Concentración de sacarosa en un suero de leche a través de un evaporador con un solo efecto de película ascendente




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Concentración de sacarosa en un suero de leche a través de un evaporador con un solo efecto de película ascendente.

Aceves L. Hugo., Alfaro V. Laura, Jiménez M. Jaime, Martínez E. Adela., Rivera L. Erick, Terrazas O, Mauricio.

23 de septiembre de 2013.

Resumen.

El objetivo principal de este trabajo es dar pre-tratamiento a un producto de desecho de la producción de queso, concentrando la lactosa en este caso proveniente de un suero de leche, para lograr dicho objetivo se empleó un evaporador de película ascendente con un solo efecto. El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha. El suero de leche es el subproducto más abundante de la industria láctea ya que sus características no lo hacen apto para su comercialización directa por lo cual se trata mediante técnicas que permiten la extracción de sus componentes. Este trabajo permitió comprender y analizar los distintos parámetros que intervienen en la evaporación de una solución acuosa, así como comprender el diseño y manejo del equipo. No se logró evaporar una parte del suero de leche previamente descremado, se presentaron problemas en el evaporador, se recomienda utilizar suero de leche recién obtenido y trabajar con material menos contaminante y mejorar el mantenimiento del equipo.

Índice.




Paginación.

Introducción.

1

Marco teórico.

1

Materiales y métodos.

2

Resultados.

2

Conclusiones.

3

Referencias bibliográficas.

4

Anexos.

5







Introducción.

Las operaciones unitarias son muy importantes en todo proceso empleado en la industria, sobre todo en la química, son muy variadas pero todas se rigen prácticamente por los mismos principios, el motivo de este reporte, es conocer las implicaciones que conllevan la utilización de un evaporador de película ascendente, para concentrar una solución de suero de leche, con esto es posible observar las variables relacionadas en el aparato, (temperatura, presión, flujo) y controlarlas para obtener un mejor rendimiento para obtener un mayor conocimiento y experiencia en la utilización de estos equipos.

Marco Teórico

El objetivo de la evaporación es concentrar una disolución consistente en un soluto no volátil y un disolvente volátil. En la mayor parte de las evaporaciones el disolvente es agua. La evaporación se realiza vaporizando una parte del disolvente para producir una disolución concentrada. Normalmente, en evaporación el producto valioso es el líquido concentrado mientras que el vapor se condensa y se desecha [1].

Entre los ejemplos típicos de procesos de evaporación están la concentración de soluciones acuosas de azúcar, cloruro de sodio, hidróxido de sodio, glicerina, gomas, leche y jugo de naranja. Las propiedades físicas y químicas de la solución que se está concentrando y del vapor que se separa tienen un efecto considerable sobre el tipo de evaporador que debe usarse y sobre la presión y la temperatura del proceso [2].

Algunos factores que afectan el proceso son:

  1. Concentración del líquido.

  2. Solubilidad.

  3. Sensibilidad térmica de los materiales.

  4. Formación de espumas.

  5. Presión y temperatura.

  6. Formación de incrustaciones y materiales de construcción.

La evaporación consiste en la adición de calor a una solución para evaporar el disolvente que, por lo general, es agua. Usualmente, el calor es suministrado por condensación de un vapor (como vapor de agua) en contacto con una superficie metálica, con el líquido del otro lado de dicha superficie. El tipo de equipo usado depende tanto de la configuración de la superficie para la transferencia de calor como de los medios utilizados para lograr la agitación o circulación del líquido [2].

La mayoría de los evaporadores se calientan con vapor de agua que condensa sobre tubos metálicos. Generalmente el vapor es de baja presión, inferior a 3 atm absolutas, y con frecuencia el líquido que hierve se encuentra a un vacío moderado, de hasta 0,05 atm absolutas. Al reducir la temperatura de ebullición del líquido aumenta la diferencia de temperatura entre el vapor condensante y el líquido de ebullición y, por tanto, aumenta la velocidad de transmisión de calor en el evaporador [1].

El suero de leche es el subproducto más abundante de la industria láctea, es el residual obtenido de la manufactura del queso. Este subproducto es de difícil aceptación en el mercado, ya que sus características no lo hacen apto para su comercialización directa como suero líquido [3]. Debido a esto, el lactosuero se trata mediante técnicas que permiten la extracción de sus componentes, tales como: la lactosa (3,3-6,0%) y proteínas (0,32-0,7%), que constituyen fuentes potenciales para la alimentación humana; sin embargo, solo una parte del suero se utiliza para estos fines, ya que la mayor parte del lactosuero se convierte en un efluente altamente contaminante cuando se vierte a los cuerpo de agua, debido a su gran demanda biológica y química del oxígeno [4].

Materiales y métodos

-Refractómetro “Atago 02941-19”

-Termómetro

-Tres recipientes

-Dos recipientes de 20 lts

-Vaso de precipitado 250 ml

-Suero de Leche

-Hielo

Equipo:

-Evaporador de película ascendente “Armfield”

-Descremadora “Elecrem”

Se tomó una muestra del suero de leche procedente de la “Quesería la mesa Badi”, la cual fue vertida en la descremadora, que está compuesta por dos salidas a sus costados; se colocaron dos recipientes que se llenaban de crema y suero respectivamente, pudiéndose diferenciar por el color y textura de cada uno, el suero se descremó por segunda vez. EL suero descremado se vertió sobre los recipientes de 20 L previamente lavados. Después se colocó el suero de leche en los tanques de alimentación del Evaporador, y se puso a purgar el sistema con agua, que era impulsada por una bomba al Evaporador. Una vez que el suero se logró retroalimentar se dejó que se llevara a cabo el proceso, manteniendo una temperatura de70°C, utilizando agua con hielo bombeada al evaporador nuevamente. Se tomó una muestra cada dos horas de la solución procesada, para determinar los grados Brick’s empleando un Refractómetro “Atago 02941-19”.

