Planta a de Vegetales y Hortalizas

UNIVERSIDAD AUTNOMA METROPOLITANAUNIDAD IZTAPALAPA

PLANTA DESHIDRATADORA DE VEGETALES Y HORTALIZAS

CAMARILLO VILLEGAS ALEJANDRA ZAMORA CRDENAS ANA MARA

ASESOR: DR. MARIO G. VIZCARRA MENDOZA

INDICE 1. Planteamiento del problema 2. Objetivos 2. 1. Objetivo general 2.2. Objetivos particulares 3. Justificacin 4. Introduccin 4. 1. Efecto de tas propiedades del alimento en la deshidratacin 4.1.1. Endurecimiento superficial 4.1.2. Movimiento de slidos solubles 4.1.3. Retraccin 4.2. Procesos alternativos 4.3. Procesos preliminares 4.3.1. Recepcin de hortalizas 4.3.2. Acarreo 4.3.3. Limpieza en seco 4.3.4. Lavado 4.3.5. Inspeccin 4.3.6. Recorte 4.3.7. Petado, 4.3.7.1 Mtodos mecnicos 4.3.7.2. Agua caliente 4.3.8. Eliminacin de la piel 4.3.9. Corte en lminas o en forma de cubos 4.3. 10. Escaldado 4.3.10.1. Escaldado con vapor 4.3.10.2. Prdida de nutrientes durante el escaldado Estudio de mercado Rentabilidad del proyecto Ubicacin de la planta 7. 1. Clima 7.2. Vas de comunicacin 7.3. Carreteras 7.4. Vas frreas 7. S. Aeropuertos 7.6. Telefona Teora de secado de slidos 8. 1. Secado 8.2. Teora general 8.2.1 Curvas de velocidad de secado 8.2.1.1. Conversin de los datos a curvas de velocidad de secado 8.2.1.2. Grfica de la curva de velocidad de secado 8.2.1.2. 1. Perodo inicial 8.2.1.2.2. Perodo de secado constante 8.2.1.2.3. Periodo de secado decreciente 8.2.2. Equipo de secado 1 1 1 1 1 2 3 3 3 5 6 6 6 6 7 8 8 8 8 9 9 9 10 10 10 11 13 16 16 17 17 17 18 18 19 19 19 19 19 20 20 20 21 21

5. 6. 7.

8.

8.2.2.1 Secador de charolas 8.2.2.2. Secador de lecho fluidizado 8.3. Balances de materia 8.3. 1. Balances de materia para el secador de charolas 8.3.2. Balances de materia para el secador de lecho fluidizado 8.4. Balances de energa 8.4. 1. Balances de energa para el secador de charolas y secador de lecho fluidizado 9. 1. Propiedades de (os vegetales y hortalizas 9. 1. 1. Propiedades fsicas de los vegetales 9.2. Operaciones preliminares 9.2. 1. Secador de charolas 9.2.2. Secador de techo fluidizado 9.3. Metodologa experimental 9.3. 1. Secador de charolas 9.3.2. Lecho fluidizado 9.3.3. Rehidratacin 10. Resultados 10. 1. Secador de charolas 10. 1. 1. Balance de materia y energa 10.2. Secador de lecho fluidizado 10. 2. 1. Balances de materia y energa 10.3. Rehidratacin 11. Clculos de los balances de materia y energa 11. 1. Balances de materia para el secador de lecho fluidizado 11.2. Balances de masa en el secador de charolas 11. 3. Balance de energa en el secador de charolas y lecho fluidizado 12. Produccin anual de sopas deshidratadas 13. Diagrama de la planta 13.1. Diseo del proceso 13.2. Diseo del los equipos 13.2.1. Diseo de charolas 13.2.2. Diseo del secador de charolas 13.3. Diseo de la bomba utilizada en el proceso 13.4. Diseo de la caldera 13.5. Diseo de los tanques de escaldado 13.6. Diseo de bandas transportadoras Observaciones y conclusiones Nomenclatura Bibliografa Apndices A. Curvas caractersticas del secador de charolas A. 1.curvas de velocidad de secado en funcin del tiempo A.2.curvas de velocidad de secado en funcin de la humedad en base seca

21 22 23 23 23 24 24 25 26 26 27 27 27 27 27 28 28 28 32 32 35 36 36 38 43 45 46 46 50 52 53 54 55 56 61 62 63

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A.3. Tablas de la temperatura de slido en el secador de charolas A.4. Curvas de T vs X 8. Curvas caractersticas del secador de techo fluidizado B. 1.Curvas de velocidad de secado en funcin del tiempo B.2. Curvas de velocidad de secado en funcin de la humedad en base seca B.3.Tablas de la temperatura del slido en el techo fluidizado B.4. Curva de T vs X C. Balance econmico C. l. Depreciacin del equipo utilizado en la planta C.2. Costos de depreciacin del mobiliario C.3. Gastos indirectos de fabricacin C.4. Costos de produccin C.S. Salarios C.6. Tasa interna de retorno C.7. Distribucin del capital D. Prdida de vitaminas y minerales D. 1.prdida de vitaminas y minerales en tos alimentos procesados D.2. La manipulacin previa a los procesos D.3. Interaccin con sustancias qumicas utilizadas en tos tratamientos tecnolgicos D.4. Reacciones degradativas D.5. Procesos tecnolgicos D. 5. 1. Vitaminas hidrosolubtes D.5.2. Vitaminas tiposolubtes D.5.3. Minerales D.6. Prdida de vitaminas durante el almacenamiento D.7. Adicin de nutrientes a tos alimentos E. Seguridad en la planta E. l. Hojas de seguridad E. 1. 1. Agua E. 1 -2. Bisulfito de sodio E. 1 .3. Gas licuado del petrleo E.2. Reglas de seguridad establecidas para empleados E-3. Condiciones de seguridad para el manejo de calderas E.4. Programa especfico de seguridad para la operacin y mantenimiento de la maquinaria y equipo

70 75 77 79 80 83 85 86 87 87 88 89 90 92 92 92 93 93 93 95 95 96 96 98 98 99 101 104 104 104


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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La vida moderna se ha caracterizado por, entre otras cosas, imponer un ritmo de vida muy acelerado a las gentes que viven sobretodo en las ciudades grandes; ya que tanto el hombre como la mujer, normalmente tienen que trabajar. Esto ha modificado de manera importante los hbitos alimenticios, que se caracterizan por consumir preferentemente alimentos de fcil y rpida preparacin, precocidos, etc. Entre estos alimentos, las sopas deshidratadas, rpidas de preparar, han cobrado un lugar cada vez ms importante, entre este tipo de alimentos. En base a esto, un estudio orientado a la produccin de sopas deshidratadas, se justifica ampliamente. 2.OBJETIVOS 2.1 Objetivo general: Diseo de una planta deshidratadora de legumbres y hortalizas (sopas). 2.2 Objetivos particulares: Estudio de mercado (nacional) Obtencin de datos experimentales necesarios para el diseo Experimentacin Balances de materia y energa Anlisis econmico y rentabilidad de proceso Proyeccin econmica a 10 aos Ubicacin de la Planta Layout de la planta Seguridad de la planta

3. JUSTIFICACIN El desarrollo vertiginoso de[ mundo moderno y la constante emigracin de las gentes del campo a los centros industrializados, hace necesario incrementar la eficiencia en la conservacin de los alimentos perecederos y sobretodo, es necesario tener capacidad de tratamiento rpido y de grandes volmenes, para as garantizar la alimentacin de la humanidad en el futuro. Adems de esto, la tendencia en los hbitos alimenticios de la humanidad, apunta ms a ingesta de alimentos que sean fciles y rpidos de preparar. Indiscutiblemente, las sopas deshidratadas son de los productos con mayor demanda en los pases con mediano y alto desarrollo, debido ala facilidad con que son preparados para su consumo. En Mxico, este mercado puede considerarse en expansin, sobre todo en (as grandes ciudades.


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4. INTRODUCCIN En un mundo cuya poblacin esta creciendo a ritmo acelerado constantemente y donde los problemas de transporte y almacenamiento de los alimentos se van haciendo cada vez ms importantes demanda una atencin mayor, donde la ciencia y la tecnologa en las practicas de almacenamiento de alimentos se mejoren cada da. Los nuevos productos alimenticios requieren de procesos cada vez ms elaborados en su conservacin, por lo que aumenta la responsabilidad que desde la produccin hasta el consumo se asegure de tener una prdida econmica mnima as como la eliminacin de peligros para la salud del hombre debidos a contaminacin, descomposicin o destruccin. La deshidratacin es una manera de preservar a los alimentos. La preservacin de alimentos puede definirse como el conjunto de tratamientos que prolonga la vida til de aquellos, manteniendo, en el mayor grado posible, sus atributos de calidad, incluyendo color, textura, sabor y especialmente valor nutritivo. El principio bsico en el cual se fundamenta la deshidratacin es que a niveles bajos de humedad, la actividad de agua disminuye a niveles a los cuales no pueden desarrollarse los microorganismos, ni las reacciones qumicas degradativas. En general, hortalizas con menos de 8% de humedad residual no son sustratos favorables para el desarrollo de hongos, bacterias ni reacciones qumicas o bioqumicas de importancia. El tiempo de secado y la humedad final del producto, dependern de la localizacin del secador, de las condiciones climticas del lugar y de las caractersticas del producto, secndose ms rpido el material trozado en pequeas porciones y con una mayor superficie de secado. 4.1. Efecto de las propiedades del alimento en la deshidratacin. Los factores fsicos que afectan a la transferencia de calor y de masa como temperatura, humedad, velocidad del aire, rea de superficie, etc. son normalmente relativamente fciles de optimizar y controlar y por lo general determinan el diseo del desecador. Son muchos ms sutiles las propiedades de los productos alimenticios que pueden variar durante la deshidratacin y afectar a las velocidades de desecacin y a la calidad del producto final. En la deshidratacin, las propiedades de los materiales alimenticios crudos afectan tanto a la transferencia de calor como a la de masa, y ambas pueden tener efectos importantes en las caractersticas de los productos desecados. El agua sale libremente de una superficie cuando su presin de vapor es mayor que la presin de vapor de la atmsfera que est sobre ella. Pero cuando un producto se deseca y su agua libre se elimina progresivamente, la presin de vapor de la unidad de rea del producto desciende. Esto se debe a que es menor el agua que queda por unidad de volumen y por unidad de rea, y tambin porque parte del agua es retenida o ligada por fuerzas qumicas y fsicas a los constituyentes slidos del alimento. El agua que forma los geles, coloidales, como cuando hay almidn, pectinas o gomas, es ms difcil de eliminar y apenas presentan perodo de velocidad constante. A un es ms difcil de evaporar el agua ligada qumicamente en forma de hidratos (por Ej. , Glucosa monohidrato o hidratos de sales inorgnicas). Por otra parte los tejidos vegetales y animales son de naturaleza celular, lo que condiciona el proceso de deshidratacin.


