,84
5 2058,4000 4,94 36,60 76,64
6 2027,8571 3,49 28,52 69,57
Promedio 2456,4505 ±
339,4869 3,55 ± 0,83 27,49 ± 5,45 72,85 ± 3,20
Muestra
Titulación
solución 1 (mL
NaOH)
Titulación
solución 3
(mL NaOH)
1 2,2 5,5
3 2,0 6,8
4 1,9 4,4
5 2,5 8,2
6 2,8 6,4
149
ANEXO XII
DETERMINACIÓN DE LA PRODUCCIÓN A ESCALA PILOTO Y
SÍNTESIS DE CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DEL REACTOR PARA
LA HIDRÓLISIS
Para el diseño de los equipos: reactor de hidrólisis y el secador de la pectina gel,
inicialmente se definió la producción diaria, según los datos de la sección 1.2.8.
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 =194,18
4 𝑡 = 48,55
𝑡
𝑎ñ𝑜
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 48,55𝑡
𝑎ñ𝑜 𝑥
1 𝑎ñ𝑜
12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠= 4,05
𝑡
𝑚𝑒𝑠
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 = 4,05𝑡
𝑚𝑒𝑠𝑥
1 𝑚𝑒𝑠
20 𝑑í𝑎𝑠= 0.20
𝑡
𝑑í𝑎= 202,27
𝑘𝑔
𝑑í𝑎
La producción a escala piloto se consideró el 5 % de las importaciones.
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑜 = 5% 𝑥 202,27𝑘𝑔
𝑑í𝑎
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑎 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑜 = = 10,11 𝑘𝑔
𝑑𝑖𝑎 ≈ 10
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑑í𝑎
REACTOR PARA LA HIDRÓLISIS
Volumen Reactor Batch
Para la definición de su volumen se realizó el correspondiente balance de masa
de la protopectina (reactante) [AVIII.1], según el orden de la reacción previamente
determinado.
150
[𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎
𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎] − [
𝑆𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎
] − [𝐷𝑒𝑠𝑎𝑝𝑎𝑟𝑖𝑐𝑖ó𝑛
𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎] = [
𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎
] [AXIII.1]
− [𝐷𝑒𝑠𝑎𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎] = [
𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎
] [AXIII.2]
[𝐷𝑒𝑠𝑎𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎] = 𝑟𝑃𝑉 [AXIII.3]
[𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎] =
𝑑 𝑁𝑃
𝑑𝑡= − 𝑁𝑃𝑜
𝑑 𝑋𝑃
𝑑𝑡 [AXIII.4]
−𝑟𝑃𝑉 = 𝑁𝑃𝑜
𝑑 𝑋𝑃
𝑑𝑡 [AXIII.5]
𝑉𝑥 𝑡 = 𝑁𝑃𝑜 ∫𝑑 𝑋𝑃
−𝑟𝑃
𝑋𝑃
0
[AXIII.6]
𝑉 𝑥 𝑡 = 𝑁𝑃𝑜 ∫𝑑 𝑋𝑃
𝑘 𝐶𝑃
𝑋𝑃
0
[AXIII.7]
𝑉 𝑥 𝑡 =𝑁𝑃𝑜
𝑘 𝑥 𝐶𝑃𝑜∫
𝑑 𝑋𝑃
(1 − 𝑋𝑃)
𝑋𝑃
0
[AXIII.8]
𝑉 𝑥 𝑡 =𝑁𝑃𝑜
𝑘 𝑥 𝐶𝑃𝑜𝑥 ln (
1
1 − 𝑋𝑃) [AXIII.9]
𝑉 = 𝑁𝑃𝑜
𝑡 𝑥 𝑘 𝑥 𝐶𝑃𝑜𝑥 ln (
1
1 − 𝑋𝑃) [AXIII.10]
Donde:
NPo: contenido inicial de protopectina, (kg)
CPo: concentración inicial de la protopectina, (kg/L)
k: constante de la velocidad de reacción, (min-1)
V: volumen del reactor ocupado, (L)
Xp: conversión de la protopectina
151
t: tiempo, min
𝑉 =11,11 𝑘𝑔
80 min 𝑥 0,0286 𝑚𝑖𝑛−1 𝑥(0,008 𝑘𝑔𝐿 )
𝑥 ln (1
1 − 0,9)
𝑉 = 1397,60 𝐿 = 1,40 𝑚3
Además es imprescindible considerar los parámetros de la Tabla 3.4 definidos
como las condiciones óptimas de la reacción, por lo que según la relación entre la
materia prima y el disolvente también se definió el volumen de carga en el reactor.
Según el valor medio del rendimiento de la corteza en base seca del limón Tahití
reportado en la Figura 3.9, se define la cantidad de materia prima utilizar:
𝑚𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 = 10 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑥 100 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
14,49 𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎= 69,01 𝑘𝑔
Considerando la humedad de la corteza fresca del 80% se requiere:
𝑚𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎 = 69,01 𝑘𝑔
0,2= 345, 05 𝑘𝑔
Volumen del medio:
𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 á𝑐𝑖𝑑𝑜 = 3 𝑥 𝑚𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎 [AVIII.11]
𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 á𝑐𝑖𝑑𝑜 = 3 𝑥 345, 05 = 1035,15 𝐿
Para alcanzar un pH de 1,5 es necesario:
𝑉𝐻𝐶𝐿 37% = 1035,15 𝐿 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑥 0,008 𝐿𝐻𝐶𝑙 37%
1 𝐿 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 á𝑐𝑖𝑑𝑜= 8,28 𝐿𝐻𝐶𝑙 37%
152
𝑉𝐴𝑔𝑢𝑎 = 1 035,15 𝐿 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 á𝑐𝑖𝑑𝑜 − 8,28 𝐿𝐻𝐶𝑙 37% = 1 026,87 𝐿 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
Con ello se define un volumen total de carga al reactor de:
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1 035,15 𝐿 + 345, 05 𝑘𝑔 𝑥 1 𝐿
0,8435 kg = 1 444,22 𝐿 = 1,44 𝑚3
El volumen determinado mediante el balance de masa en el reactor y según la
relación corteza/solución son similares, sin embargo para el diseño se consideró
el volumen de 1,44 m3, definido mediante datos experimentales. Se establece la
operación de dos reactores en configuración paralelo, con un volumen de carga
por reactor de 722,11 L.
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 = 1 444,22 𝐿
2= 722,11 𝐿 = 0,72 𝑚3 𝑝𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟
La composición de la carga por cada reactor es de:
𝑚𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎 = 172,53 𝑘𝑔
𝑉𝐻𝐶𝐿 37% = 4,14 𝐿
𝑉𝐴𝑔𝑢𝑎 = 513,44 𝐿
De acuerdo a lo estipulado en el Apéndice B de la norma API 2350, para el
volumen nominal de tanques se sugiere el de 1,2 del volumen de llenado (API
2350, 2005, p. 18).
𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 = 1,2 𝑥 𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 [AVII.12]
𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 = 1,2 𝑥 722,11 𝐿 = 866,53 𝐿 = 0,87 𝑚3
La proporción entre las dimensiones típicas de tanques de producción señaladas
por Ahmed y Rahman (2012), oscilan entre 1,0 y 2,0 (p. 850); la relación de
diseño del reactor cilíndrico deberá encontrarse dentro de dicho rango.
