NOCIONES FUNDAMENTALES DE LAS OPERACIONES EN LA INDUSTRIA DE LOS ALIMENTOS

Las operaciones unitarias y procesos unitariosToda industria, no importa su tamaño, tiene transformaciones de orden físico y/o químico, aún en actividades no industriales, se tienen procesos de una u otra índole que implican siempre un cambio.Cada industria en particular, tiene una serie de operaciones características que pueden tomarse cada una como una unidad, por ejemplo, la industria del acero, la petrolera, la de plásticos, la manufacturera de chocolates, etc., En la industria del alcohol, la adecuación de las materias primas puede tomarse como una unidad de operación, la agregación de la levadura al mosto constituye una segunda operación, una tercera lo es la fermentación del mosto y la destilación del mosto fermentado será otra operación muy similar. La agregación de la levadura es una operación que se presenta en la industria de vinos, en la elaboración de pan, en la fabricación de cerveza. La destilación es común en la industria petrolera, en la obtención de aceites comestibles, en la purificación de aromas y sabores artificiales, en la obtención de solventes, entre otras. Existen pues, infinidad de procesos y muchos de ellos tienen operaciones comunes y técnicas comunes, basados en principios científicos.El concepto de operación unitaria nace de la integración de operaciones comunes en la industria.El hecho que un proceso industrial contenga una serie coordinada de operaciones separadas y que el mejor método de analizar y entender el proceso es analizar y comprender así mismo esas operaciones, constituye la base del presente estudio.El concepto o definición formal de la Operación Unitaria dice:“El arte de pulverizar, evaporar, filtrar, destilar y otras operaciones constantemente ejecutadas en trabajos químicos se ha desarrollado suficientemente como para constituirse en un tema muy importante, dentro de las ciencias especiales”.“Cualquier proceso químico, en cualquier escala a que tenga lugar, puede ser ejecutado en una serie coordinada de aquellas operaciones que pueden ser llamadas operaciones unitarias, como pulverización, secamiento, tostación, cristalización, filtración, evaporación, electrólisis y otras".El número de estas operaciones básicas no es tan grande y relativamente pocas de ellas están involucradas en cualquier proceso en particular. La complejidad de la Ingeniería Química resulta de la gran variedad de condiciones tales como presión, temperatura, concentración, etc., bajo las cuales se llevan a cabo las operaciones unitarias en los diferentes procesos y de las limitaciones tales como materiales de construcción y diseño de aparatos impuestos por el carácter físicoquímico de las sustancias reactantes’.Las operaciones unitarias son en esencia de carácter físico y ellas se ajustan a las leyes básicas de la física que se aplican a las demás ramas de la Ingeniería.Las operaciones unitarias generalmente se aplican a procesos en los cuales se requiere un adecuado conocimiento de la química para entender su significado.La teoría de las operaciones unitarias se fundamenta en leyes bien conocidas, pero debe tenerse una adecuada interpretación en términos prácticos para el diseño, fabricación, operación y mantenimiento de los equipos usados en los procesos.

Todo técnico, tecnólogo e ingeniero relacionado con la transformación de las materias primas Debe tener la habilidad de operar las plantas en forma eficiente, segura y económica paraprocesar materiales y obtener un producto con las características exigidas por el consumidor. En consecuencia requiere sólidos conocimientos teóricos y una adecuada preparación, objetivamente práctica, lograda en los laboratorios y plantas pilotos.Con la mención de procesos y operaciones, debe tenerse una definición adecuada y profunda de ellos. Los proceso básicos en las industrias químicas y de alimentos, se constituyen en las reacciones químicas mínimas necesarias para obtener productos de características muy diferentes, partiendo de materias primas adecuadas y se denominan Procesos unitarios. Las operaciones básicas involucradas en el manejo de los procesos y que realmente se constituyen en los cambios físicos necesarios, se llaman Operaciones unitarias. Entonces se puede decir que una operación unitaria en la fabricación de un alimento es todo tratamiento físico al cual se somete una materia prima de un alimento sin que sufra una transformación en sus propiedades químicas, y bioquímicas, pero si pueden sufrir transformaciones físicas y organolépticas. Las operaciones unitarias en la industria de alimentos son de carácter físico y por lo tanto se ajustan a las leyes de la física.Procesos unitarios. Involucra las reacciones químicas mínimas necesarias para obtener productos con características muy diferentes a las materias primas utilizadas para obtenerlos.Con pocas excepciones, el punto clave de toda planta, donde se tienen proceso unitario, es el reactor donde ocurre el cambio químico de los reactantes a los productos. En general, todo equipo, excepto el reactor, se emplea para generar cambios físicos; sea en las materias primas o en los productos Lo anterior nos lleva a concluir que, en la mayoría de los procesos, existen tres etapas o fases:

La primera antes que los reactantes ingresen al reactor y que comprende las operaciones de adecuación o alistamiento de las materias primas

la segunda comprende la reacción propiamente dicha la tercera la refinación del producto, eliminando o separando

subproductos.