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Estos fenmenos tambin contribuyen al aplanamiento con el tiempo de las curvas de deshidratacin. La transferencia de vapor de agua es proporcional a la superficie de exposicin durante el perodo de velocidades decreciente. Por lo tanto, es importante tener en cuenta las dimensiones de las partculas del alimento que se va a tratar para conseguir una adecuada regulacin con su sensibilidad trmica y la velocidad de secado que se desea obtener. En la mayora de los casos, al comienzo de la deshidratacin aparece en la zona superficial una capa relativamente deshidratada hacia la que migra el agua libre desde el centro del alimento, mientras de la zona superficial no se evapora. Dependiendo de las caractersticas de los alimentos y de las condiciones de procesados, los cambios en le contenido de humedad de la superficie y del centro del alimento a lo largo del secado pueden producirse a distintas velocidades y dar lugar a diversos cambios y alteraciones, entre las que destacan, por su intensidad y frecuencia, tres: 4.1.1. Endurecimiento superficial. Puede producirse por mltiples vas y bajo la influencia de diversos factores. Cuando el secado inicial es muy rpido (con aire que presenta una fuerte diferencia entre la temperatura de bulbo seco y hmedo), el vapor de agua puede eliminarse de la superficie del producto con mayor rapidez que con la que el agua se desplaza desde el centro del alimento. En estas condiciones puede aparecer (en frutas, carnes, pescado, embutidos) una fuerte retraccin de la capa superficial, que se comporta como una pelcula dura e impermeable y ofrece una fuerte resistencia a la posterior transferencia de vapor. Si el endurecimiento de la superficie es un problema, normalmente puede minimizarse con temperaturas de superficies ms bajas que fomentan una desecacin ms progresiva en toda la pieza de alimento o utilizar aire de humedad relativa elevada, a baja velocidad. 4.1.2. Movimiento de slidos solubles Es frecuente, especialmente cuando el secado inicial es lento, que las sustancias solubles en agua (sales y azcares sobre todo) sean arrastradas por el agua desde el centro hacia la superficie (por poros y capilares), donde se concentran y pueden llegar a cristalizar o formar una capa amorfa, de aspecto pegajoso e impermeable que dificulta el paso de vapor de agua. El movimiento de algunos compuestos solubles puede estar impedido por las paredes celulares (membrana semipermeable). El resultado de este hecho es la concentracin y depsito de componentes solubles en la superficie del producto al evaporarse el agua. El establecimiento de esta capa externa por concentracin puede provocar por smosis un movimiento en el sentido opuesto al de su formacin, es decir la migracin de las sustancias solubles hacia el interior del alimento donde la concentracin es menor. El que predomine un tipo u otro de migracin depende de las caractersticas del producto y de las condiciones de secado. 4.1.3. Retraccin Los alimentos (tejidos animales y vegetales) experimentan durante la deshidratacin un cierto grado de retraccin que puede considerarse proporcional a la salida progresiva del agua de las clulas. En las primeras fases de secado, el nivel de retraccin est relacionado con la cantidad de humedad eliminada. Hacia el final del secado la retraccin es cada vez menor, de forma y tamao y la forma definitiva del producto se alcanza antes de completarse el proceso. Por lo tanto, si el secado se realiza en forma lenta, el producto se retrae, con la consiguiente reduccin de volumen, tiene apariencia distinta a la inicial y es ms denso. (fig. 1.a).


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Cuando el secado es rpido, la formacin de una capa deshidratada y rgida en la superficie del alimento sirve para fijar el volumen final del producto. As el producto resultante conserva prcticamente la forma y el volumen iniciales, es ligero y menos denso (fig. 1.b). Presenta, adems una estructura porosa que facilita la rehidratacin. a) b)

Figura 1. Caractersticas de los alimentos deshidratados en relacin con la velocidad de secado: a) lenta y b) rpida.

Durante la deshidratacin tambin pueden presentar otro tipo de alteraciones (sobre todo si la temperatura es relativamente elevada), entre las que se pueden citarse son las siguientes: El almidn puede gelatinizarse, adsorbiendo fuertemente agua Los componentes termoplsticos se funden y ablandan dando lugar a problemas de aglomeracin y de adherencia al envase Cambios del estado cristalino al amorfo(especialmente en azcares) Pardeamiento no enzimtico, favorecido por la temperatura alcanzada durante el procesado y el aumento de solutos en el alimento. El Pardeamiento no enzimtico modifica desfavorablemente el color, sabor, valor nutritivo y, a veces tambin, la capacidad de rehidratacin de los alimentos Disminucin de la capacidad de retencin de agua, que puede deberse a la desnaturalizacin y agregacin de las protenas consecuentes al incremento de la temperatura y de la concentracin de sales, as como a la desorcin del agua Cambios de textura. Los productos deshidratados no recuperan la turgencia (carnes, frutas) ni el carcter crujiente (hortalizas) de los productos frescos. Las prdidas de textura estn, generalmente relacionadas con la gelatinizacin de almidn, la cristalizacin de celulosa y con las tensiones internas creadas por las variaciones locales del contenido de agua Prdidas del valor nutritivo, sobre todo debido a la destruccin parcial de algunas vitaminas (A Y C) por oxidacin Cambios en el color. La deshidratacin provoca cambios en la superficie del alimento que modifican su reflectancia.. Los carotenos y las clorofilas pueden efectuarse por el incremento de la temperatura y sufrir oxidaciones durante el procesado

4.2. Procesos alternativos


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Los mtodos de deshidratacin de alimentos varan mucho de acuerdo con los productos a tratar e incluso un mismo alimento puede secarse de varias formas. Por lo que se han desarrollado mltiples tipos de deshidratacin con muchas variantes. A continuacin se muestran en la tabla 1 los tipos de deshidratacin existentes.DESHIDRATADORAS DESHIDRATADORASDE AIRE CALIENTE CARACTERSTICAS PRINCIPALES Se utiliza velocidades de flujo del aire grandes para las fases iniciales. Se recomienda usar una velocidad lineal de aire de 3 a 5 m/s para las piezas de hortalizas En las fases iniciales de la deshidratacin de hortalizas se trabajar a temperatura de bulbo seco de 90 100 C. Este deshidratador es una columna vertical por la que asciende una corriente de aire caliente. Se alimenta el producto en forma granular y el alimentado por la porcin ms baja del deshidratador. Se utiliza para fabricar pur de papa en polvo. La deshidratadora consiste en una cinta transportadora sin fin, de malla de alambre que se apoya y es arrastrada por una cadena articulada giratoria. El alimento se introduce en la artesa en direccin paralela a los ejes motores y por la mocin de la cinta asciende hasta el borde de la artesa. Se utiliza para deshidratar hortalizas y frutas. Consisten bsicamente en una cmara cerrada dotada de un termostato, de un ventilador para mover el aire, de deflectores para ajustar el flujo del aire. Los armarios son deshidratadoras de pequea escala de utilizacin general que pueden emplearse con mltiples productos (cereales) El alimento se ve sometido a la accin del calor mientras avanza sobre una cinta de acero inoxidable. Varias campanas dividen a la deshidratadora en zonas, cuyas condiciones de temperatura y humedad son debidamente controladas. Se utiliza para alimentos que no pueden resistir temperaturas altas o que se oxidan fcilmente (caf soluble, leche, zumo de purs de frutas) Esta constituida por una cmara alta dotada de un piso perforado para la deshidratacin. Para el calentamiento se emplea un flujo convencional directo de gases en combustin. Su control es difcil. Se utiliza para deshidratar forrajes, granos.

DESHIDRATADORAS IMPELENTES

DESHIDRATADORA DE ARTESA

ARMARIOS O CAMARAS DESHIDRATADORAS

DESHIDRATADORAS DE CINTA

DESHIDRATADORA DE DESVN

Tabla 1. Tipos de deshidratacin : Equipos y condiciones de operacin

4.3. Procesos preliminares


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La preparacin de hortalizas para su tratamiento industrial tiene suma importancia si han de elaborarse productos de calidad. La alteracin de las hortalizas se inicia en el momento de su recoleccin y solamente puede reducirse al mnimo mediante una manipulacin y unas tcnicas de tratamiento correctas ( Arthey, Dennis, 1991). Las mismas incluyen: Recepcin en el almacn Acarreo Limpieza Lavado Inspeccin Recorte Pelado Corte en lminas o en forma de dados Escaldado 4.3.1. Recepcin de hortalizas En este momento se toman muestras de los productos para determinar si alcanzan o no la calidad requerida por el almacn. Antes de la admisin del producto debe comprobarse que cumple con las normas del almacn para factores tales como grado de maduracin de las hortalizas, tiempo y temperatura durante el transporte, contenido de materia vegetal y animal extraa, cantidades de tierra adherida, alteraciones de los productos y presencia de materias nocivas como vidrio o metal. El tiempo transcurrido y la temperatura soportada desde la recoleccin hasta el escaldado adquieren suma importancia en muchos vegetales para mantener la calidad. 4.3.2. Acarreo Un criterio en la seleccin del transportador consiste en que sea mnima la alteracin mecnica del producto. Si las legumbres y hortalizas no van a ser deshidratadas en ese momento, conviene mantenerlas en refrigeracin, para evitar su descomposicin. Se deben de tener en cuenta algunos aspectos como los mostrados en la tabla 6, para que sea ptimo este tipo de almacenamiento. 4.3.3. Limpieza en seco Este mtodo solamente se aplicar cuando las hortalizas sean ms densas que el material extrao. Las cosechadoras mviles de chcharos van provistas de este tipo de limpiador, por lo que la mayor parte del material no deseado queda en el campo reduciendo as los problemas que impone la eliminacin de residuos en el almacn.

PRODUCTO Presencia de cubierta protectora natural Caractersticas fisiolgicas:

HORTALIZA S


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Tipo y duracin de la respiracin Calor generado Dao por alteraciones del metabolismo durante la refrigeracin. Tendencia de la calidad tras recoleccin o produccin Causas habituales de alteracin

Aerbica durante todo el almacenamiento Moderado a sustancial Dao por fro en algunas Las hortalizas inician su alteracin inmediatamente tras la recoleccin Microbiolgicas, fisiolgicas, patolgicas y fsicas

Tabla 2. Caractersticas de los productos tras su recoleccin o produccin que determinan las condiciones del almacenamiento en refrigeracin.

Las hortalizas recolectadas de zonas situadas por debajo del nivel del suelo pueden recibir un tratamiento inicial de limpieza para eliminar el exceso de suciedad. Tales hortalizas suelen hacerse pasar a travs de una serie de cepillos giratorios que eliminan la tierra adherida. La tierra retorna al campo y no crea un problema en el sistema efluente del almacn. Las hortalizas redondas, por ejemplo pueden caer rodando por cintas ascendentes inclinadas. Los ruedan hasta el fondo y son extrados mientras que el material que no rodar es transportado sobre la cinta y descargado en la parte superior segn se aprecia en la Figura 2 ( Las hortalizas redondas caen rodeando por la cinta. Los desperdicios planos son elevados por la cinta)

Figura 2. Limpiador de cinta inclinada para hortalizas redondas.

4.3.4. Lavado Las races suelen recubrirse de tierra que tiene que ser eliminada. Estos productos son, por su naturaleza, mucho ms densos que el agua y se hundirn cuando se colocan en un tanque con agua. En consecuencia, si han de limpiarse usando un sistema de inmersin se precisa disponer de una cinta transportadora para moverlos a travs del tanque. Sin embargo, resulta ms sencillo utilizar un lavador con cepillos giratorios seguido de aclarado en un lavador de barra (Figura 3) para eliminar la tierra acumulada en estas hortalizas. Esta operacin no necesita ser perfecta ya que va seguida de la eliminacin de la piel mediante un sistema de pelado por vapor o productos custicos.


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Figura 3. Lavadora de varillas con barra central pulverizada.