153
Es importante que la base y la cabeza del reactor presenten una estructura curva
a fin de evitar aristas sin tráfico de flujo, así como la acumulación de residuos
(McCabe et al., 2007, p. 260); por ello se seleccionó su tipo de entre tres clases,
las cuales se muestran en la Tabla AXII.1.
Tabla AXII. 1. Clases de cabezas para tanques cilíndricos
(Megyesy, 2008, pp. 18-20)
Se seleccionó para el diseño el tipo 3 para las tapa y el fondo, ya que su costo es
menor respecto a las otras clases, su presión máxima de trabajo es de 15 bar y se
las diseña para equipos de con un radio entre 15 cm a 300 cm, convirtiéndose en
la de mayor demanda; se descartó la número 2 por ser de elevado costo y la 1
pues esta es preferible para tanques horizontales (Sinnott, 2005, p. 817; Bueno,
2014, p. 73).
Tipo Descripción Representación
1
Esfera y cabeza
hemisférica
2
Cabeza elipsoidal
2:1
3
Cabeza ASME bridada y
alabeada
154
Para el cálculo de las dimensiones del reactor se siguió el siguiente
procedimiento:
𝑉𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 = 𝑉𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 + 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 [AXII.13]
𝐻 = 1,5 𝐷 [AXII.14]
𝐻 = 1,5 𝑥 (2 𝑟) = 3 𝑟
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 𝑥 𝑟2𝑥 𝐻 [AXII.15]
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 𝑥 𝑟2𝑥 3 𝑟 = 3𝜋 𝑥 𝑟3 [AXII.16]
Se consideró que el volumen del cilindro representa el volumen de carga sin el
factor de seguridad.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 0,72 𝑚3
0,72 𝑚3 = 3𝜋 𝑥 𝑟3
𝑟 = 0,42 𝑚
𝐷 = 2 𝑥 0,42 𝑚 = 0,84 𝑚 𝑥 39,37 𝑖𝑛
1 𝑚= 33,07 𝑖𝑛
Con el valor del diámetro calculado se procedió a seleccionar el diámetro
existente para cabezas torriesféricas, además de su volumen; como se muestra
en la Figura AXII.1.
155
Figura AXII. 1. Volumen de cabezas torriesféricas
(Megyesy, 2008, p. 403)
Se seleccionó el diámetro aproximado al calculado que corresponde a 34 in (0,86
m), que comprende un volumen de cabeza de 1,88 pies3.
𝑉𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 1,88 𝑝𝑖𝑒𝑠3𝑥 (0,3048 𝑚)3
1 𝑝𝑖𝑒𝑠3 = 0,05 𝑚3
Sin embargo como el volumen del fondo es menor al de seguridad, se determinó
nuevamente el volumen del cilindro, mediante la diferencia del volumen nominal y
el volumen del fondo antes determinado.
𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 0,87 𝑚3 − 0,05 𝑚3 = 0,82 𝑚3
Con dicho valor de volumen del cilindro se calculó nuevamente la altura.
0,82 𝑚3 = 𝜋 𝑥 (0,86
2 𝑚)
2
𝑥 𝐻
𝐻 = 1,41 𝑚
156
La proporción entre las dimensiones del tanque es de:
𝐻
𝐷=
1,41
0,86= 1,6
Con una relación de 1,6 se definieron como adecuadas las dimensiones de 1,41
m de altura y 0,86 m de diámetro interno para el reactor.
Presión de diseño
Presión hidrostática
El contenido de la mezcla heterogénea en el reactor ejerce una presión
hidrostática sobre las paredes, por lo que se requiere determinar su valor y
considerarla dentro del término de la presión de diseño.
𝑃ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝜌𝑚 𝑥 𝑔 𝑥 𝐻 [AXII.17]
Densidad de la solución ácida:
𝜌𝑠 =8 𝑚𝐿𝐻𝐶𝑙 37% 𝑥 1,19
𝑔𝑚𝐿 + 992 𝑚𝐿 𝐻2𝑂 𝑥 0,999
𝑔𝑚𝐿
1 𝐿 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 1000,53
𝑔
𝐿
𝜌𝑠 = 1000,53 𝑘𝑔
𝑚3
Densidad de la suspensión (corteza-agua acidulada):
𝜌𝑚 =517,58 𝐿𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛𝑥 1 000,53
𝑘𝑔𝑚3 𝑥
1 𝑚3
103 𝐿+ 172,53 𝑘𝑔𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝑧𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎
722,11 𝐿
𝜌𝑚 = 956,07 𝑘𝑔
𝑚3
157
𝑃ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 956,07 𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 9,8
𝑚
𝑠2 𝑥 1,41 𝑚 = 13 210,98 𝑃𝑎
𝑃ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 13 210,98 𝑃𝑎 = 13,21 𝑘𝑃𝑎
Presión de vapor de la solución ácida a 75 ̊C
La presión de vapor de la solución se determinó como la presión de vapor del
agua a 75 ̊C, debido a que la solución se encuentra muy diluida como se distingue
con las fracciones molares.
𝑛𝐻𝐶𝑙 37% = 4,14 𝐿 𝑥 1,19
𝑔𝑚𝐿 𝑥
1 000 𝑚𝐿1 𝐿
36,5 𝑔
𝑚𝑜𝑙
= 134,98 𝑚𝑜𝑙
𝑛𝐴𝑔𝑢𝑎 = 513,44 𝐿 𝑥 0,999
𝑔𝑚𝐿 𝑥
1 000 𝑚𝐿1 𝐿
18 𝑔
𝑚𝑜𝑙
= 28 495,92 𝑚𝑜𝑙
𝑋𝐻𝐶𝑙 37% =𝑛
𝑛𝐻𝐶𝑙 37% + 𝑛𝐴𝑔𝑢𝑎=
134,98 𝑚𝑜𝑙
134,98 𝑚𝑜𝑙 + 28 495,92 𝑚𝑜𝑙 = 0,0047
𝑋𝐴𝑔𝑢𝑎 = 1 − 0,0047 = 0,9953
La presión de vapor del agua se determinó a la temperatura de 75 ̊C, siendo esta
de 289,49 mmHg.
𝑃𝑣𝑠 = 𝑃𝑣𝐻2𝑂 = 289,49 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑥 1 𝑎𝑡𝑚
760 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑥
1,0134 𝑥 105 𝑃𝑎
1 𝑎𝑡𝑚= 38 601,21 𝑃𝑎
𝑃𝑣𝑠 = = 38,60 𝑘𝑃𝑎
La presión total en el interior del tanque corresponde a la suma de la presión
hidrostática más la presión de vapor.
158
𝑃𝑇 = 𝑃ℎ + 𝑃𝑣𝑠 [AXIII.18]
𝑃𝑇 = 13,21 𝑘𝑃𝑎 + 38,60 𝑘𝑃𝑎 = 51,81 𝑘𝑃𝑎
Megyesy (2008), menciona que la presión para diseñar el reactor debe ser el
mayor valor entre la presión de trabajo multiplicada por un factor del 1,10 y 30 psi
(p. 15), a partir de lo cual se aceptaron los 30 psi ya que el valor obtenido de la
sumatoria de las presiones internas es menor al estipulado.