Las características de un proceso unitario, como se aplica en la industria de alimentos pueden resumirse así:1. Cada proceso unitario determina una reacción específica dentro de un grupo de varias reacciones.2. Frecuentemente la planta se divide en zonas destinadas a un proceso unitario específico para varios productos, por ejemplo, la fermentación de lácteos, necesaria para la obtención de kumis, yogurt, entre otros, se constituye en un proceso unitario.3. En la elaboración de diversos productos se tiene una relación muy estrecha entre el equipo empleado y el proceso unitario. Para la fermentación de lácteos se emplean tanques en aceroinoxidable con dispositivos de control para mantener niveles adecuados de temperatura, dispositivos para llenar y desocupar el tanque y medios de extracción del gas producido en la fermentación; tanques de este mismo tipo se emplean en la fermentación de mosto en la industria cervecera.

4. Dentro de un mismo proceso unitario, el equipo puede ser convenientemente empleado para procesar diferentes productos. El uso múltiple de equipo, se facilita bajo un adecuado acondicionamiento del proceso dado. Por ejemplo, en la industria de pasabocas, los freidores sirven tanto para papa como para plátano, chicharrón, etc., teniendo en cuenta las temperaturas y tiempos adecuados para cada proceso.5. El conocimiento de la clasificación de los procesos unitarios, así como el dominio de los principios que los rigen, permiten la selección o adaptación del proceso indicado para un nuevo producto.6. El diseño de equipo se facilita enormemente, más por el conocimiento generalizado del proceso unitario que por la reacción considerada separadamente. La experiencia indica que un buen número de reacciones consideradas bajo un proceso unitario son una excelente guía para el conocimiento y manejo de otra nueva reacción similar.Sin embargo no se debe confundir procesos de elaboración de productos con procesos unitarios.Ya que un proceso de elaboración implica la integración de diferentes operaciones unitarias y de los procesos unitarios que intervienen en la obtención de un determinado producto.A continuación se presenta una lista de los principales procesos unitarios y operaciones unitarias que se presentan en las industrias de alimentos.

Tabla 7. Procesos unitarios y operaciones unitarias en la industria de alimentos

En la industria de alimentos se presentan otros procesos unitarios ya muy específicos como escaldado, cocción, freído y tostado.

En seguida, se describirán brevemente, cada operación unitaria, ya que es objeto básico del estudio para el adecuado análisis de cada una de ellas.

Flujo de fluidos Lo constituye el transporte y manejo de fluidos como tales, entendiéndose por fluidos a los gases y líquidos. En algunos procesos intervienen sólidos relativamente finos que se comportan como fluidos y se estudian como tales.

Transferencia de calor El flujo de calor que causa calentamiento o enfriamiento o cambio de fase, constituye el fundamento de esta operación.

Filtración Separación de sólidos suspendidos en líquidos, por medios filtrantes.

Tamizado Separación de fracciones de sólidos por tamaños, empleando mallas metálicas trenzadas.

Cristalización Formación de cristales de sólidos en soluciones saturadas, por evaporación o inoculación de un cristal.

Extracción por cristalización Separación de sólidos que cristalizan, de soluciones en la que existen varios solutos.Centrifugación Separación de sólidos finos suspendidos en líquidos, por acción de la fuerza centrífuga; separación de líquidos no miscibles.

Reducción de tamaño (molienda) . La molienda , pulverización y el corte son ejemplos de esta operación de reducción de sólidos gruesos, empleando medios mecánicos.

Aumento de tamaño o aglomeración Incremento de volúmenes de sólidos finos por aglomeración mecánica (compactación).Manejo de materiales Es quizás la única operación que se tiene en todo proceso industrial y consiste, como su nombre lo indica, en el transporte y almacenamiento de sustancias en cualquier estado.Clasificación .- Es la separación de materiales sólidos por tamaños. En alimentos es la separación de productos de acuerdo a una o más características físicas como color, tamaño, forma, peso o biológicas como grado de madurez.

Mezclado. Combinación de dos o más sustancias sean sólidos, líquidos o gases.