Los chcharos verdes son limpiados en un clasificador vibratorio para eliminar las vainas y los chcharos de tamao inferior al normal. Despus los chcharos se limpian en seco y son lavados en una lavadora giratoria para eliminar el zumo de los tallos. Piedras y objetos pesados son eliminados en un tanque de flotacin y en algunos almacenes se usan limpiadores de flotacin con espuma para eliminar vainas, pieles y otros residuos. 4.3.5. Inspeccin. La inspeccin y seleccin manual de las hortalizas sobre cintas o juegos de rodillos para inspeccin es la forma tradicional de eliminar el material no deseado de la lnea de produccin. Cuando este sistema se realiza correctamente, es la operacin que requiere un trabajo ms intensivo en el almacn. 4.3.6. Recorte Algunas hortalizas requieren un recorte antes de ser sometidas a procesos industriales. Estas operaciones de recorte son similares a las realizadas cuando las mismas hortalizas son preparadas en los hogares. Mientras que en la cocina familiar se utiliza un cuchillo para estas operaciones, en el almacn se dispone de mquinas especficas para realizar la mayora de estas operaciones. En este caso, se utiliza una cortadora para eliminar las puntas de la calabaza y la zanahoria. 4.3.7. Pelado Los mtodos empleados para pelar hortalizas tales como zanahorias y papas se clasifican en mecnicos, qumicos y trmicos. 4.3.7.1 Mtodos mecnicos Las mquinas que eliminan la piel mediante frotacin son llamadas comnmente peladoras abrasivas. Estas mquinas presentan muchas configuraciones aunque el tipo ms comn es el que emplea grupos de rodillos abrasivos como en la Figura 3.

Figura 4. Pelador mediante abrasin.


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Algunos productos vegetales imponen el empleo de peladoras especiales. Por ejemplo, las modernas peladoras de cebollas sujetan los bulbos de forma que pueda ser eliminada la parte superior y la base mediante cortadoras giratorias. La mquina realiza un corte en la piel de las cebollas tras eliminar la parte superior e inferior y las cebollas pasan girando a travs de un conjunto de pulverizadores de agua a gran presin que eliminan la piel. El maz es desprovisto de la envoltura cortando la mazorca en ambos extremos y desenrollndola de las hojas. Durante esta operacin se eliminan tambin las hebras para dejar la mazorca limpia. 4.3.7.2. Agua caliente. Este proceso es utilizado ampliamente en la industria, adema de que es uno de los que menos contamina el ambiente, pues los residuos que dejan se pueden separar por decantacin, y el agua puede ser tratada mas fcilmente para poder volver a usarla.HORTALIZAS CONCENTRACIN TEMPERATURA (%) (C) TIEMPO

Zanahorias Papas Cebollas Jitomates

5 8-18 20 16

95 60 80 90

(min) 1-3 2-7 1-2 0.5

Tabla 3. Condiciones para el pelado con leja de algunas hortalizas.

4.3.8. Eliminacin de la piel La eliminacin de la piel resulta ms eficaz cuando las hortalizas se introducen en una lavadora giratoria con pulverizadores a gran presin. Esto elimina la piel por el efecto de frotacin de unos productos con otros y los pulverizadores de agua eliminan el material en las grietas de la superficie. El agua enfra tambin a las hortalizas y elimina la leja de su superficie. La principal desventaja de este sistema es que provoca un importante problema de efluente. 4.3.9. Corte en lminas o en forma de cubos Las mquinas que proporcionan estas formas disponen generalmente de tres juegos de cuchillas de diferente tipo para realizar cada operacin. La operacin inicial consiste en cortar la hortaliza formando una lmina. Esto puede efectuarse con hojas rectas giratorias o empujando el vegetal para que atraviese una hoja mondadora. La lmina es cortada posteriormente en tiras longitudinales. Para este corte se utiliza con frecuencia un grupo de cuchillos circulares giratorios, aunque en algunas mquinas la hoja que corta la lmina contiene cortadores tanto verticales como horizontales para realizar estas labores. Las tiras longitudinales son cortadas posteriormente en cubos si se desea un corte en forma de cubos.


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4.3.10. Escaldado Los productos hortcolas son partes vivas de las plantas que siguen respirando tras la recoleccin. Cuando las hortalizas son recolectadas experimentan cambios como consecuencia de alteraciones, iniciadas con frecuencia por las enzimas de la planta, que comienzan a descomponer los tejidos vegetales. El tiempo transcurrido entre la recoleccin y la inactivacin de estas enzimas puede ser crtico para la calidad del producto final. Para prevenir la alteracin enzimtica y microbiana los productos hortcolas reciben un tratamiento trmico que inactiva las enzimas y mata el tejido vegetal. Este proceso se denomina escaldado. Adems evita la decoloracin, el reblandecimiento y la aparicin de malos olores v sabores durante el almacenamiento posterior. 4.3.10.1. Escaldado con vapor La principal ventaja del escaldado con vapor consiste en que provoca un menor arrastre de solutos de las hortalizas. Esto mejora la retencin de nutrientes solubles y reduce el efluente derivado de la operacin de escaldado. PRODUCTO Zanahorias Maz dulce Guisantes (chcharos) Patatas (papas) (nuevas) Calabaza Calabacn (calabacitas)TIEMPO EN AGUA HIRVIENDO (minutos)

5 7 5 4 a 10 hasta consistencia blanda 3

Tabla 4. Tiempo de escaldado en agua (Chioffi, Mead, 1991)

4.3.10.2. Prdida de nutrientes durante el escaldado. Resulta inevitable la prdida de algunos nutrientes durante el escaldado. La vitamina C es tanto hidrosoluble como termolbil y algunos investigadores la han usado como indicador cuando determinan los efectos del escaldado sobre las hortalizas. Se ha investigado las prdidas de vitamina C en chcharos escaldados a bajas temperaturas, la prdida de vitamina C en papas escaldadas y se ha descubierto que el escaldado con agua 97C durante 2 minutos reduca el contenido de vitamina C de 12.5 a 7.8 mg/100 gramos. Tras la coccin los contenidos de vitamina C de las papas crudas y escaldadas eran 7.4 y 6.8 mg/100 gramos respectivamente. Los chcharos al ser escaldarlos por ms tiempo con agua se incrementa la prdida de vitamina C y el grado de maduracin de


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los chcharos es importante por que los chcharos maduros retienen ms vitamina C que los inmaduros. Los factores que causan prdidas de nutrientes durante las operaciones de tratamiento industrial son: la variedad, grado de maduracin, recoleccin, manipulacin y transporte, limpieza, lavado, escaldado y tratamiento final al determinar las prdidas de nutrientes en las hortalizas. 5. ESTUDIO DE MERCADO Como primer punto para el desarrollo del proyecto, es conocer el mercado de las sopas deshidratadas en nuestro pas, es decir, la produccin, costo y venta de las mismas. Para este fin se realiz una investigacin documental en los archivos del INEGI1 considerando los ltimo 6 aos. Como primer punto fue el volumen anual de las sopas deshidratadas (grfica 1) en Mxico.V o lu m e n d e la p r o d u c c i n ( e n t o n e la d a s )

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Grfica 1. Datos de los volmenes de produccin en los ltimos 6 aos en Mxico. Banco de Mxico.

Adems se investigo el valor de su produccin, lo cual podemos observar en la grafica 2, el cual ha ido en aumento, lo cual puede deberse a varias causas , entre las que encontramos el aumento del costo de materia prima, servicios auxiliares como el gas, etc.

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Encuesta Industrial Mensual, Valor de los Productos Elaborados segn Subsector


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V a lo r d e la p r o d u c c i n ( e n m ile s d e p e s o s )8E+06

7E+06

6E+06

5E+06

4E+06

3E+06

2E+06

1E+06

0E+00 1994 1995 1 9 9 6 1997 1998 1999 2000

Grfica 2. Costo de produccin de las sopas deshidratadas en Mxico, en los ltimos 6 aos

Pero ante todo, lo que marca la pauta para seguir con el proyecto es la demanda de estos productos, las cuales se ven reflejadas en las ventas anuales que hay en este sector y se pueden observar en la grfica 3.

V e n ta s n e ta s (e n m ile s d e p e s o s )

7 .E + 0 6

6 .E + 0 6

5 .E + 0 6

4 .E + 0 6

3 .E + 0 6

2 .E + 0 6

1 .E + 0 6

0 .E + 0 0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Grfica 3. Ventas netas de sopas deshidratadas en Mxico, en los ltimos 6 aos


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En las grafican anteriores podemos observar que el volumen de produccin de sopas deshidratadas no ha tenido grandes fluctuaciones en los ltimos aos, no as el costo de produccin y la ventas de estos productos. Cabe mencionar que los productos que se encuentran actualmente en el mercado, casi en su totalidad es pasta con solo un poco de verdura deshidratada. Por lo que este proyecto se enfoca principalmente ha realizar una sopa deshidratada con vegetales y hortalizas, siendo esto una innovacin en el mercado de la comida rpida. En base al volumen de produccin que reporta INEGI y lo mencionado en el prrafo anterior, nos da la pauta para realizar una planta deshidratadora con un volumen de produccin de 80,000 toneladas anuales. 6. RENTABILIDAD DEL PROYECTO El anlisis econmico nos sirve para saber cul es el monto de inversin para la realizacin del proyecto, as como el costo de la operacin de la planta (produccin, administracin, ventas) La inversin inicial es un costo fijo, la cual comprende la adquisicin de los activos fijos, es decir, equipo, el terreno, el edificio, mobiliario, transporte, etc. Adems de la inversin para el capital de trabajo y mano de obra. Las ganancias netas anuales se obtienen de restar al capital obtenido por la venta del producto por el nmero de paquetes de sopas que se vendern, la inversin inicial, el costo de la materia prima y la tasa interna de retorno se ven en la siguiente tabla.

INVERSIONISTAS 1 persona Otras empresas Insitucin Bancaria

% Riesgo 10-15 12-15 35

Tabla 5. Porcentaje de riesgo segn el nmero y tipo de inversionistas.

La TREMA o Tasa de rendimiento mnima atractiva no es otra cosa sino la tasa mnima de ganancia sobre la inversin propuesta.

TREMA = %i nflacin + % premio al riesgo + (inf lacin * riesgo )

(1)

La TIR es la tasa interna de rendimiento, y es la tasa de descuento por la cual el valor presente neto VPN (es el valor monetario que resulta de restar la suma de los flujos descontados a la inversin inicial) es igual a cero.


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VPN = j =1

n

Rj (1 + i ) j

Io

(2)

donde Rj = flujo de caja (diferencia entre cobros y pagos) en el ao j Io = Pago de la inversin inicial El criterio a utilizar es el siguiente: si la TIR es mayor que la TREMA se acepta la inversin, esto es si el rendimiento de la empresa es mayor que el mnimo fijado como aceptable, la inversin es econmicamente rentable Para conocer la inversin inicial, es necesario conocer los costos de la instalacin de la planta, as como del equipo, materia prima , etc. Nos basamos en los criterios que utiliza Douglas (1998). Inversin Total = Costo de capital fijo + Capital de Trabajo + Capital de inicio (3) Capital de Trabajo 0.15 inversin total Capital de Arranque 0.1 capital fijo Capital Fijo = costos directos + 0.05 costos directos + 0.2 costos directos = 1.25 costos directos Inversin Total = 1.30 capital fijo Gastos de Instalacin 0.05 costos directos Contingencias 0.20 costos directos Inversin Total = 1.30 Capital fijo Costo de Produccin = costo de manufactura + gastos generales Gastos Generales = 0.025 de ingresos por venta Gastos de Manufactura = costo directo de produccin + cargos fijos + Overhead planta (7) (8) (9) (11) (12) (13) (14) (4) (5) (6)


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Costos Directos de Produccin = Costo de materias primas + costo por servicios + 0.046 del capital fijo+ 0.03 costo total de produccin + 1.35 costos por sueldos y mano de obra Costo de Mantenimiento = 0.04 capital fijo Costo de Refacciones = 0.15 costo por mantenimiento Regalas = 0.03 Costo total de produccin Costo de Sueldos y Mano de Obra = Sueldo base anual * 0.35 1.35 = IMSS + INFONAVIT+ Vacaciones + das festivos + aguinaldo + otros Cargos fijos = Impuestos + seguros + rentas + intereses = 0.03 Capital fijo OVHD = 0.72 costo por sueldos y mano de obra + 0.024 capital fijo

(16) (17) (18) (19)

(20) (21)

Costo Total de Produccin = 0.103 capital fijo + (22) 1.03 (mat.prima + servicios) + 2.13(costo por sueldos y mano de obra) + 0.025ingresos por ventas Tomando una inflacin del 7% y un %premio al riesgo de 15%, se calcula la TREMA y la tir del proyecto, obtenindose los siguientes resultados (tabla 6).