Espesor del fondo y tapa
Tanto el espesor del fondo, tapa y cuerpo del reactor deben presentar
correspondencia, por lo que se definió el espesor del fondo como el espesor de
todo el equipo, mediante la siguiente correlación [AVII.19] (Megyesy, 2008, p. 20)
según el tipo de fondo seleccionado:
𝑡 = 0,885 𝑥 𝑃 𝑥 𝐷
𝑆 𝑥 𝐸 − 0,1 𝑃 [AXII.19]
Donde:
t: Espesor, (in)
P: Presión de diseño, (psi)
S: Esfuerzo del material, (psi)
E: Eficiencia de la soldadura
D: Diámetro interno del reactor, (in)
Se consideró la soldadura a tope por doble cordón, con una eficiencia del 0,7
(Megyesy, 2008, p. 142).
El esfuerzo máximo del acero inoxidable es de 11 000 psi, a una temperatura
mayor a la de trabajo (> 75 ̊C) de 400 ̊F (Megyesy, 2008, p. 160).
𝑡 = 0,885 𝑥 30 𝑝𝑠𝑖 𝑥 34 𝑖𝑛
11 000 𝑝𝑠𝑖 𝑥 0,7 − 0,1 𝑥 30 𝑝𝑠𝑖= 0,12 𝑖𝑛 = 2,98 𝑚𝑚 ≈ 3 𝑚𝑚
159
Se debe considerar por lo menos una duración del equipo de 8 a 10 años, por tal
razón se le añade su ipy, es decir su consumo por año debido a la corrosión, para
cual se seleccionó la velocidad a condiciones extremas, de 1,5 mm/y, como se
muestra en la Figura AXIII.2.
Figura AXII. 2. Velocidad de pérdida por corrosión
(Sinnott, 2005, p. 817)
𝑖𝑝𝑦 = 1,5 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜 𝑥 10 𝑎ñ𝑜𝑠 = 15 𝑚𝑚
𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 = 3 𝑚𝑚 + 15 𝑚𝑚 = 18 𝑚𝑚 = 0.71 𝑖𝑛
Considerando el valor del espesor calculado y el diámetro del equipo de 0,71 in y
34 in respectivamente, se seleccionó la cabeza estándar comercializada por Steel
Company (Megyesy, 2008, pp. 324-326), cuyas características dimensionales se
presentan en la Tabla AXII.2.
Tabla AXII. 2. Dimensiones de la cabeza estándar para un diámetro de 34 in
Componentes Cantidad
Diámetro (in) 34,00
Espesor (in) ¾
Radio de curvatura (in) 2,250
Profundidad (in) 6,063
(Megyesy E., 2008, pp. 324-326)
De esta manera se define el espesor del equipo de ¾ in.
160
Agitador
La carga en el reactor debe mantenerse en constante agitación durante los 80
min, por lo que se diseñará un agitador de paletas, que proporcionará un flujo
radial y tangencial.
El impulsor se diseñó considerando las relaciones geométricas establecidas por
McCabe et al. (2007) y Singh y Heldman (2009), definidas en relación al diámetro
del reactor y la altura de llenado de la alimentación, como se distingue en las
Figura AXII.3.
Figura AXII. 3. Relaciones entre las dimensiones del reactor y agitador (McCabe et al., 2007, p. 262; Singh y Heldman, 2009, p. 711)
Donde:
C: Altura del agitador respecto al punto base del cuerpo cilíndrico, (m)
D: Diámetro interno del reactor, (m)
H: Altura de llenado del reactor, (m)
Da: Diámetro del impulsor, (m)
Para la aplicación de las proporciones de la Figura AXII.3, se determinó la altura
de llenado; es decir, aquella que ocupa el agua acidulada y corteza del limón
Tahití.
𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 0,72 𝑚3 − 0,05 𝑚3 = 0,67 𝑚3
161
0,67 𝑚3 = 𝜋 𝑥 (0,86
2 𝑚)
2
𝑥 𝐻𝐶
𝐻𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1,15 𝑚
Aplicando las correlaciones de la Figura AXIII.3.
𝐶 =1,15 𝑚
3= 0,38 𝑚 = 38,33 𝑐𝑚
𝐷𝑎 =0, 86 𝑚
3= 0,29 𝑚 = 28,67 𝑐𝑚
Además para definir el ancho y longitud de las paletas existen correlaciones
según el diámetro del reactor, como se distinguen en la Figura AXII.4.
Figura AXII. 4. Relaciones de las dimensiones del agitador (McCabe et al., 2007, p. 262; Singh y Heldman, 2009, p. 711)
Aplicando las correlaciones de la Figura AXII.4.
𝑑 =2 (38,33 𝑐𝑚)
3= 25,55 𝑐𝑚
𝐿 =38,33 𝑐𝑚
4= 9,58 𝑐𝑚
𝑊 =38,33 𝑐𝑚
5= 7,67 𝑐𝑚
162
Potencia del impulsor
Su cálculo se basó en la relación definida por (McCabe et al., 2007, p. 277),
descrita en la ecuación [AXII.20].
Se determinó el Reynolds, con 250 rpm, valor considerado de acuerdo al rango de
operación de este tipo de agitador industrial de entre 30 a 500 rpm (Ahmed y
Rahman, 2012, p. 841).
𝑅𝑒 = 𝐷𝑎
2 𝑛 𝜌𝑚
𝜇𝑚 [AXII.20]
𝑅𝑒 = (0,29 𝑚)2 𝑥 250
𝑟𝑒𝑣𝑚𝑖𝑛 𝑥
1 𝑚𝑖𝑛60 𝑠 𝑥 956,07
𝑘𝑔𝑚3
93 𝑐𝑝 𝑥1 𝑝
100 𝑐𝑝 𝑥 0,1 𝑃𝑎 𝑠
1 𝑝
= 3602,39 ≈ 3 𝑥 103
Según la correspondencia en la curva de la turbina de disco con el Re obtenido se
determinó un Np de 5,5.
Figura AXII. 5. Comportamiento del número de potencia. (McCabe et al., 2007, p. 275)
163
𝑃 = 𝑁𝑝 𝑛3𝐷𝑎5𝜌𝑚 [AXII.18]
Donde:
P: Potencia, (kW)
Np: Número de potencia
N: Velocidad de agitación, (rev/s)
Da: Diámetro del agitador, (m)
ρm: Densidad de la suspensión, (kg/m3)
𝑃 = 5,5 𝑥 (250
60 )
3
𝑥 (28,67
100)
5
𝑥 956,07 = 736,81𝑊 = 0,74 𝑘𝑊
𝑃 = 0,74 𝑘𝑊 𝑥 1 𝐻𝑃
0,746 𝑘𝑊= 0,99 𝐻𝑃 ≈ 1 𝐻𝑃
Para el motor del agitador se diseña la potencia con un factor del 15% superior
(De la Morena, 2013, p. 62).
𝑃 = 1,15 𝑥 1 𝐻𝑃 = 1,15 𝐻𝑃 ≈ 1,20 𝐻𝑃
164
ANEXO XIII
SÍNTESIS DE CÁLCULOS PARA EL DISEÑO SECADOR DE
PECTINA A ESCALA PILOTO
Cantidad de pectina gel a secar
Considerando los datos de humedad de la Tabla 3.13 se determinó la masa de
pectina a alimentar al secador para la producción a escala piloto. Se consideró
que el producto alcanza una humedad del 10 % en base húmeda.