Sedimentación. Separación de sólidos en líquidos de menor densidad.

Fluidización. Suspensión de sólidos insolubles, finamente divididos, en gases o líquidos

Lixiviación. Separación de sustancias solubles en otras insolubles por acción de líquidos solventes.

Adsorción. Separación de gases en la que uno ellos es removido por un líquido

Absorción. Separación de gases en el que uno de ellos es removido por un sólido.

Extracción liquido-sólido . Separación de sólidos por acción de un liquido solvente

Extracción líquido-líquido.- Separación de líquidos por un tercero soluble con uno de ellos

Evaporación.- Concentración de soluciones por cambio de fase del solvente a vapor.

Secado. Disminución de humedad en sólidos y gases, por evaporación del agua, en el primer caso y por adsorción del vapor de agua, en el segundo.

Destilación. Separación de dos o más líquidos por evaporación, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada uno de ellos.

Sublimación (liofilización). Eliminación de la humedad de sólidos, por sublimación del agua contenida.

Humidificación.- Dispersión de una fase líquida en fase gaseosa o en fase sólida.

Osmosis. Extracción de líquidos a través de membramas semipermeables.

Osmodeshidratación.- Deshidratación de frutas y vegetales por medio de azúcares osales afines con los alimentos.

Todo proceso y toda operación implica un cambio o transformación que en términos ingenieriles recibe el nombre de transferencia. Las operaciones unitarias se fundamentan en: la transferencia de momentun, de masa y de calor en forma individual o concurrente, van acompañadas de cambios en niveles de energías mecánicas o térmicas, estas últimas mensurables por las entalpías físicas.

La transferencia de Momentum produce cambios en la ubicación del material o cambios en la forma o tamaño.

La transferencia de masa establece flujo de masa de una fase a otra. Debe recordarse que fase es un sistema termodinámico con propiedades homogéneas

La transferencia de calor permite el flujo de calor de zonas de un cuerpo o cuerpos de alta temperatura a zonas o cuerpos de baja temperatura Toda operación unitaria implica un cambio y requiere de una fuerza conductora que rige el fenómeno y a la vez esta fuerza conductora vence la resistencia o inercia que ofrecen los elementos o sustancias que participan en la operación.

DIAGRAMAS DE FLUJO EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

Son gráficas o esquemas que representan la secuencia coordinada de los procesos y operaciones unitarias, aplicadas en la transformación de las materias primas de los alimentos para obtener productos finales y subproductos.Los diagramas de flujo también pueden representar los equipos en forma simbólica que se utilizan en cada una de las operaciones unitarias que intervienen en un proceso de alimentos.También permite identificar las cantidades transferidas de masa y energía en cada una de las etapas del proceso.

Clasificación de los diagramas de FlujoLos diagramas de flujo se pueden clasificar de dos formas:De acuerdo a la información suministrada pueden ser: cualitativos, cuantitativos y combinados.

Los diagramas cualitativos, representan el flujo de las diferentes operaciones, los equipos y las variables como temperatura, tiempo, presión, entre otras que intervienen en cada etapa de un proceso de producción de un alimento por ejemplo los diagramas de flujo presentados para los procesos de elaboración del yogurt

Los diagramas cuantitativos indican las cantidades de los materiales que entran y salen en cada etapa del proceso, hasta llegar al producto final y subproductos, estos diagramas son de gran utilidad para visualizar la entrada y

salida de materiales en un proceso de industrialización de un alimento, por lo tanto son de gran ayuda para realizar el respectivo balance de materia. Este tipo de diagrama se observará en el curso de Balance de Materia y Energía.

Diagrama de flujo combinado: Representan tanto el flujo de operaciones, de los materiales, como las cantidades de esos materiales, las variables o puntos críticos, aparatos de control e instrumentos de medidas y los equipos en forma simbólica, que intervienen en cada etapa del proceso de fabricación de un alimento.

De acuerdo a la profundidad de la información suministrada en: diagrama elemental simbólico general y simbólico específico.

El diagrama elemental, es el que generalmente se representan por bloques o rectángulos seguidos de flechas. En el interior de cada bloque se escribe la operación o proceso que interviene en cada etapa de fabricación de un alimento, pero, no se adiciona ninguna otra información. Es decir en este diagrama describe o representa en forma global todo el proceso de elaboración del producto.