Costo de materia Produccin prima 249,516 533,333

Ingresos ventas 480,000

por TREMA 23.05%

TIR 79.96%

Inversin total 40,318,691

Tabla 6. Valores de la TREMA y TIR para la rentabilidad del proyecto.

Como la TIR es mayor que la TREMA, el proyecto es viable.


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7. UBICACIN DE LA PLANTA Un punto clave para la ubicacin de la planta es considerar donde se encuentran los productores de la materia prima necesaria (tabla 7), los cuales fueron obtenido de la SAGARPA.

PRINCIPAL ESTADO PRODUCTOR Zacatecas Chihuahua Sinaloa Estado de Mxico Puebla Mxico Guanajuato

VERDURA / HORTALIZA Ajo Cebolla Calabaza Chcharo Maz Papa Zanahoria

Tabla 7. Estados en los cuales se encentra la mayor produccin (riego) de la materia prima

Adems de factores como son: Clima Disponibilidad de mano de obra Servicios Factores econmicos Por lo anterior, se decide ubicar la planta en el estado de Quertaro, ya que esta en el centro del pas, y su actividad industrial ha llegado a ser una de las principales generadoras de riqueza y empleo del pas. 7.1. Clima Las caractersticas climticas deseadas para el proceso de deshidratacin, especialmente en la zona centro, donde tiene climas secos y semi secos, su temperatura media anual oscila entre 7C y 25.1C. Abarca los municipios de Quertaro, Corregidora, El Marqus, Ezequiel Montes, Cadereyta, Tequisquiapan, San Juan del Ro, Coln, Peamiller y Tolimn.


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Mapa 1. Cuidad de Quertaro de Arteaga, donde se pueden observar las vas de comunicacin as como los numerosos complejos industriales que hay en el estado. 7.2. Vas de comunicacin El estado de Quertaro de Arteaga cuenta con excelentes vas de comunicacin a toda la Repblica Mexicana, por: Carreteras Terminal de Autobuses de Quertaro Vas Frreas Aeropuertos Telfonos Telefona Celular INTERNET Radio Aficionados y Banda Civil

7.3. Carreteras Por su ubicacin Quertaro es el centro geogrfico de la Repblica Mexicana y por lo tanto el trfico carretero entre el norte y el sur del pas pasa por el Estado, quedando este perfectamente comunicado por este medio a todo el pas y con magnficas supercarreteras de 4 a 6 carriles, con el Distrito Federal por la carretera 57, con San Luis Potos por la carretera 57, a Guanajuato por la carretera 45. 7.4. Vas frreas El servicio ferroviario es prestado por la empresa para-estatal Ferronales (Ferrocarriles Nacionales de Mxico), con proyecto de integrarse a la iniciativa privada, el centro nervioso de Ferronales para por Quertaro con las siguientes lneas:

Mxico D.F. -- Quertaro -- San Luis Potos -- Tampico


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Mxico D.F. -- Quertaro -- Guadalajara -- Manzanillo -- Mexicali Mxico D.F. -- Quertaro -- Ciudad Jurez Mxico D.F. -- Quertaro -- Nuevo Laredo

El servicio es de carga y principalmente transporta contenedores y cajas de trailer, en Quertaro, se encuentra una terminal de carga en la Aduana Interior y otra en la estacin central, en donde se conserva la estacin de pasajeros del siglo pasado, realizada al estilo de los Ingleses o del viejo Oeste Norteamericano, en cantera rosa de la regin y madera, contrastada con una elegante herrera de punto, por algn tiempo se plane el tren rpido de Mxico -- Quertaro.

7.5. Aeropuertos En Quertaro se encuentra el VOR principal de aproximacin al Aeropuerto Internacional "Benito Jurez" de la Ciudad de Mxico y cuenta con el aeropuerto "Ing. Fernando Espinosa Gutirrez" al norte de la ciudad en el cerro de Menchaca a 50 metros sobre el nivel de la ciudad. 7.6. Telefona: Las empresas que prestan los servicios telefnicos en Quertaro son: TELMEX, AT&T, AVANTEL Y ALESTRA con centrales digitales de acceso DTMF y cableado areo por postera, para atender a sus mas de cien mil abonados, as como servicio RDI. Telefona Celular.- En Quertaro operan dos empresas de telefona celular, IUSACELL Y TELCEL con clulas de amplio cubrimiento Nacional. Radio Aficionados.- En Quertaro se encuentra en operacin el Radio Club Quertaro, A.C. y representacin de La Asociacin de Radioaficionados de la Repblica Mexicana, A.C. Banda Civil.- En operacin existen varios clubes de Radio en Banda Civil, como Cruz mbar que aportan servicios de auxilio en emergencias en el estado y carreteras. La actividad industrial de este estado ha llegado ha ser una de las principales generadoras de riqueza y de empleo, su vocacin industrial es una de las mayores del pas y ocupa el cuarto lugar a nivel nacional. Adems de contar con incentivos fiscales que da el gobierno a las empresas que se instalan all. Otro punto de suma importancia es el de encontrar mano de obra con las siguientes caractersticas: Disponibilidad laboral y trabajadores calificados Existen ms de 100,000 obreros con conocimientos aplicables El 30% del personal industrial se encuentra calificado en: control de calidad total, proceso de justo a tiempo, celdas de manufactura.


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8. TEORA DE SECADO DE SLIDOS 8.1. Secado El secado es una operacin unitaria, en la que se elimina por evaporacin casi toda el agua presente en los alimentos, mediante la aplicacin de calor bajo condiciones de operacin controladas. El secado en si implica la transferencia de un lquido procedente de un slido hmedo a una fase gaseosa no saturada. El secado de alimentos determina una reduccin del peso y normalmente tambin, del volumen, por unidad de valor alimenticio, e incrementa la vida til de los productos secados en comparacin con los correspondientes alimentos frescos (Brennan, 1980) 8.2. Teora general. 8.2.1 Curvas de velocidad de secado 8.2.1.1. Conversin de los datos a curvas de velocidad de secado Los datos que se obtienen de un experimento de secado se expresan como peso total (m) del slido hmedo a diferentes tiempos de t horas en el perodo de secado. Estos valores se pueden convertirse a datos de velocidad de secado con los siguientes procedimientos. Primero se calculan los datos. Si (m) es el peso de slido hmedo en kg totales de agua ms slido seco y (mss) es el peso del slido seco en kg,

Xt =

m mss kg totales agua mss kg solido sec o

(23)

los cuales suelen representarse en graficas como se muestra en la fig (5)

Figura 5. Contenido de humedad en base seca en funcin del tiempo de secado

Usando los datos calculados con la Ec. (23), se traza una grfica del contenido de humedad libre X en funcin del tiempo t en hr, tal como se muestra en la Fig. (6). Para obtener una curva de velocidad de secado a partir de esta grfica, se miden las pendientes de las tangentes de la curva, los cual proporciona valores de dX/dt para


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ciertos valores de t. Se calcula entonces, la velocidad N para cada punto con la expresin

N=

mss dX A dt

(24)

donde N es la velocidad de secado en kg H2O/hr.m2, mss es kg de slido seco usado, y A es el rea superficial expuesta al secado en m2. Entonces, la curva de velocidad de secado se obtiene graficando N en funcin del contenido de humedad, tal como se muestra en la Fig. (6)

Figura 6. Curva de velocidad de secado

8.2.1.2. Grfica de la curva de velocidad de secado 8.2.1.2.1. Perodo inicial. En la Fig. (6) se muestra la curva de velocidad de secado para condiciones de secado constante. Empezando con un tiempo cero, el contenido inicial de humedad libre corresponde al punto A. Al principio, el slido suele estar a una temperatura inferior a la que tendr al final, y la velocidad de evaporacin ira en aumento. Al llegar al punto B, la temperatura de la superficie alcanza su valor de equilibrio. Este perodo inicial de ajuste con estado inestable suele ser bastante corto y generalmente se ignora en el anlisis de los tiempos de secado. 8.2.1.2.2.Perodo de secado constante La curva de la Fig. (6) es recta entre los puntos B y C, por lo que la pendiente y la velocidad son constantes durante este periodo. Este periodo de velocidad constante de secado corresponde a la lnea BC en la Fig. (6). En este periodo la superficie del slido est al principio, muy mojada y sobre ella existe una pelcula de agua continua. Esta capa de agua est siempre sin combinar y acta como si el slido no estuviera presente. La velocidad de evaporacin con las condiciones establecidas para el proceso, es independientemente del slido y es esencialmente igual a la velocidad que tendra una


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superficie lquida pura. La evaporacin durante este perodo es similar a la que existe cuando se determina la temperatura de bulbo hmedo, la temperatura de la superficie equivale en forma aproximada, a la temperatura de bulbo hmedo. 8.2.1.2.3. Periodo de secado decreciente Durante el perodo de velocidad decreciente la velocidad de secado comienza a disminuir, punto C de las grficas (Fig (5) y Fig (6)), hasta llegar al punto D. En el punto D, la velocidad de secado disminuye con ms rapidez an hasta que llega al punto E. El punto C corresponde al contenido crtico de humedad libre Xc. En este punto no hay suficiente agua en la superficie para mantener una pelcula continua. La superficie ya no est totalmente mojada, y la porcin mojada comienza a disminuir durante este periodo de velocidad decreciente, hasta que la superficie queda seca en su totalidad en el punto D. El segundo perodo de velocidad decreciente empieza en el punto D cuando la superficie est seca en su totalidad. El plano de evaporacin comienza a desplazarse con lentitud por debajo de la superficie. El calor para la evaporacin se transfiere a travs del slido hasta la zona de vaporizacin. El agua vaporizada atraviesa el slido para llegar hasta la corriente de aire. 8.2.2. Equipo de secado. 8.2.2.1 Secador de charolas En los secadores de charolas, que tambin se les llama secadores de anaqueles, de gabinete o de compartimiento, el material se esparce uniformemente sobre una charola de metal con una profundidad de 10-100 mm. Un secador de bandejas tpico, tal como se muestra en la Fig. 7, contiene bandejas que se cargan y se descargan de un gabinete.

Figura 7. Secador de charolas

Un ventilador recircula aire calentando con vapor sobre la superficie de las charolas, paralelamente a las mismas. El secador dispone de reguladores para controlar la velocidad de admisin de aire fresco y la cantidad deseada de aire de recirculacin. Tambin se usa calor obtenido con electricidad, en especial cuando el calentamiento es bajo. Ms o menos el 10-20% del aire que pasa sobre las bandejas es aire nuevo, siendo el resto aire recirculado.