𝐻𝑓 = 10 %
𝑋𝑓 =0,10
1 − 0,10= 0,1111
𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
𝑋𝑜 = 30,8086 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
Mediante la aplicación de la ecuación [AXIII.1] se determinó el peso de la pectina
seca de la producción a escala piloto.
𝑋 =(𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎)
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 [AXIII.1]
0,1111 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎=
10 𝑘𝑔 − 𝑃𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
𝑃𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
𝑃𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 = 9,00 𝑘𝑔
La alimentación con una humedad de 30,8086 kg de agua/ kg de pectina seca
corresponde a:
165
𝑃𝑔𝑒𝑙 − 9,00𝑘𝑔
9,00 𝑘𝑔= 30,8086
𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
𝑃𝑔𝑒𝑙 = 286,28 𝑘𝑔
Tiempo de deshidratación de la alimentación hasta la humedad de diseño
Considerando el comportamiento del equipo de laboratorio similar al de escala
piloto, se definió el tiempo de deshidratación hasta el 10%, para lo cual se
aplicaron las integrales de la ecuación [AXIII.2] según la etapa de secado: ante y
postcrítica.
𝜃 =𝑆
𝐴∫
𝑑𝑋
𝑊
𝑋𝑖
𝑋𝑓
[AXIII.2]
Periodo antecrítico
𝜃𝑎𝑛 =𝑆
𝐴
𝑋𝑜 − 𝑋𝑐
𝑊𝑐 [AXIII.3]
𝜃𝑎𝑛 =0,01421 𝑘𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
0.0456 𝑚2
(30,8086 − 11,8731 )𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
1,3527 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
ℎ 𝑚2
𝜃𝑎𝑛 = 4.36 ℎ
Periodo poscrítico
En dicha etapa se consideró la ecuación de linealización [3.6].
𝜃𝑝𝑠 =𝑆
𝐴 ∫
𝑑𝑋
0,1041 𝑋 + 0,1167 [AXIII.4]
𝑋𝑐
𝑋𝑓
166
𝜃𝑝𝑠 =𝑆
𝐴 𝑥 9,60615 𝑥 ln(
𝑋𝑐 + 1,12104
𝑋𝑓 + 1,12104)
𝜃𝑝𝑠 =0,01421 𝑘𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
0.0456 𝑚2 𝑥 9 ,60615 𝑥 ln (
11,8731 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 + 1,12104
0,1111 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎+ 1,12104
)
𝜃𝑝𝑠 = 7,05 ℎ
El tiempo total de secado hasta alcanzar 10 % de humedad es de:
𝜃 = 4,36 ℎ + 7,05 ℎ = 11,41 ℎ
Cantidad de agua a retirar
𝐿 = 𝑆 (𝑋𝑖 − 𝑋𝑓) [AXII.5]
𝐿 = 9 𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 (30,8086 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎− 0,1111
𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎)
𝐿 = 276,28 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
Área requerida
El área requerida para el secado se determinó mediante la sumatoria de las
expresiones [AXIII.3] y [AXIII.4].
𝜃 =𝑆
𝐴 [
𝑋𝑜 − 𝑋𝑐
𝑊𝑐+ 9,60615 𝑥 ln (
𝑋𝑐 + 1,12104
𝑋𝑓 + 1,12104)] [AXIII.6]
𝐴 =𝑆
𝜃 [
𝑋𝑜 − 𝑋𝑐
𝑊𝑐+ 9,60615 𝑥 ln (
𝑋𝑐 + 1,12104
𝑋𝑓 + 1,12104)] [AXIII.7]
167
𝐴 =9 𝑘𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
11,41 ℎ (
(30,8086 − 11,8731 )𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜
1,3527 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
ℎ 𝑚2
+ 9,60615 𝑥 ln (11,8731
𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
+ 1,12104
0,1111 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎+ 1,12104
))
Á𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 = 28,89 𝑚2
Se consideró un factor de sobredimensionamiento del 10% (Sinnott, 2005, p. 13).
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 1,1 𝑥 28,89 𝑚2 = 31,78 𝑚2
McCabe et al. (2007), señala como típico bandejas de 75 a 80 cm de ancho (p.
854); considerando dichas dimensiones se propuso unas bandejas de 75 cm x 65
cm. El espesor de cada bandeja es de 2 cm y el espacio entre ellas de 4 cm.
Á𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎 = 0,75 𝑥 0,65 = 0,49 𝑚2
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 =Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
Á𝑟𝑒𝑎 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 31,78 𝑚2
(0,75 𝑥 0,65) 𝑚2= 65,19 ≈ 66 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑏𝑎𝑠𝑡𝑖𝑑𝑜𝑟 =66
2= 33 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠
Estructura del carro
Para definir el la estructura metálica del carro compuesto por dos bastidores se
determinó la utilización de:
168
Perfiles cuadrados para la estructura principal.
Figura AXIII. 1. Especificaciones de los perfiles de acero inoxidable
(Acerosotero, 2015, p. 40)
Se colocarán perfiles de forma vertical un número de 6, donde 4 de ellos se
colocarán al extremo del carro, con una dimensión de 20 mm y 2 de ellos en la
división entre bastidores, con un diámetro mayor de 50 mm.
Ángulos cuadrados de 30 mm de ancho para la el soporte de las bandejas,
que al requerir 33, se utilizarán 132 ángulos.
Figura AXIII. 2. Especificaciones de los ángulos de acero inoxidable (Acerosotero, 2015, p. 40)
169
Cabe mencionar que dichas selección se basó en las dimensiones típicas en
bastidores, las cuales se verificaron en carros de bandejas y secadores de la
Planta Piloto de Alimentos.
Ruedas giratorias
El carro debe ser movible para su transporte, es por ello que se seleccionaron las
ruedas más apropiadas considerando el peso tanto de la alimentación como de la
estructura metálica. Para ello se consideró la densidad del acero inoxidable 304
de 7800 kg/m3 (Megyesy, 2008, p. 360).