DIAGRAMA SIMBÓLICO GENERAL

Representa los equipos utilizados en las operaciones de un proceso de fabricación de un alimento en forma de símbolos estándares que permiten interpretar de una forma fácil y ágil cada una de las operaciones que ocurren. No incluyen información sobre el tamaño de los equipos, ni cantidad de las materias primas, en proceso o servicios. Estos diagramas son muy didácticos porque permiten una mayor comprensión de las operaciones que suceden en forma secuencial en todo el proceso.

Diagrama simbólico específico: además de los elementos del diagrama simbólico general, se incluye la capacidad de producción o tamaño de cada equipo en particular, áreas de la producción actual y también el área proyectada para expansión de la producción, así como los servicios en proceso

( agua, vapor aire). Este diagrama es de gran utilidad para realizar el diseño de un planta procesadora de alimentos.

FUNDAMENTOS CIENTÍFICOS DE LAS OPERACIONES EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

Las bases que se requieren para el estudio y comprensión de las operaciones unitarias son los conocimientos de la física y la química, basados en las leyes fundamentales de estas y otras ciencias similares. Ya en detalle, el técnico, tecnólogo e ingeniero debe estar capacitado para especificar equipos que manejen las cantidades apropiadas de materias primas y productos. Detallar los requerimientos de los servicios (energía, agua, vapor, etc.) en las formas específicas y en las tasas de consumo dadas. Establecer las normas de proceso acordes a las propiedades físico-químicas de las materias primas y a las características del producto. Establecer las normas de control de calidad, tanto para materias primas como para materiales de proceso y productos terminados.

Lograr la mayor eficiencia de los equipos, traduciéndose esto en menores costos y mayor rentabilidad del proceso. En ocasiones el ingeniero enfoca su interés en predecir o evaluar resultados de una pieza, parte o equipo dentro de la industria.Otras veces el objetivo es diseñar el equipo y esto se constituye en la etapa final de un problema.

El técnico, tecnólogo e ingeniero puede cumplir sus objetivos partiendo de los procesos unitarios, operacionesunitarias y de las características, tanto de los materiales que va a transformar como de los equipos a usar. Requiere, por lo tanto, de un adecuado conocimiento de la física y de la química, además de sólidos y muy fundamentados conocimientos de matemáticas.

Las operaciones unitarias constituyen las mejores guías para la operación y diseño de plantas industriales, pero es mediante la observación y el análisis

que se pueden identificar e interpretarlas diferentes operaciones unitarias y procesos unitarios, que se involucran en un proceso de fabricación de un alimento Cuatro conceptos son el fundamento para los cálculos en todas las operaciones. Ellos son:

BALANCE DE MATERIALES

Basado en el principio de conservación de la materia: la masa total para todos los materiales que entran en una operación es igual al total de todos los materiales que salen de la misma, más la masa de los materiales retenidos o acumulados en la operación.En las operaciones continuas, el material usualmente no se acumula en la operación y el balance de materia consiste simplemente en cargar o debitar la operación con todo el material que entra y descargar todo el material que sale, en forma similar a como se hace en una contabilidad.El técnico, tecnólogo e ingeniero debe emplear unidades consistentes, sean de masa, volumen, etc. En gran número de procesos debe emplearse moles de los compuestos (como unidad de masa) pues ello facilita el manejo del proceso unitario. El balance de materiales puede hacerse para la planta entera o para cualquier parte de ella, tomándola como unidad, dependiendo del problema en si. Para efecto de cálculos, es conveniente tomar una base o cantidad fija de material que entra o sale de una operación, dicha cantidad se denomina “base de cálculo”

BALANCE DE ENERGÍA

En forma similar puede hacerse un balance de energía para toda la planta o para una operación unitaria. Puede determinarse la energía necesaria para llevar a cabo la operación o para mantener las condiciones dadas de operación. El principio del balance de energía es tan importante como el del balance de materiales y se usa de la misma forma. Como se menciona anteriormente las entalpías físicas y químicas siempre acompañan a los procesos y operaciones unitarias sin embargo en algunas de ellas los cambios energéticos en forma de calor son tan pequeños e imperceptibles, que no se determinan o calculan. En el campo de aplicación de las ingenierías químicas y de alimentos los cambios energéticos relevantes son los de calor y en esto se fundamentan los Balances de Energía; circunstancialmente se manejan cargas eléctricas, que pueden ser involucradas a los balances de energía, como la generación de calor por medios eléctricos ( resistencias eléctricas, medios dieléctricos, hornos microondas, etc.) . Para establecer demandas de servicio de energía eléctrica,

se determinan cargas eléctricas y se establecen los respectivos balances de energía eléctrica.