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Despus del secado, se abre el gabinete y las charolas se reemplazan con otras con ms material para secado. Una de las modificaciones de este tipo de secador es el de charolas con carretillas, donde las bandejas se colocan en carretillas rodantes que se introducen en el secador . Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que las carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador. 8.2.2.2. Secador de lecho fluidizado En este tipo de secadores el aire caliente es forzado a travs de un lecho de slidos de forma tal que los slidos queden suspendidos en el aire. El aire caliente acta tanto como medio fluidizante como de secado. Los secaderos de lecho fluidizado pueden operar de forma discontinua o continua. En la Fig. 8 se muestra un secador de lecho fluidizado. La rejilla que soporta al lecho puede ser una simple placa perforada pero tambin se emplea diseos muy complejos a base de eyectores de chorros de aire, cpsulas de barboteo, etc. Algunas unidades poseen bases vibratorias para facilitar el movimiento del producto. Los secadores pueden operar a presin superior o inferior a la atmsfera, segn se precise, situando adecuadamente los ventiladores.

Figura 8. Lecho fluidizado

Las principales caractersticas de los secadores de lecho fluidizado son: Slo pueden aplicarse a slidos susceptibles a la fluidizacin. Algunos productos son demasiado frgiles para ser fluidizados sin que sufran excesivo dao mecnico. Las velocidades de secado en los secadores de lecho fluidizado son relativamente altas y se controlan con facilidad. En las operaciones discontinuas lo slidos se mezclan bien y se secan uniformemente. En los sistemas continuos, sin embargo, el mezclado puede determinar la salida del secado del producto no secado.


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8.3. Balances de materia 8.3.1. Balances de materia para el secador de charolas. Para el secado en un secador de charolas, donde el aire pasa en flujo paralelo sobre la superficie de la charola, las condiciones del aire no permanecen constantes.

Figura 9. Esquema del balance de masa en el secador de charolas

El balance de humedad en el secador de charolas es el siguiente:

1 dmw = G2Y2 G1Y1 A dtdonde

(25)

mw = mss X

(26)

Sustituyendo la ecuacin (26) en la ecuacin (25) y tomando en cuenta que la masa del slido seco y el flujo de aire seco es constante para todo el proceso.

mss dX = G (Y2 Y1 ) A dt donde

(27)

N = G (Y2 Y1 )

(28)

donde N = kg w / hr . m2 de seccin transversal y G = kg de aire seco / hr . m2 de seccin transversal. 8.3.2. Balances de materia para el secador de lecho fluidizado. Considerando un lecho de rea de seccin transversal uniforme A m2, por el cual penetra un flujo de gas G kg gas seco / hr m2 seccin transversal, con humedad de Y1. Con un balance de material del gas, en cualquier momento, dicho gas sale del lecho con humedad Y2 . La cantidad de agua que se elimina del lecho con el gas es igual a la velocidad de secado en ese tiempo.


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Figura 10. Control de volumen en la que se realiza el balance

Realizando el balance de materia:

1 dmw = G2Y2 G1Y1 A dtdonde

(29)

mw = mss X

(30)

Sustituyendo ecuacin (30) en la ecuacin (29) y tomando en cuenta que la masa del slido seco y el flujo de aire seco es constante para todo el proceso.

mss dX A dt

= G (Y2 Y1 )

(31)

por lo tanto se tiene con la ecuacin (28),

N = G (Y2 Y1 )

(28)

donde N = kg w / hr . m2 de seccin transversal y G = kg de aire seco / hr . m2 de seccin transversal. 8.4.BALANCES DE ENERGA 8.4.1. Balances de energa para el secador de charolas y secador de lecho fluidizado El balance de energa para el secador de charolas y el secador de lecho fluidizado es el siguiente:

G (Cpas + Y1'Cpw( v ) ) (T1 T2 ) =

mss dX dT +Q + mss Cpss + X Cpw( l ) A dt dt

(

)

(32)

Sustituyendo la ecuacin (31) en (32) se tiene la siguiente expresin:


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G (Cpas + Y1'Cp w( v ) ) (T1 T2 ) = G (Y2 Y1 ) + mss Cpss + X Cpw( l )

(

) dT + Q dt

(33)

El lado izquierdo de la ecuacin 33, es el cambio de entalpa del gas, y el lado derecho , el primer trmino se refiere al calor necesario para evaporar el agua contenida en el slido, el segundo trmino al calentamiento del mismo slido y Q es el calor que se disipa a los alrededores. 9. DESARROLLO EXPERIMENTAL: 9.1. Propiedades de los vegetales y hortalizas Antes de llevar a cabo cualquier proceso hay que tener en consideracin el tipo de compuestos con los que se va ha trabajar, conocer sus propiedades fsicas y qumicas. Estos lo podemos observar en la siguiente tabla 8. Cenizas: Residuo que queda despus de que toda la materia orgnica ha sido quemada. Sirve para medir las sales inorgnicas que haba en el producto original.AJO Nombre Familia Especie Agua Celulosa Cenizas Grasas Hemicelulosa Hidratos de carbono Protenas Vitaminas A B1 B2 B6 C E K PP Allium sativum 63.7 1.2 0.2 0.3 28.6 6 0.0001 0.0001 0.0001 0.017 CALABAZA Cucrbita Pepo 93 0.9 0.4 0.4 4.8 0.8 1.740 UI 0.053 mg 0.077 mg 1.5 mg CEBOLLA Alliun cepa 89 0.7 0.4 0.2 4.8 1.2 50 UI 0.06 mg 0.03 mg 14mg CHCHARO Pisum sativum 77.7 6.9 0.3 10.5 4.5 10 UI 0.10 mg 0.70 mg 0.25 mg 2 mg 0.10 mg 0.15 mg 500 UI 550 microg MAZ Zea mays 12.3 2.1 3.4 3 70.7 8.5 750 UI 182 microg 71 microg PAPA JITOMATE ZANAHORIA Daucus carota 88 0.9 0.6 0.3 9 1 1.250 UI 0.06 mg 0.8 mg 20 mg 0.5 mg 0.6 mg 1.2 10.000 UI 0.0001 0.00005 0.0094

Solanum Lycopersic tuberosu um m esculentu m 75 94

0.1 17.5 1.5

0.4 0.6

0.5 mg 1 mg 0.2 mg 10 mg 0.1 mg

0.540 mg

0.15 mg

0.0004

Tabla 8. Propiedades alimenticias de los vegetales. Diccionario de los Alimentos, Cocin, Caloras, Vitaminas, Conservacin C. TX 3479, D5.2, 1979, c.2 Ediciones Cedel.

Hidratos de Carbono: Tienen una estructura muy simple estando compuestos de carbono, hidrogeno y oxgeno. Se les clasifica en glcidos directos e indirectos, segn el nmero de molculas.


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Directos: azcares de frmula simple y fcil absorcin por el organismo indirectos: los feculentes (harinas) que sintetizan varias molculas. Grasas: Proporcionan al organismo 9.3 cal/gr, pero para que su asimilacin se produzca armoniosamente hacen falta 2 molculas de hidruros de carbn por molcula de cuerpo graso. Protenas: Son cuerpos complejos resultan de la unin de diversos cuerpos ms simples: los aminocidos. Son la base de los tejidos de los seres vivos. 9.1.1 Propiedades fsicas de los vegetales Los vegetales y las hortalizas, tienen propiedades caractersticas las cuales suelen tener suma importancia en el proceso de secado, (las cuales podemos ver en la tabla 9) sobre Todo al momento de realizar los balances de materia y energa. m [kg] 0.01280 0.05223 0.07341 0.04862 0.06492 0.02353 0.05796 0.04898 empacada [kg/m3] 640.00 580.33 587.28 540.22 811.50 580.33 644.00 544.22 Cp Dp aparente [m] [kg/m3] [J/kgC] 914.29 3305 2.39x10-2 970.82 3550 1.54x10-2 857.59 3765 0.62x10-2 1041.11 3765 1.54x10-2 932.76 14.16x10-2 986 3305 0.98x10-2 1038.71 3300 1.12x10-2 999.59 3765 0.9x10-2

VEGETAL Ajo calabaza Cebolla chcharo Jitomate Maz Papa Zanahoria

0.81 0.81 0.93 1 1 0.81 0.81 0.81

Tabla 9. Densidades de los vegetales

9.2. Operaciones Preliminares Para secar un vegetal u hortaliza se realizan las operaciones preliminares especificas, las cuales de manera sinttica se exponen en la tabla 10.VERDURA/HORTALIZA LAVADO PELADO CORTADO DESVAINADO DESGRANADO ESCALDADO

Ajo Cebolla Calabaza Chcharo Maz Papa Zanahoria

Manual Manual Manual Manual

Rodajas Rodajas Cubos Manual Manual Cubos Cubos Con bisulfito de sodio (1%) 5 min.

Manual Manual

Tabla 10. Operaciones preliminares a las que fue sometida cada verdura u hortaliza.


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Cabe mencionar que los cubos y las rodajas se hacen de aproximadamente 5mm de espesor, con el fin de contribuir a un mejor secado. 9.2.1. Secador de Charolas Antes de introducirlas al secador de charolas, se pesan las charolas vacas, despus se llenan con las verduras u hortalizas, segn sea el caso, de manera que quede una mono capa uniforme, se vuelven a pesar y as se obtiene un mejor registro sobre la masa inicial que entra al secador de charolas. 9.2.2. Secador de Lecho Fluidizado Se prepara una masa para que la altura de la cama de verdura u hortaliza en el lecho sea al menos de 10 cm que es el tamao del dimetro. Para determinar la velocidad mnima de fluidizacin se realiza de manera experimental con la masa fresca y se comienza a mover la vlvula del aire que entra al secador hasta que la misma comience a fluidizarse. Esto es una poltica de trabajo para que en un momento dado, tener la menor perdida posible de los finos. 9.3. Metodologa experimental 9.3.1. Secador de charolas El secador de charolas se enciende 15 minutos antes del experimento, manteniendo constante el flujo de aire, en este caso fu de 1.25 m/s + 0.5, y el control de temperatura de 60C + 1, como este aparato cuenta con una pistola la cual contiene dos termmetros, uno para medir la temperatura de bulbo hmedo y bulbo seco (ambas son mediciones importantes para determinar los balances de materia y energa); se miden ambas temperaturas antes de las charolas. Y con un voltmetro se mide la temperatura de salida de aire. Adems el secador se tara, pues tiene una canastilla colgando donde se introducen las charolas. Ya que se tiene la temperatura d 60 C en la entrada del aire, se procede a introducir la charolas previamente pesadas con el vegetal que va ha ser secado. Tomndose las lecturas de masa, temperatura del bulbo hmedo y bulbo seco, as como la velocidad del aire. Se toman mediciones a diferentes tiempo, al principio se realiza a intervalos de 5 minutos hasta completar 30 minutos, despus con intervalos de 10 hasta completar la hora, la siguiente hora se divide en intervalos de 20 minutos. Despus la otra hora en intervalos de 30 y si es necesario, se deja correr la otra hora sin ningn intervalo. Cabe resaltarse que las mediciones a estudiar son la velocidad, temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo de entrada y salida del aire, as como la variacin del peso en el slido. 9.3.2. Lecho fluidizado Para el secador de lecho fluidizado se enciende primero el compresor, despus se fija la temperatura a la que se va ha trabajar, se abren las vlvulas de paso del aire y se


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encienden los bancos de resistencias, el lecho tarda aproximadamente de 20 a 25 minutos para estabilizarse. Una vez estabilizada la temperatura, se mide la temperatura de bulbo seco y bulbo hmedo, esto se realiza con un psicrmetro porttil, al cual se le da cuerda para que el ventilador que tiene integrado pueda succionar el aire. Otras variables a medir son la cada de presin del aire y el flujo volumtrico de entrada del aire al lecho. Una vez medido todo, se introduce el vegetal ha secar, y se vuelven a medir las variables antes mencionadas, la primera media hora se toman muestras cada 10 minutos, despus de media hora dos o tres medicines ms. Solo en algunos casos llego a requerirse de mas tiempo, y para ello se tomaron mediciones cada hora. A las muestras obtenidas se les determina la humedad en la balanza analtica, la cual trabajo a 75C, el tiempo necesario, hasta que el peso del slido no cambia. 9.3.3. Rehidratacin Se conservaron muestras de 15 gr de cada vegetal y hortaliza deshidratada, en cada uno de los secadores. Se hirvi agua en diferentes vasos de precipitados y se le agrego la verdura u hortaliza, de cada secador, y se les dejo hervir durante 5 minutos. Despus se escurrieron en charolas y se les comparo, color del agua, consistencia y apariencia, esto se lleva a cabo de manera visual. 10. Resultados 10.1. Secador de Charolas 10.1.1. Balance de materia y energa Con los datos obtenidos experimentalmente podemos calcular la masa seca, la humedad inicial y final de cada uno de los slidos, la humedad final del aire. Y el calor que se proporciona al aire, el calor que es necesario para secar al slido. En los balances de energa se realizaron para tres casos, el primero fue tratando al sistema como un sistema adiabtico, el segundo fue no adiabtico pero el calor disipado se considera constante, y finalmente ocupando la ley de Fourier para calcular el calor disipado. En los tres casos la temperatura2 del slido fue similar, por lo tanto, se puede considerar al sistema como adiabtico.