Peso de perfiles en posición vertical:
𝑃𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙𝑒𝑠𝑉 = 7800𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 [4 (20 𝑚𝑚 𝑥 20 𝑚𝑚 − 17 𝑚𝑚 𝑥 17 𝑚𝑚)(33𝑥 60 𝑚𝑚)
+ 2 ((50 𝑚𝑚 𝑥 50 𝑚𝑚 − 47 𝑚𝑚 𝑥 47 𝑚𝑚)(33𝑥 60 𝑚𝑚))] 𝑥 (10−3 𝑚)3
(1 𝑚𝑚)3
𝑃𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙𝑒𝑠𝑉 = 15,85 𝑘𝑔
Peso de perfiles en posición horizontal:
𝑃𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙𝑒𝑠𝐻 = 7800𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 [4 (20 𝑚𝑚 𝑥 20 𝑚𝑚
− 17 𝑚𝑚 𝑥 17 𝑚𝑚) 1590 𝑚𝑚] 𝑥 (10−3 𝑚)3
(1 𝑚𝑚)3
𝑃𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙𝑒𝑠𝐻 = 5,51 𝑘𝑔
Peso de ángulos:
𝑃á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠 = 7800𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 [132 (30 𝑚𝑚 𝑥 1,5 𝑚𝑚 + 30 𝑚𝑚 𝑥 1,5 𝑚𝑚)(650
+ 20 𝑚𝑚)] 𝑥 (10−3 𝑚)3
(1 𝑚𝑚)3
170
𝑃á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠 = 62,08 𝑘𝑔
Peso estructura:
𝑃𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 = 𝑃𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙𝑒𝑠𝑉 + 𝑃𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙𝑒𝑠𝐻 + 𝑃á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠
𝑃𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 = 15,85 𝑘𝑔 + 5,51 𝑘𝑔 + 62,08 𝑘𝑔 = 83,44 𝑘𝑔
Peso de bandejas:
𝑃𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 7800𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 33[ (2 𝑥 650 𝑚𝑚 𝑥 1,5 𝑚𝑚 𝑥 20 𝑚𝑚 )
+ (2 𝑥 750 𝑚𝑚 𝑥 1,5 𝑚𝑚 𝑥 20 𝑚𝑚 )
+ (750 𝑚𝑚 𝑥 650 𝑚𝑚 𝑥 1,5 𝑚𝑚 )] 𝑥 (10−3 𝑚)3
(1 𝑚𝑚)3
𝑃𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 = 209,85 𝑘𝑔
Peso a soportar las ruedas:
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 𝑃𝑔𝑒𝑙 + 𝑃𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 + 𝑃𝑏𝑎𝑛𝑑𝑒𝑗𝑎𝑠 [AXIII.8]
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 286,28 𝑘𝑔 + 83,44 𝑘𝑔 + 209,85 𝑘𝑔 = 579,57 𝑘𝑔
Considerando la capacidad de carga de la rueda y su condición térmica de
trabajo, cuyas características se exponen en la Figura AXIII.3 se definió un
número de 4, las mismas que serán colocas en los vértices de la estructura.
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎
[AXIII.9]
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 = 579,57 𝑘𝑔
160 𝑘𝑔
171
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 = 3,62 ≈ 4
Figura AXIII. 3. Especificaciones de ruedas giratorias (M&S Equipamientos, 2006, p. 1)
De esta manera se definen las dimensiones de la estructura de metálica portadora
de pectina.
𝐿𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 0,02 + 0,75 + 0,05 + 0,75 + 0,02 = 1,59 𝑚
𝐻𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 0,02 + 33 𝑥 0,06 + 0,02 + 0,128 = 2,15 𝑚
𝐴𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 0,02 + 0,65 + 0,02 = 0,69 𝑚
Se considera cierto espacio libre para facilitar la entrada del armario con las
bandejas, la base se encontrará a nivel del suelo. Las dimensiones de cámara de
secado son:
𝐿𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 = 1,75 𝑚
𝐻𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 = 2,30 𝑚
𝐴𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 = 0,85 𝑚
172
Aislamiento térmico
𝑄𝑝= 𝑇𝑜𝑝 − 𝑇𝑠
𝑅𝑙=
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
𝑅𝑠 [AXIII.10]
Donde:
Qp: Calor que se disipa, (btu/h pie2)
Rl: Resistencia por conducción de la lana de vidrio, (h pie2 °F/btu)
Rs: Resistencia de la superficie para aire inmóvil, (h pie2 °F/btu)
Ts: Temperatura de la superficie, (°F)
Top: Temperatura caliente de operación del equipo, (°F)
Ta: Temperatura del ambiente, (°F)
𝑅𝑙= 𝑅𝑠 𝑥 𝑇𝑜𝑝 − 𝑇𝑎
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
𝑡𝑒𝑞
𝑘= 𝑅𝑠 𝑥
𝑇𝑜𝑝 − 𝑇𝑎
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
𝑡𝑒𝑞 = 𝑘 𝑥 𝑅𝑠 𝑥 𝑇𝑜𝑝 − 𝑇𝑎
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎 [AXIII.11]
Se considera la temperatura de la superficie externa mayor hasta 5 °C a la
ambiental.
𝑇𝑎 = 18 °𝐶 = 64,4 °𝐹
𝑇𝑠 = 18 + 4 = 22 °𝐶 = 71,6 °𝐹
𝑇𝑚 = 𝑇𝑜𝑝 + 𝑇𝑠
2=
50 + 22
2= 36°𝐶 = 96,8 °𝐹
Según la temperatura media se determinó el valor de la conductividad térmica del
aislante (Silowash, 2010, p. 148), que corresponde a:
173
𝐾96,8 °𝐹 = 0,235𝑏𝑡𝑢 𝑖𝑛
ℎ 𝑝𝑖𝑒𝑠2 °𝐹
Considerando la diferencia entre la temperatura superficial y de operación o
caliente (0 a 5 °C), velocidad del aire (nula) y la emisión de la superficie (Acero
inoxidable 0,4) se seleccionó el valor de Rs (Silowash, 2010, p. 148).
𝑅𝑠 = 0,81ℎ 𝑝𝑖𝑒𝑠2 °𝐹
𝑏𝑡𝑢
Reemplazando la ecuación [AXIII.11]
𝑡𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 = 0,235𝑏𝑡𝑢 𝑖𝑛
ℎ 𝑝𝑖𝑒𝑠2 °𝐹 𝑥 0,81
ℎ 𝑝𝑖𝑒𝑠2 °𝐹
𝑏𝑡𝑢 𝑥
122 − 64,4
71,6 − 64,4 = 1,50 𝑖𝑛
VENTILADOR
Mediante el correspondiente balance de masa para la deshidratación de 286,28
kg de coloide, se definió el flujo de aire necesario:
𝐺𝑎 (𝑌𝑠 − 𝑌𝑒) = 𝑃𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎(𝑋𝑜 − 𝑋𝑓) [AXIII.12]
Donde:
Ga: flujo de aire, (m3/h)
Ye: humedad el aire a la entrada, (kg de agua/kg de aire seco)
Ys: humedad del aire a la salida, (kg de agua/kg de aire seco)
Ppectina seca: peso de pectina seco, (kg)
Xo: humedad inicial de la pectina, (kg de agua/kg de pectina seca)
Xf: humedad final de la pectina, (kg de agua/kg de pectina seca)
174
𝐺𝑎 (0,0176 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜− 0,0136
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜)
=9 𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
11,41 ℎ(30,8086
𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎
− 0,1111 𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑝𝑒𝑐𝑡𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎)
𝐺𝑎 = 6 053,41 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
ℎ
𝐺𝑎 = 6 053,41 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
ℎ 𝑥 1,18
𝑚3
𝑘𝑔= 7 143,02
𝑚3
ℎ
Propiedades del aire
Mediante la disposición de un termómetro de bulbo seco y de bulbo húmedo en el
dámper de entrada y salida del aire en el deshidratador de bandejas durante la
experimentación, se midieron sus condiciones. En la Tabla AXIII.1 se presentan
las condiciones térmicas de entrada y salida del aire para secado de la pectina
húmeda.