2

Los clculos y tablas vienen en el apndice


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SLIDO Verdura Ajo Cebolla Chcharo Maz Papa Zanahoria t[seg] Tsol[C] Tbh[C] X[kgw/kgss] Qhum[J/seg] Qsol[J/seg] Q[J/seg] 2780 14200 7800 14400 9560 8100 54.16 59.991 59.830 59.134 53.350 53.350 60.474 29.0 32.2 33.0 27.6 29.8 29.2 30.1 0.3952 1.7500 0.0820 0.2199 0.1003 0.5791 0.1002 14.70000 112.10704 68.07030 34.76080 150.35200 101.73570 10.67950 0.0672 0.0303 4.5435 0.5481 0.7822 0.3647 0.2847 14.7672 112.1373 72.6138 35.3089 151.1342 102.1004 10.9642

Papa con anti 13500

Tabla 11. Resultados de los balances de materia y energa de los diferentes compuestos de la sopa en el secador de charolas

AIRE Verdura Ajo Cebolla Chcharo Maz Papa Zanahoria T1[C] T2[C] Y1[kgw/kgss] Y2[kgw/kgss] G[kgas/m2seg] 60.00 60.27 62.32 59.31 54.00 61.00 52.00 54.33 53.25 58.13 48.67 51.00 51.79 0.0185 0.0184 0.0218 0.0160 0.0250 0.0200 0.0176 0.018630 0.018600 0.021840 0.016050 0.025290 0.020160 0.017780 1.3482 1.1790 1.3647 1.3964 10.5930 1.2669 1.2556 Q[J/seg] % error 1426.2100 1235.7659 290.21897 293.3618 227.1159 269.1750 264.3155 98.97 90.93 76.83 87.99 33.69 62.13 95.91

Papa con anti 60.00

Tabla 12. Resultados de los balances de materia y energa del aire utilizado para secar en el secador de charolas

Como se puede observar, el calor del aire es mucho mayor que el requerido, por lo que da la pauta para poder menor cantidad de aire, y as ahorrar energa tanto del compresor como calorfica. Con los datos obtenidos experimentales y los balances de materia y energa, se obtienen las curvas de secado (tiempo de secado), de velocidad de secado, evolucin de la temperatura en el slido y el aire, as como de la humedad del aire.


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30

C ur v a de Se c a do

60 50 40 T[C] 30 20 10 0 0 5000 10000 15000 t [seg]A jo M a z C a l a b a za P apa C ebo lla P a p ac / a n t i o x C h c haro Z a naho r ia J it o m at e

20000

25000

30000

Grfica 4. Tiempos de secado de los diferentes componentes de la sopa en el secador de charolas

En la grfica 4, se puede observar que cada uno de los vegetales y hortalizas presenta comportamiento similar al reportado en la teora. Un punto ha resaltar es que el chcharo requiere de un mayor tiempo para alcanzar la humedad requerida, la cual es del 10% en todos los vegetales. Esto puede deberse a su misma naturaleza, la capa que lo envuelve hace ms difcil la evaporacin y difusin del agua contenida en l. De los dems vegetales, como tienen tiempos similares poden ser deshidratados en mismo lote. Este experimento se llevo a cabo, y se obtiene la siguiente curvaS op a7 6 X (grw/grss) 5 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 300 35 0 t (min)

Grfica 5. Tiempo se secado de la sopa deshidratada en su conjunto.

Otro aspecto a observar, es como va cambiando la humedad del aire con el tiempo, como se puede ver, va disminuyendo, esto es de esperarse, pues con el transcurso del


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tiempo la humedad del slido es menor, por lo tanto, el aire ya no encuentra casi agua para llevarse.Humedad del Aire

0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0 5000 10000 15000 t[seg]Ajo M a z Calabaza Papa Cebolla Papa c/ antiox Ch charo Zanahoria Jit o mat e

Y[kg agua/ kg a.seco]

20000

25000

30000

Grfica 6. Humedad del aire a la salida del secador.

De esta grfica, podemos ver como en algunos casos como el de la papa, la humedad el aire se mantiene constante. Al casi no variar o no variar la humedad del aire nos indica que la cantidad de aire que se introduce en el secador es muy grande y por lo tanto no llega a afectar su humedad intrnseca. Adems otro comportamiento interesante ha observar, es el del slido. Como ya se dijo en la teora, la temperatura del slido en los primeros instantes tiende a la temperatura de bulbo hmedo.Z a n a h o r ia

9 .0 8 .0 7 .0 X [k g w /k g s s ] 6 .0 5 .0 4 .0 3 .0 2 .0 1 .0 0 .0

70 60 50 40 30 20 10 0t [ C ]

3.5

2.0

3.0

1200

1800

3000

4800

t [s e g ]

X

T

Grfica 7. Cambio de la humedad en base hmeda y la temperatura del slido, en este caso se toma el de la zanahoria3 como ejemplo.3

Los dems componentes de la sopa tienen un comportamiento similar, como puede verse en el apndice.

7150

600

0.0

0.5

1.0

1.3

4.2

5.0

5.5

6.2

7.0


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Como puede observarse en la grfica 7, se tiene un pozo trmico en los primeros segundos de llevarse a cabo el secado en el lecho fluidizado. Y conforme se va secando el vegetal, la temperatura tiende a estabilizarse, es decir, se mantiene prcticamente todo el tiempo a la temperatura de bulbo seco. Esto lo podemos comparar con la velocidad de secado (flux).V e lo c i d a d d e S e c a d o

4 .0 E -0 4 3 .5 E -0 4 3 .0 E -0 4 N [kg w/s eg m2 ] 2 .5 E -0 4 2 .0 E -0 4 1 .5 E -0 4 1 .0 E -0 4 5 .0 E -0 5 0 .0 E + 0 0 0 2000 4000 6000 8000 X [k g w / k g s s ] 10000 12000 14000 16000

Ajo

C e b o lla

C h c h a r o

M a z

Papa

Papa c on anti

Z a n a h o r ia

Grfica 8. Velocidad de secado (flux)

Grafica

En la grfica 8 podemos percibir que el chcharo y el maz tienen una velocidad de secado similar, es decir, se mantiene casi constante, por lo que se pueden secar en un mismo lote. La cebolla al tener ms contenido de agua, es la que tarda mas tiempo en secarse, el maz es otro que tarde en secarse, esto se debe al endurecimiento superficial que provoca su misma cscara. 10.2. Secador de lecho fluidizado 10.2.1. Balances de materia y energa Con los datos obtenidos experimentalmente, se realizan los balances de materia y energa tanto de los slidos como del aire. Para poder observar como se llevo a cabo el secado con este tipo de secador. En los balances de energa se realizaron para tres casos, el primero fue tratando al sistema como un sistema adiabtico, el segundo fue no adiabtico pero el calor disipado se considera constante, y finalmente ocupando la ley de Fourier para calcular el calor disipado. En los tres casos la temperatura4 del slido fue similar, por lo tanto, se puede considerar al sistema como adiabtico. Los resultados obtenidos se muestran en las tablas 13 y 14 de una manera sinttica para cada vegetal y hortaliza.

4

Los clculos y tablas vienen en el apndice


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VERDURA t[seg] Tsol[C] Tbh[C] X[kgw/kgss]Qhum[J/seg]Qsol[J/seg] Q[J/seg] Calabaza 5050 56.840 20.5 19.0 19.3 18.0 17.4 0.3158 0.1037 0.1497 0.1091 0.1057 22.39370 2.76000 0.69200 23.61330 28.04270 10.3684 8.6800 49.69 37.4596 4.9505 32.7621 11.4400 50.3820 61.0729 32.9932

Chcharo 11050 50.860 Maz Papa 7200 3600 54.111 53.023 56.094

Zanahoria 7200

Tabla 13. Resultados del balance de materia y energa de los vegetales y hortalizas en el lecho fluidizado.

VERDURA T1[C] T2[C] Y1[kgw/kgss] Y2[kgw/kgss] G[kgas/m2seg] Q[J/seg] % error Calabaza 58 39.16 0.0050 0.0032 0.0032 0.0010 0.0021 0.005936 0.003320 0.003500 0.001845 0.003050 1.0870 1.4516 1.3549 1.4524 1.4411 192.2100 83.15 62.66000 83.55 162.4100 70.71 243.4393 75.17 28.0427 80.23

Chcharo 57.22 52.22 Maz Papa 57.33 44.00 57.00 39.00

Zanahoria 59.00 43.00

Tabla 14. Resultados de los balances de materia y energa en el lecho fluidizado.

Como se puede observar, el calor del aire es mucho mayor que el requerido, por lo que da la pauta para poder menor cantidad de aire, y as ahorrar energa tanto del compresor como calorfica.C u r v a e e c a d o d S8 7 6 X[ g / ga k w k s] 5 4 3 2 1 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 t[ s e g ] ma z p a p a z a n a h o r i ac h c h a r o 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0

Grfica 9. Curvas de secado en el lecho fluidizado.