Tabla AXIII. 1. Condiciones térmicas de entrada y salida del aire
Temperatura Condiciones de Entrada Condiciones de salida
Temperatura de bulbo
seco
68,0 °F / 20,0 °C 118,0 °F / 47,8 °C
Temperatura de bulbo
húmedo
60,0 °F / 15,6 °C 76,0 °F / 24,4 °C
Con las condiciones de la Tabla AXIII.1 en la carta psicométrica a nivel de Quito
de 2800 msnm, se determinó la cantidad de agua por aire seco, las cuales se
presentan en la Tabla AXIII.2.
175
Tabla AXIII. 2. Condiciones de humedad del aire para la deshidratación de pectina
Condición kg agua/ kg aire seco
Entrada 0,0136
Salida 0,0176
El volumen específico a la entrada se definió mediante la ecuación AXIII.13.
𝑉𝑒 = (1
𝑀𝑔+
𝑌𝑒
𝑀𝑣)
𝑅𝑇
𝑃 [AXIII.13]
Donde:
Ve: Volumen especifico a la entrada, (m3/kg)
Mg: Peso molecular del aire, (kg/kgmol)
Mv: Peso molecular del vapor de agua, (kg/kgmol)
T: Temperatura de entrada del aire, (K)
Ye: Contenido de humedad a la entrada, (kg de agua/kg de aire seco)
P: Presión al nivel de Quito, (atm)
R: Constante universal de los gases, (m3 atm/kgmol K)
𝑉𝑒 = (1
28,8 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙
+0,0136
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜
18 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙
)0,082
𝑚3 𝑎𝑡𝑚𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 °𝐾
(20 + 273 𝐾)
0,72 𝑎𝑡𝑚
𝑉𝑒 = 1,18𝑚3
𝑘𝑔
𝜌𝑒 =1
𝑉𝑒 [AXIII.14]
𝜌𝑒 =1
𝑉𝑒=
1
1,18= 0,85
𝑘𝑔
𝑚3
176
Presión de diseño
Para la presión estática se consideró el extremo superior en el rango de diseño
para casos en el que no existen ductos, la cual se presenta en la Figura AXIII.6.
Figura AXIII. 4. Rangos de diseño para la presión estática
(GREENHECK, 2010, p. 17)
𝑃𝑠 = 0,20 𝑖𝑛𝑐𝑎 = 5,08 𝑚𝑚𝑐𝑎
Se seleccionó una boca de captación tipo cabina de autoregulable para su
posición en el equipo. Dicha ventilación centralizada se aplica para el ingreso del
aire necesario para la deshidratación, sus pérdidas por presión se definieron
mediante la presión dinámica.
Figura AXIII. 5. Característica de la boca de captación de aire para el secado
(Escoda, 2014, p. 32)
Mediante la velocidad se estableció la presión en sentido del flujo del aire
(Escoda, 2014, p. 38):
𝑃𝑑 = 𝜌𝑒 𝑥 𝑣 2
2 [AXIII.15]
177
Donde:
Pd: Presión dinámica, mmca
𝑃𝑑 = 0,85 𝑘𝑔
𝑚3 𝑥
(1,8𝑚𝑠 )
2
2
𝑃𝑑 = 1,37 𝑃𝑎 𝑥 1 𝑖𝑛𝑐𝑎
249,1 𝑃𝑎 𝑥
25,4 𝑚𝑚𝑐𝑎
1 𝑖𝑛𝑐𝑎 = 0,14 𝑚𝑚𝑐𝑎
Perdidas por fricción
El ventilador debe vencer las pérdidas de carga, es decir la fricción producida al
atravesar el aire por la boca y cabina del secador. Para el cálculo de las pérdidas
por fricción de la boca se utilizó el mecanismo del factor n (Escoda, 2014, p. 56),
el cual se basa en la ecuación [AXIII.16].
𝑃𝑐 = 𝑛 𝑥 𝑃𝑑 [AXIII.16]
Donde:
Pc: pérdida de carga, (mmca)
n: factor de pérdidas de cargas
El factor n para la boca seleccionada corresponde a 1,25, como se fundamenta
por (Escoda, 2014, p. 59).
𝑃𝑐𝑏𝑜𝑐𝑎 = 1,25 𝑥 0,14 𝑚𝑚𝑐𝑎 = 0,18 𝑚𝑚𝑐𝑎
Las pérdidas por fricción según la longitud de corriente de flujo de aire en la
cabina:
ℎ𝑓 = 𝑓 𝑥𝐿
𝐷𝑒 𝑥
𝑣2
2 𝑔 [AXIII.17]
178
Donde:
hf: Pérdidas por fricción, (mca)
f: Factor de fricción de Darcy
v: velocidad del aire, (m/s)
De: Diámetro equivalente de la cámara de secado, (m)
G: Gravedad, (m2/s)
𝐷𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 =2 (2,30 𝑥 1,75)
2,30 + 1,75= 1,99 𝑚
𝑅𝑒 =𝑣 𝑥 𝐷𝑒
𝜇 [AXIII.18]
𝑅𝑒 =1,8
𝑚𝑠 𝑥 1,99 𝑚
1,79 𝑥 10−5 𝑚2/𝑠= 200 111,73 = 2 𝑥 105
є
𝐷𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒=
0,045 𝑚𝑚
1 990 𝑚𝑚= 0,00002
Donde:
Є/Dequivalente: Rugosidad relativa
Mediante la ubicación en el diagrama de Moddy del Re y la relación entre el
diámetro y la rugosidad del acero, se determinó un factor inicial de Darcy, a partir
del cual se ejecutó la iteración en la ecuación [AXIII.19] para cumplir con dicha
igualdad.
1
√𝑓= −2 log (
є/𝐷𝑒𝑞
3,7+
2,51
𝑅𝑒 √𝑓 ) [AXIII.19]
Considerando la igualdad de la ecuación [AXIII.19] se determinó un factor de
0,0158.
179
ℎ𝑓 = 0,0158 𝑥1,75 𝑚
1,99 𝑚 𝑥
(1,8𝑚𝑠 )2
2 (9,8𝑚𝑠2)
= 0,0023 𝑚𝑐𝑎
ℎ𝑓 = 2,30 𝑚𝑚𝑐𝑎
La sumatoria de la presión dinámica, estática y las pérdidas generadas en la
cabina:
𝑃𝑇 = 0,14 + 5,08 + 0,18 + 2,30 = 7,70 𝑚𝑚𝑐𝑎
Según los parámetros antes determinados se seleccionó el ventilador:
Figura AXIII. 6. Parámetros del ventilador axial (OTAM, 2011, p. 7)
180
Figura AXIII. 7. Dimensiones del ventilador axial
(OTAM, 2011, p. 10)
181
REQUERIMIENTO ENERGÉTICO
Para determinar el requerimiento energético de la cámara de secado se evaluó el
calor mediante transmisión por convección según la expresión [AXIII.20], se
consideró un área de secado de 31,78 m2 (Ahmed y Rahman, 2012, p. 518).
𝑄 = ℎ 𝐴𝑠𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜 (𝑇 − 𝑇𝑓) [AXIII.20]
Donde:
Q: calor requerido para el secado, (kcal/h)
h: coeficiente de convección, (kcal/m2 h °C)
T: temperatura de bulbo seco del aire, (°C)
Tf: temperatura de bulbo húmedo del aire, (°C)
Considerando la dirección del aire se definió el coeficiente de convección según la
expresión [AXII.21].