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En la grfica 9 podemos observar que los tiempos de secado en el lecho fluidizado son menores que en el secador de charolas. Esto puede deberse a que en el lecho, los vegetales estn suspendidos en el aire, mientras que en el de charolas, estn estticos.H u m e d a d d e l a ir e0 .0 0 4 0 0 .0 0 3 5 Y2 [kg w/kg as] 0 .0 0 3 0 0 .0 0 2 5 0 .0 0 2 0 0 .0 0 1 5 0 .0 0 1 0 0 .0 0 0 5 0 .0 0 0 0 0 2000 4000 6000 t [s e g ] 8000 10000 12000

C hchar o

M a z

P ap a c o n ant io x id ant e

Z anaho r ia

Grfica 10. Humedad del aire en la salida del secador

Conforme avanza el tiempo, se observa una disminucin de la humedad del aire (grfica 10), esto es porque el slido ya tiene poco agua que evaporar, esto se observa de una manera muy notoria en el caso de la papa, que es donde se observa esta tendencia. Adems otro comportamiento interesante ha observar, es el del slido. Como ya se dijo en la teora, la temperatura del slido en los primeros instantes tiende a la temperatura de bulbo hmedo.Za n a h or i a0 .0 0 4 0 0 .0 0 3 5 X [kg w/kg ss] 0 .0 0 3 0 0 .0 0 2 5 0 .0 0 2 0 0 .0 0 1 5 0 .0 0 1 0 0 .0 0 0 5 0 .0 0 0 0 0 Y2 T 600 1200 2400 3600 5400 30 20 10 0 70 60 50 T [C] 40

t [se g]

Grfica 11. Temperatura del slido

El comportamiento de la temperatura del slido puede observarse en la grfica 11, y nos percatamos que sufre un descenso el cual tiende a la temperatura de bulbo hmedo del aire en los minutos del secado, contrario a lo que sucedi en el secador de charolas, los cuales fue en los primeros 7 segundos. Aqu se observa mejor este fenmeno. Aqu se observa mejor fenmeno. Despus sube y tiende a la temperatura de bulbo seco del aire. Se coloco la grfica de la zanahoria como ejemplificacin, pero sucede lo mismo


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con todos los dems componentes de la sopa, estos se podrn ver en el apndice correspondiente. Para poder observar la velocidad de secado utilizamos la grfica 12.Velocidad de Secado0.0025 N [kg w/seg m 2] 0.0020 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000 0.0 5.0 10.0 X [k g w/kg s s] Chcharo Maz Papa Calabaz a 15.0 20.0

Grfica 12. Velocidad de secado

Como la papa tiene una velocidad de secado mas grande podemos pensar en realizar el secado en un mismo lote del chcharo y el maz, ya que la papa y la zanahoria hacen los mismo, por lo tanto, lo hacemos otro en otro lote (grfica 13).Velocid ad d e Secado0.000 6 N [kg w/seg m 2] 0.000 5 0.000 4 0.000 3 0.000 2 0.000 1 0.000 0 0.0 Chchar o 0.5 Ma z 1.0 1.5 X [k g w/k g s s ] 2.0 2.5 3.0

Grfica 13. Velocidad de secado del chcharo y el maz.

Esto nos da la pauta final, para poder trabajar de manera industrial, es decir, esta es la manera en que se trabajara la planta deshidratadora, en un mismo lote se encontrar el maz y el chcharo, y en otro la calabaza, la zanahoria y la papa. 10.4. Rehidratacin Se realizaron las pruebas de rehidratacin de los vegetales y hortalizas ya sealadas, esta prueba fue totalmente emprica y se baso en la observacin simplemente. Teniendo mejor consistencia y apariencia aquellas que se haban deshidratado en el secador de charolas.


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11. CLCULOS DE LOS BALANCES DE MATERIA Y ENERGA 11.1. Balances de materia para el secador de lecho fluidizado A continuacin se presenta el tratamiento de los datos experimentales correspondiente a los balances de materia. Se muestran los clculos detallados para un solo vegetal (Zanahoria), ya que el procedimiento es el mismo para los dems. Se determino la humedad de la zanahoria fresca en una balanza electrnica, en la tabla 14 se presentan los resultados. m (kg) 0.02185 ms.s (kg) 0.00265 X (kgH2O/kg A.S) 7.24

Tabla 15. Humedad en base seca de la zanahoria fresca.

Del proceso de deshidratacin de la Zanahoria, se obtuvieron los siguientes datos experimentales. Tbs Tbssal t(seg) Tbhsal(C) en(C) (C) 0 61 59 17.00 600 56 19 17.00 1200 61 21 18.00 2400 57 52 17.00 3600 58 50 17.50 5400 61 57 18.00Tabla 16. Datos experimentales

Al trmino del proceso se determino la humedad, se tomo una cantidad de zanahoria deshidratada en intervalos de tiempo y se analizo en la balanza electrnica y posteriormente se calcularon las humedades en base seca y hmeda. En la tabla 17 se muestran los resultados. t(seg) 0 600 1200 2400 3600 5400 m [kg] 0.02185 0.01382 0.02696 0.01088 0.01012 0.01025 X ms.s [kg] [kgw/kgsseco] x [kgw/kg] 0.00265 7.2453 0.8787 0.00185 6.4703 0.8661 0.00464 4.8103 0.8279 0.00478 1.2762 0.5607 0.00724 0.3978 0.2846 0.00927 0.1057 0.0956

Tabla 17. Humedades en base seca para la zanahoria deshidratada.

Con las humedades en base seca y el tiempo, se hace una curva de secado X vs. t,


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Zanahoria

9 8 7 X [kgw/kgss] 6 5 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 t [seg] 2500 3000 3500 4000 y = 2E-07x2 - 0.003x + 7.675 R2 = 0.9717

Grfica 15. Curva de secado

La curva obtenida en la grafica 15 se ajusta a un modelo polinomial, a partir del cual se obtiene la derivada (la variacin del contenido de humedad con el tiempo) Por lo tanto El polinomio obtenido es:

X = 5E 7 * t 2 0.0040 t + 8.796derivandodX = 10 E 7 t 0.0040 dt

(34)

(35)

Por lo tanto x t(seg) X [kgw/kgsseco] [kgw/kg] (-dX/dt) N [kgw/m2seg] 0 7.2453 0.8787 0.004093 2.643E-03 600 6.4703 0.8661 0.004094 2.643E-03 1200 4.8103 0.8279 0.004095 2.644E-03 2400 1.2762 0.5607 0.004099 2.647E-03 3600 0.3978 0.2846 0.004100 2.647E-03 5400 0.1057 0.0956 0.004100 2.647E-03Tabla 18. Velocidad de secado en kg w/segm2

Para calcular la parte derecha de la ecuacin (). Se necesita calcular las humedades del aire con las temperaturas experimentales (temperatura de bulbo seco y hmedo de entrada y salida) y el flujo de aire que se utiliza en el proceso. Los resultados son


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Tbs (C) Tbh (C) Y1 [kgw/kg as] G[kgaire/m2seg] Tbs (C) Tbh (C) Y2[Kgw/Kgas] 59 17 0.0021 1.44107 59 17.00 0.0021 59 17 0.0021 1.44107 19 17.00 0.0600 59 17 0.0021 1.44107 21 18.00 0.0500 59 17 0.0021 1.44107 52 17.00 0.0300 59 17 0.0021 1.44107 50 17.50 0.0200 59 17 0.0021 1.44107 57 18.00 0.0150Tabla 19. Informacin del aire seco

Como se conocen las humedades de entrada y salida se puede calcular la parte izquierda de la ecuacin () t [seg] G(Y2-Y1) [kgw/m2seg] 0 0.00E+00 600 0.00E+00 1200 4.06E-03 2400 1.16E-03 3600 5.81E-03 5400 5.81E-03 7200 5.52E-03 10800 3.34E-03Tabla 20

Los resultados del balance de materia para el lecho fluidizado se encuentran en el apndice 11.2. Balances de masa en el secador de charolas Para llevar a cabo el secado de las verduras y hortalizas en el secador de charolas, se procede primero a pesarlas ante de limpiarlas, esto es para saber cuanta materia se pierde, debido a los procesos posteriores de acondicionamiento. Como son las operaciones preliminares que se sealan en la siguiente tabla donde se puede observar cuales se llevaron a cabo Posteriormente para cada vegetal u hortaliza se realizan las operaciones preliminares especificas que se sealan, en la tabla 10, se puede observar cuales y de que manera se llevaron a cabo para cada material. Cabe mencionar que los cubos y las rodajas se hicieron de aproximadamente 5mm de espesor, con el fin contribuir a un mejor secado. Antes de introducirlos al secador, se pesan las charolas vacas. Despus se vacan los vegetales de manera que sobre la charola quede una capa uniforme, se vuelven a pesar y as se obtiene un mejor registro sobre la masa inicial que entra al secador de charolas


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VERDURA/HORTALIZA LAVADO PELADO CORTADO DESVAINADO DESGRANADO ESCALDADO Ajo Manual Rodajas Cebolla Manual Rodajas Calabaza Manual Cubos Chcharo Manual Jitomate Manual Rodajas Maz Manual Manual Con Papa Manual Cubos bisulfito de sodio (1%) Zanahoria Manual CubosTabla 10 . Operaciones preliminares a las que fue sometida cada verdura u hortaliza

El secador de charolas se enciende 15 minutos antes del experimento, manteniendo constante el flujo de aire, en este caso fue de 1.25 m/s +.0.5, y el control de temperatura de 60C + 1, como cuenta con una pistola la cual contiene dos termmetros, uno para la temperatura de bulbo hmedo y otra para la temperatura de bulbo seco; se miden ambas temperaturas en la entrada del aire. Y con voltmetro se mide la temperatura de salida del aire. Adems el secador se tara, pues tiene una canastilla colgando donde se introducen las charolas. Ya que se tiene una temperatura de 60C en la entrada del aire se procede a introducir las charolas con el vegetal que va ha ser secado. Tomndose las lecturas de masa, temperatura de bulbo hmedo y bulbo seco, as como de la velocidad del aire. Las mediciones se toman a diferentes tiempos, al principio se hace a intervalos de 5 minutos hasta completar 30, despus de 10 hasta completar la hora, la siguiente hora se divide en intervalos de 20 minutos. Despus de 30 y por ltimo de 1 hora. El secado tiene una duracin aproximada de 3 horas. Cuando se extraen las charolas, la verdura de cada una de ella, se introduce a la balanza electrnica para determinar cuanta humedad todava contiene, y as ver cual es la masa seca total. A continuacin se presenta el tratamiento de los datos experimentales correspondiente a los balances de materia. Se muestra los clculos detallados para un solo vegetal (Zanahoria), ya que el procedimiento es el mismo para los dems. Se toma una muestra de zanahoria fresca, a la cual se le determino la humedad en una balanza electrnica, en la tabla 21 se presentan los resultados. m (kg) 0.0184 Mss (kg) 0.0024 X (kg w/kg s.s) 6.695

Tabla 21. Humedad en base seca de la zanahoria fresca.

Del proceso de deshidratacin de la Zanahoria, se obtuvieron los siguientes datos experimentales.


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40

T (seg) 0 300 600 900 1200 1500 1800 2400 3000 3600 4800 6000 7200 9000

m (kg) 0.36165 0.34365 0.32265 0.30565 0.28565 0.26465 0.24865 0.21365 0.18365 0.15865 0.11365 0.08164 0.06165 0.04365

vs (m/s) tbh,ent (C) 1.21 1.19 1.22 1.18 1.22 1.23 1.21 1.22 1.25 28 28 28 28 28 28 28 28 28

tbs,ent (C) 60 60 61 61 61 61 61 61 61

tbh,sal (C) tbs,sal (C) 26 26 26 26 26 26 26 26 26 27 27 28 28 28 53 53 53 53 53 53 53 53 54 54 54 56 58 60

1.21 28 61 1.22 28 61 1.23 28 61 1.22 28 61 1.23 28 62 Tabla 22. Datos experimentales.

Al trmino del proceso, se tomo una cantidad de zanahoria deshidratada en cada charola y se analizo en la balanza electrnica. Con el fin de determinar la masa seca en la misma. CHAROLA 1 2 3 4 Promedio m (kg) 0.01308 0.01008 0.01395 0.01392 0.01276 mss (kg) 0.01255 0.00960 0.01349 0.01319 0.01221 X (kg H2O/kg s.s) 0.0422 0.0500 0.0341 0.0553 0.04542

Tabla 23. Humedades en base seca para la zanahoria deshidratada.