ℎ = 0,0175 𝐺0,8 [AXIII.21]
𝐺 = (6053,41 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒/ℎ
0,712 𝑚 𝑥 1,75 𝑚 ) = 4 858,27
𝑘𝑔
𝑚2ℎ
Aplicando la ecuación AXIII.21.
ℎ = 0,0175 𝑥 4858,270,8 = 15,57𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑚2ℎ °𝐶
Aplicando la ecuación AXIII.20:
𝑄 = 15,57𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑚2ℎ °𝐶 𝑥 31,78 𝑚2 𝑥 (47,8 °𝐶 − 24,4 °𝐶)
𝑄 = 11 578,66𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ 𝑥
1 𝑊
0,86𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ
= 13 463,56 𝑊 = 13,46 𝑘𝑊
182
Además el calor necesario para calentar el alimento:
𝑄𝑔𝑒𝑙 = 𝑚𝑔𝑒𝑙 𝑥 𝐶𝑝𝑔𝑒𝑙 𝑥 ∆𝑇 [AXIII.22]
𝑄𝑔𝑒𝑙 = 286,28 𝑘𝑔 𝑥 4,18 𝑘𝐽
𝑘𝑔 ̊𝐶 𝑥 (50 °𝐶 − 15 °𝐶) = 41 882,76 𝑘𝐽
𝑄𝑔𝑒𝑙 = 41882,76 𝑘𝐽 𝑥 1 𝑘𝑐𝑎𝑙
4,18 𝑘𝐽= 10 019,80 𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑄𝑔𝑒𝑙 =10 019,80
11,41 𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ 𝑥
1 𝑊
0,86𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ
= 1 021,12 𝑊 = 1,02 𝑘𝑊
Energía total:
𝑄 = 1,10 𝑥 (13,46 𝑘𝑊 + 1,02 𝑘𝑊) = 15,93 𝑘𝑊
Se seleccionaron resistencias con aletas de 40 mm de ancho y de 1 055 mm de
longitud; de la cuales se requieren aproximadamente 5 para generar el calor
necesario. Las resistencias se ubicaran de forma horizontal, cuya longitud es
adecuada a la longitud de la cámara de 2,30 m.
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 =15,93 𝐾𝑊
3500 𝑊
𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑥 1 𝐾𝑊
1000 𝑊
= 4,55 ≈ 5 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠
Figura AXIII. 8. Especificaciones de resistencias con aletas (RCI, 2015, p. 1)
183
ANEXO XIV
DEMANDA ENERGÉTICA DE LOS PRINCIPALES EQUIPOS
DESCRITOS EN EL PFD DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN A
ESCALA PILOTO
CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Clasificadora de frutos
Para la selección de la clasificadora CR-101 de limones se consideraron los
siguientes parámetros:
Capacidad real = 991,64 kg
Capacidad nominal = 1,2 Carga real: 1 189,97 kg
Diámetro del limón = 6,04 ± 0,17 cm
Peso unitario del limón = 69,7225 ± 3,8830 g
Catálogo: Ficha A
GENERALIDADES
Tipo: Clasificadora tipo rodillos
36-2
Marca: JERSA
Material: Acero inoxidable 304
Capacidad: 1500 kg/h
Diámetro de selección: 2 o 5, de
11 a 160 mm
Rodillos: cédula 40 ¼ in
Potencia: 1 HP
Alimentación:: 220 a 440 V
DIMENSIONES:
(JERSA, 2015, p.1)
184
Lavadora de frutos
Para la selección del equipo de lavado por inmersión LV-102 se consideraron los
siguientes parámetros:
Carga real = 989,65 kg
Carga nominal = 1,2 Carga real: 1 187,58 kg
Catálogo: Ficha B
GENERALIDADES
Marca: IMARCA C.A.
Material: Acero inoxidable 304
Capacidad: 1200 A 1500 kg
Energía:
Bomba de aire: 3,75 kW
Bomba de ciclo: 3 kW
Correa: 0,37 kW
Alimentación: 220 V
Presión bomba (máxima): 36 kPa
DIMENSIONES:
Largo (cm) Ancho (cm) Altura (cm)
340 116 148
(IMARCA, 2015)
Cortadora y picadora
Para la selección del equipo pelador y picador de la piel de los limones PC-103 se
consideraron los siguientes parámetros:
Carga real = 987,67 kg
Capacidad nominal =1,2 Carga real: 1 185,20 kg → 16 999,48 limones
Peso unitario del limón = 69,7225 ± 3,8830 g
Diámetro del limón = 6,04 ± 0,17 cm
185
Catálogo: Ficha C
GENERALIDADES
Fabricante: WUXI KAAE
Material: Acero inoxidable 304
Capacidad: 80 a 100
unidades/min
Diámetro fruto: 4 a 10 cm
Peso fruto: 40 a 120 g
Espesor de corteza: 0,5 a 3 mm
Potencia: 2,18 kW
Alimentación: 220 V
DIMENSIONES:
Largo (cm) Ancho (cm) Altura (cm)
220 220 190
(KAAE, 2015)
Lavadora de corteza
Para la selección de la lavadora para la corteza escaldada se consideraron los
siguientes parámetros:
Carga real= 345,74 kg
Carga nominal = 1,2 Carga real: 414,89 kg
Considerando que la carga nominal se encuentra dentro del rango presentado por
equipo LV-102 de 1 200 a 1 500 kg/h se establece reutilizar dicho equipo para
este proceso.
186
Molino
Para la selección del equipo MC-305 se consideraron los siguientes parámetros:
Capacidad real = 10 kg
Capacidad nominal= 1,2 Capacidad real: 12 kg
Diámetro de alimentación= 100 mm
Diámetro producto= 250 um
Mediante ecuación de Bond AXIV.1 se determinó la energía para triturar la pectina
hasta 250 um, considerando los tamaños de alimentación y producto. Se estimó
un Wi de 0,25 KWh/t (Badmus, Raji y Akinoso, 2013, p. 160).
𝑃
𝑚= 10 ∗ 𝑊𝑖 ∗ (
1
√𝑋𝑝−
1
√𝑋𝑎) [AXIV.1]
Donde:
P: Energía de molienda, (kW)
m: Cantidad de alimentación, (t/h)
Wi: Índice de trabajo, (kWh/t)
Xp: Tamaño del producto, (mm)
Xa: Tamaño de la alimentación, (mm)
𝑃 = 10 ∗ 0,012 𝑡
0,25 ℎ∗ 0,25
𝑘𝑊ℎ
𝑡∗ (
1
√0.25−
1
√100)
𝑃 = 0, 23 𝑘𝑊 𝑥 1 𝐻𝑃
0,746 𝑘𝑊= 0,31 𝐻𝑃
𝑃 = 0,31 𝐻𝑃
187
Catálogo: Ficha D
GENERALIDADES
Fabricante: COR-MEX
Material: Acero al carbono
Boca: 150 x 155 mm
Potencia: 3 HP
Número de cuchillas: 4
Capacidad: 30 a 60 kg de
alimentación
Diámetro producto: 0,22 a 0,50 um
DIMENSIONES:
Longitud (cm) Altura (cm)
107 117
(CORMEX, 2015)
Tabla AXIV. 1. Detalle del consumo de energía de los equipos requeridos para generación
de 2400 kg/año de pectina
Equipo Potencia
(kW)
Tiempo de
operación (h)
Consumo
eléctrico
(KW h)
CR-101 1,34 0,79 1,06
LV-101 7,12 1,34 9,54
PC-103 2,18 2,83 6,17
RE-201/RE-202 3,22 1,50 4,83
SB-304 15,93 11,41 181,76
MC-305 3,00 0,40 1,20
TOTAL 204,56
188
CONSUMO DE VAPOR
Caldero
Para la selección del caldero se consideró el consumo de vapor definido en la
Figura 3.27, obtenido mediante el balance energético durante los procesos de
escaldado y extracción que requieren calentamiento indirecto con vapor.
𝑚𝑣𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 𝑚𝑣𝐸𝑆𝐶𝐴𝐿𝐷𝐴𝐷𝑂 + 𝑚𝑣𝐸𝑋𝑇𝑅𝐴𝐶𝐶𝐼Ó𝑁
𝑚𝑣𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 152,47 𝑘𝑔 + 159,64 𝑘𝑔 = 312,11𝑘𝑔
𝑑í𝑎
Se definió el tiempo de operación del caldero en el día, que involucra el tiempo
requerido por los equipos de inactivación de las enzimas de la corteza y de
extracción.
Tiempo operación del RE-201 para la extracción
Tiempo de calentamiento de la solución previo a la reacción de hidrólisis:
𝜃𝑐𝑒𝑥𝑡 = − 𝑚𝑠 𝐶𝑝𝑠
𝑈 𝐴ln (
𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑐
𝑇𝑠𝑎𝑡 − 𝑇𝑜) [AXIV.2]
Donde:
θcextracción: Tiempo requerido para el para elevar la temperatura de la solución
ácida previo a la extracción, (s)
ms: Cantidad de la solución ácida, (kg)
Cps: Capacidad calorífica de la solución, (kJ/kg °C)
U: Coeficiente de transferencia de calor, (W/ m2 °C)
A: Área de transferencia, (m2)
Tsat: Temperatura de saturación del vapor a 150 psi
Tc: Temperatura que se desea alcanzar, (°C)
To: Temperatura inicial de la solución, (°C)
189
Propiedades del vapor
Presión: 150 psi
Temperatura: 181,62 °C
Calor latente: 2009,2 J/g
Área de transferencia:
𝐴 = 2 𝜋 𝑟𝐻 = 2 𝜋 (0,86
2 𝑚) 𝑥 1,41 𝑚 = 3,81 𝑚2
Coeficiente de transferencia de calor:
Figura AVIII.4. Rangos del coeficiente de transferencia de calor para calentamiento con
chaqueta (Sinnott, 2005, p. 638)
𝜃𝑐𝑒𝑥𝑡 = − 517,85 𝑘𝑔 𝑥 4,18
𝑘𝐽𝑘𝑔 ̊𝐶
𝑥 103 𝐽1 𝑘𝐽
500 𝑊
𝑚2 ̊𝐶 𝑥 3,81 𝑚2
ln (181,62 − 75
181,62 − 18)
𝜃𝑐𝑒𝑥𝑡 = 486,64 𝑠 𝑥 1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠= 8,11 ≈ 9 𝑚𝑖𝑛
𝜃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑒𝑥𝑡 = 9 min + 80 min = 89 𝑚𝑖𝑛
Tiempo operación del ME-104 para escaldado
El tiempo de calentamiento de la solución previo al escaldado, se definió mediante
la ecuación [AXIV.2] aplicada para el caso de extracción, con la diferencia en la
190
alimentación y el área de transferencia, para lo cual se selección de catálogo el
equipo.
Marmita
Para la selección de la marmita ME-104 requerida para el proceso de escaldado
se consideraron los siguientes parámetros:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 346,43 𝑘𝑔 𝑥 1 𝐿
0,8435 kg 𝑥
1 𝑚3
1 000 𝐿+ 692,17 𝑘𝑔 𝑥
𝑚3
999 𝑘𝑔= 1,10 𝑚3
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 1,2 𝑥 1,10 𝑚3 = 1,32 𝑚 𝑚3
𝑃𝑟𝑒𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 150 𝑝𝑠𝑖
Catálogo: Ficha E
GENERALIDADES
Fabricante: LEE-INDUSTRIES
Material: Acero inoxidable 304
Capacidad: 1,5 m3
Fuente de calentamiento: línea
de vapor
Presión de vapor: desde 30 psi
Sección interna: Canasta
semiesférica con agujeros
DIMENSIONES:
A (cm) B (cm) C (cm) D (cm) E (cm) F (cm)
137 107 178 52 2,54 12,7
(LEE INDUSTRIES, 2015)
191
Área de transferencia:
𝐴 = 2 𝜋 𝑟𝐻 = 2 𝜋 (1,37
2 𝑚) 𝑥 1,07 𝑚 = 4,61 𝑚2
Aplicando la ecuación [AXIV.2].
𝜃𝑐𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑑𝑜 = − 692,17
𝑘𝑔𝑚3 𝑥 4,18
𝑘𝐽𝑘𝑔 ̊𝐶
𝑥 103 𝐽1 𝑘𝐽
500 𝑊
𝑚2 ̊𝐶 𝑥 4,6 𝑚2
ln (181,62 − 75
181,62 − 18)
𝜃𝑐𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑑𝑜 = 489,71 𝑠 𝑥 1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠= 8,17 ≈ 9 𝑚𝑖𝑛
𝜃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑑𝑜 = 9 min + 10 min = 19 𝑚𝑖𝑛
Tiempo de operación de caldero:
𝜃𝐶𝐴𝐿𝐷𝐸𝑅𝑂 = 𝜃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑒𝑥𝑡 + 𝜃𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑑𝑜 = 108𝑚𝑖𝑛
𝑑í𝑎
Potencia del caldero
𝑃𝑜𝑡𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑜 = 312,11𝑘𝑔
𝑑í𝑎 𝑥 2009,2
kJ
kg 𝑥
𝑑í𝑎
108 𝑚𝑖𝑛 𝑥
60 𝑚𝑖𝑛
1 ℎ 𝑥
1 𝑏𝑡𝑢
1,055 𝑘𝐽𝑥
1 𝐵𝐻𝑃
33475𝑏𝑡𝑢
ℎ
𝑃𝑜𝑡𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑜 = 9,86 𝐵𝐻𝑃
𝑃𝑜𝑡𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑟𝑜 = 11,84 𝐵𝐻𝑃
Consumo de combustible (diésel)
𝑚𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 =𝑚𝑣𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 𝑥 𝜆𝑣
𝑃𝑐𝑎𝑙ó𝑟𝑖𝑐𝑜 [AXIV.3]
192
𝑚𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 =312,11
𝑘𝑔𝑑í𝑎
𝑥 2009,2kJkg
10 100𝑘𝑐𝑎𝑙𝑘𝑔
𝑥 4,18 𝑘𝐽1 𝑘𝑐𝑎𝑙
= 14,85𝑘𝑔
𝑑í𝑎
𝑉𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 14,85𝑘𝑔
𝑑í𝑎 𝑥
𝐿
0,85 𝑘𝑔= 17,47
𝐿
𝑑í𝑎
193
Catálogo: Ficha F
GENERALIDADES
Fabricante: ATTSU
Material: Acero al carbono
(ATTSU, 2015)
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