Con la masa seca determinada con la balanza de humedad, se puede establecer una regla de tres simple para extrapolar la masa seca contenida en la verdura fresca que va a ser sometida a tratamiento Si la masa de slido hmedo (m) puesta en la balanza de humedad contiene cierta masa slido seco (mss muestra) , la masa seca (mss total) presente en cualquier muestra de slido hmedo ser:

ms .s total =

(ms.s muestra ( mhumedatotal ) )mhumedamuestra

(36)

Con el valor de la masa seca se procede a determinar las humedades en base seca y hmeda para los diferentes intervalos de tiempo.


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41

T (seg) 0 300 600 900 1200 1500 1800 2400 3000 3600 4800 6000 7200 9000

m (kg) 0.36165 0.34365 0.32265 0.30565 0.28565 0.26465 0.24865 0.21365 0.18365 0.15865 0.11365 0.08164 0.06165 0.04365

ms.s (kg) X(kg w/Kg s.s) x(kg w/Kg tot) 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 0.042 7.6585 7.2276 6.7248 6.3178 5.8389 5.3362 4.9531 4.1151 3.3969 2.7983 1.7210 0.9546 0.4760 0.0451 0.8845 0.8785 0.8705 0.8633 0.8538 0.8422 0.8320 0.8045 0.7726 0.7367 0.6325 0.4884 0.3225 0.0431

Tabla 24. Humedad en base seca y humedad de la zanahoria

Con las humedades en base seca y el tiempo, se hace una curva de secado X vs. t, y se ajusta la curva para obtener el polinomio que representa cmo cambia la humedad en cada tiempo.

9 8 X[kg agua/kg s.seco] 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2000 4000 t [s e g ] 6000 8000 10 0 0 0

Grafica 16 Comportamiento tpico de una curva de secado

Con los datos anteriores, se puede calcular una parte del balance de masa para el secador. El balance de masa es el siguiente.


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42

mss dX = G (Y2 Y1 ) A dt

(37)

Para conocer la velocidad de secado. Se ajusta un modelo polinomial a la curva X vs. T y la expresin resultante se deriva para obtener la ecuacin (38). La ecuacin (40) se obtiene al multiplicar el lado izquierdo de la ecuacin (38) por la masa del slido seco y dividir por el rea superficial expuesta al secado

dX = 18 x108 t 1.7 x10 3 dtentonces, el flux de agua evaporada:

(38)

N=

mss dX A dt

(28)

Por lo tanto en la tabla 25 podemos ver la velocidad de secado en el intervalo de tiempo experimental t[seg] (-dX/dt) 0 0.00170 300 600 900 1200 1500 1800 2400 3000 3600 4800 6000 7200 9000 0.00165 0.00159 0.00154 0.00148 0.00143 0.00138 0.00127 0.00116 0.00105 0.00084 0.00062 0.00040 0.00008 N[kgagua/m2seg] 0.00036 0.00035 0.00033 0.00032 0.00031 0.00030 0.00029 0.00027 0.00024 0.00022 0.00018 0.00013 0.00008 0.00002

Tabla 25. Velocidad de secado en w/segm2

Para obtener la parte derecha de la ecuacin 38 se calcula el flujo de aire seco, para ello, se calcula el volumen hmedo del aire que entra al secador, despus a la velocidad superficial (u) se divide por el volumen hmedo

v H ( m 3 mezcla / kgaire C ) = (0.00283 + 0.00456Y ')(t G + 273)

(39)


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43

G ( kgAS / m 2 seg ) = las masa, el t[seg] 0 300 600 900 1200 1500 1800 2400 3000 3600 4800 6000 7200 9000

vs vH

(40)

Para conocer Y1 se emplea la carta psicomtrica teniendo como referencia temperaturas de bulbo hmedo y seco en la entrada del sistema. Con la ecuacin 37 se determina Y2, con esto completamos el balance de cual esta en la tabla 26. N[kg w/ seg m2] Y1 [kg w/kg s.s] Y2[kg w/kg s.s] G[kg a/seg m2] 0.00036 0.018 0.0182861 1.24778 0.00035 0.018 0.0182817 1.22716 0.00033 0.0175 0.0177663 1.25531 0.00032 0.0175 0.0177660 1.21415 0.00031 0.0175 0.0177483 1.25531 0.00030 0.0175 0.0177373 1.26560 0.00029 0.0175 0.0177321 1.24502 0.00027 0.0175 0.0177121 1.25531 0.00024 0.0175 0.0176894 1.28618 0.00022 0.0175 0.0176774 1.24502 0.00018 0.0175 0.0176399 1.25531 0.00013 0.0175 0.0176029 1.26560 0.00008 0.0175 0.0175676 1.25531 0.00002 0.017 0.0170133 1.26281Tabla 26. Resultados del balance de masa

11.3. Balance de energa en el secador de charolas y lecho fluidizado El balance de energa para este tipo de secador es el siguiente:

G (Cpas + Y1'Cpw( v ) ) (T1 T2 ) = G (Y 'Y1 ) + mss Cpss + X Cpw( l )

(

) dT + Q dt

(33)

para el estudio de esta ecuacin se hicieron los siguientes anlisis. Como las temperaturas de salida del aire no disminuyeron ms de 15C, puede suponerse un proceso adiabtico, para corroborarlo se resolvi la ecuacin (33) diferencialmente para obtener la temperatura de slido:

T (t ) = 5.743x10 17 e 1.48411 t 9.38308 x 1017 + 1.053 x 1018 e

(

1.4811 t

)

(41)

al sustituir los diferentes tiempos, no se observa algn pozo trmico, es decir, el desequilibrio trmico que se induce al sistema, al introducir el slido que se va a secar.; por tal motivo se dieron tiempos pequeos para encontrar este comportamiento en el sistema. Cabe mencionar que se realizan los clculos para tres casos, el primero considerando el proceso adiabtico, el segundo la perdidas de calor constantes y el tercero utilizando el


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coeficiente convectivo de calor y la diferencia de temperaturas. Los resultados se muestran en la siguiente tabla 27. ADIABTICO T[C] 60.4274 30.1333 34.313 46.0072 52.4647 53.5633 58.8721 59.6871 60.075 60.1655 60.2596 60.3475 60.3681 60.3894 60.4093 60.4188 60.4233 60.4243 60.4254 60.4265 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 60.4274 Q Cte T[C] 60.4067 30.133 34.3099 45.9962 52.4493 53.5472 54.4936 56.0127 57.1415 58.8525 59.6669 60.0545 60.145 60.2391 60.3269 60.3474 60.6987 60.3886 60.3933 60.3981 60.4026 60.4036 60.4047 60.4058 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 60.4067 Q (T) T[C] 60.4526 30.1333 34.5209 46.5761 53.027 54.1016 55.0207 56.4791 57.5459 59.1222 59.8437 60.1739 60.2487 60.325 60.3942 60.4099 60.4259 60.4403 60.4436 60.447 60.45 60.4507 60.4514 60.452 60.453 60.453 60.453 60.453 60.453 60.453 60.453 60.453 60.453 60.453 60.453

t[seg] 0 0.1 0.5 0.9 1 1.1 1.3 1.5 2 2.5 3 3.2 3.5 4 4.2 4.5 5 5.2 5.5 6 6.2 6.5 7 300 600 900 1200 1500 1800 2400 3000 3600 4800 6000 7150

Tabla 27. Temperatura del slido, considerando el caso adiabtico, Q constante y Q como funcin de la temperatura

Como no hay gran diferencia entre las tres temperatura obtenidas, este proceso puede tratarse como un proceso adiabtico.


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Entonces, para conocer el cambio de entalpa de gas, se utiliza la ecuacin (42) pero en lugar de resolver se toman los incrementos en el tiempo y los T correspondientes, es decir, t2-t1. Cabe mencionar que se realizaron grficas para observar el comportamiento de los Cps, y en los intervalos de temperatura en los cuales se llevo a cabo el secado, y estos variaban muy poco, por lo que se toman constantes. 12. PRODUCCIN ANUAL DE SOPAS DESHIDRATADAS Se realizo un estudio de mercado, se analizo el contenido de varias sopas comerciales y se encontr que el porcentaje de verdura deshidratada contenida en los sobres es de 68.396 % y el porcentaje de polvo (condimentos) es de 31.604% Especficamente se analizo la sopa juliana y se encontr los siguientes datosVerdura /hortaliza Masa deshidratada Porcentaje

Calabaza Chcharo Maz Papa Zanahoria

3.26 2.97 1.48 6.17 5.42

16.89 15.39 7.67 31.97 28.08

Tabla 28. Contenidos de verdura en la sopa juliana

Se requiere producir 80,000 tonelada por ao de sopa deshidratada, de este total se necesita saber cuanta cantidad corresponde a sopa deshidratada y que porcentaje de condimentos. De acuerdo al porcentaje encontrado de la sopa comercial tenemos

masa verdura =

80,000 * 68.396 = 54,717 100

(42)

mada polvo = 80,000 54,717 = 25,283

(43)

Del masa de verdura calculada anteriormente y con los porcentaje de la tabla (), se puede calcular la cantidad de ingredientes de la sopaVERDURA / HORTALIZA mss [kg/ao] mss (kg/da)

Calabaza Chcharo Maz Papa Zanahoria

9,242 8,421 4,197 17,493 15,364

37 34 17 70 62

Tabla 29. Produccin de sopa deshidratada


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13. Diagrama de la planta La distribucin general de la planta deshidratadora de verduras y hortalizas se presenta en la Fig. 11. En este diagrama se puede observar como estn distribuidos los edificios de la planta. Entre ellos se encuentran las oficinas, la recepcin y el almacn de materias primas, los sistemas auxiliares (bombas, compresores y calderas) y el proceso. En la Fig. 12 se muestra la distribucin del proceso. Se puede observas las lnea de produccin para cada vegetal, en cada lnea se muestra las operaciones previas al secado (Acondicionamiento del vegetal, pelado, cortado, escaldado), el secado (secador de charolas y secado de lecho fluidizado) y finalmente el envasado.

PLANTA DESHIDRATADORA DE VEGETALES Y HORTALIZAS 81.4 m

UAM Iztapalapa 15.0 m

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46.0 M

5.5 m

SISTEMAS AUXILIARES

(COMPRESORES, BOMBAS, CALDERAS)

TANQUES DE GAS

8.0 m

15.0 m C I S T E R N A

ALMACEN PRODUCTO ENVASADO COMEDOR LOCKER BAOS

22.0 m

43.2 mP. D E T R A. A G U A

PROCESO

OFICINAS

24.9 m

15.0 m

RECEPCION ALMACENAMIENTO

ESTACIONAMIENTO

19.9 m

30.0 m39.1 m

40.0 m

Figura 11. Distribucin de la planta


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P1 1.1

PM1.2 1.3

C1.4

E

1.5

LZ2 2.1 2.2 2.3 2.4

MVF E2.5

SLF

LP3

P

3.1

LC4 4.1

PM

3.2

3.3

1.6 2.6 3.4MVF

1.7 2.7 3.5 MVD SLF

D

4.2

LCH

R5

A5.1

4.3

DE

5.2 5.3

LM E6 6.1

4.4 5.4

4.5 5.5 EN

E

CR6.2

LLC SC M

LCE7 7.1 7.2

LA CR* Nomenclatura empleada se presenta en la siguiente hoja 6.3 7.2

6.4 7.3

Figura 12. Diagrama del proceso.


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Nomenclatura empleada en la figura 12 C CR D DE DH E EN LC

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Planta a de Vegetales y Hortalizas