Resultados.



Tabla 1: Valores iniciales.



Tabla 2: Datos obtenidos durante la práctica



Tabla 3: Datos convertidos a volumen de concentrado



Tabla 4: Resultados obtenidos.

Conforme a los resultados teóricos obtenidos en contraste con los prácticos se observa diferencias significativas en los valores de Q, U y S principalmente. Esto debido a la variación del flujo en la alimentación, el precalentamiento de la solución, el estado de operación del condensador y el purgado del equipo. El flujo de la alimentación varió considerablemente debido a que el precalentamiento de la solución se encontraba 10°C por encima del preestablecido debido a una descalibración del termostato, además el purgado realizado al equipo no fue el más adecuado ya que quedaron residuos de agua que se mezclaron con la solución y provocó la aparición de burbujas de aire que culminaron en una desestabilización del flujo y una afectación en la condensación debido a la acumulación de material biológico en el condensador, disminuyendo así la transferencia de calor y la efectividad de este.

Conclusiones.

Este trabajo permitió comprender y analizar los distintos parámetros que intervienen en la evaporación de una solución acuosa, así como comprender el diseño y manejo del equipo para lograr un concentrado respectivo a una solución específica, de tal manera que dicho pre-tratamiento le proporcione a la solución características para un uso determinado, en este caso al suero de leche.

No se logró evaporar una parte del suero de leche previamente descremado. Durante la realización, se presentaron problemas en el evaporador debido a las irregularidades en el sistema mencionadas anteriormente haciendo énfasis en el purgado del equipo. Por lo cual, se recomienda utilizar suero de leche recién obtenido para evitar fallas en el evaporador y trabajar con material menos contaminante o dañino para el equipo (que no genere residuos o incrustaciones), así mismo mejorar el mantenimiento del equipo empleando agentes químicos para su limpieza y no solo agua.

Referencias bibliográficas.

[1] Mc Cabe, W.L., Smith, J. C., Harriott P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Capítulo 16 “Evaporación” McGraw Hill. Madrid, España, 1991, pág. 482

[2] Geankoplis, C. J. Procesos de Transporte y Principios de Separación. Capítulo 8 “Evaporación”. Grupo Editorial Patria, Tercera edición, México, 1998, pág. 545

[3] Marwaha,S.S.; Kennedy J.F. Review: “Whey pollution problem and potential utilization”. Int. J. Food Sci. Technol. 23: 323-336. 1988.

[4] Kononovich, N. “whey utilization and whey products”. J. Dairy Sci. 62(7): 1149-1160. 1979.





Anexo I.

Donde se muestra las operaciones para la obtención de los cálculos.

Teóricamente con los datos de presión, flujo, temperaturas (Tft, T1 ,Ts)y vapor condensado

Balance de masa

F= L+V

Tomando en cuenta que el volumen de condensado que se obtuvo fue el total de las 2 horas de trabajo se procederá a tomar la media de este valor para trabajar con lo que aproximadamente se obtuvo en una hora.

V = 0.286 L/2 =0.143 L/h

L= F-V

L= 7 L/h – 0.143 L/h

L= 6.857 L/h
F*XF = L*XL

XL = F* XF/L

XL = 7 L/h* 0.06/6.857lt/h

XL = 0.06125127

Balance de calor

F*hF+S*λ=L*hL+V*HV

Empleando las tablas de calor saturado y sobre calentado se obtienen los valores para las entalpias que a continuación se presentan

hF a 70°C= 293 KJ/Kg

λ a presión de 0.0392266082 Mpa y 150°C= 2781 KJ/Kg

hL a 101°C en estado líquido= 420 KJ/Kg

HV a 101°C en estado gaseoso= 2677 KJ/Kg

7 L/h*293KJ/Kg+S*2781KJ/Kg=6.857lt/h*420KJ/Kg+0.143lt/h*2677KJ/Kg

2051+2781 S= 2879.94 + 328.811

2781 S = 1211.75

S= 1211.75/2781

S=0.435725 L/h
Q= S*λ

Q= 0.435725lt/h*2781KJ/Kg (1000 J/3600 s) = 336.598 J/s

U= Q/A*ΔT

ΔT= Ts- T1

U= 336.596 W/0.064 m2*(150 °C-101°C)

U= 107.334 W/m2 °C

Eficiencia

Eficiencia = (V/S)*100

Eficiencia = (0.143/0.435725)*100

Eficiencia = 32.81%

Prácticamente con datos de presión, flujo, temperatura (Tf, T1, Ts), volúmenes de concentrado en cada hora y volumen de condensado.

Debido a que ya se tienen los valores de flujo de F, L y V así como las fracciones de solidos lo único que resta por hacer es calcular el calor empleado y el coeficiente de transferencia de calor.

Balance de calor

F*hF+S*λ=L*hL+V*HV

Empleando las tablas de calor saturado y sobre calentado se obtienen los valores para las entalpias que a continuación se presentan:

hF a 80°C= 335 KJ/Kg

λ a presión de 0.0392266082 Mpa y 150°C= 2781 KJ/Kg

hL a 101°C en estado líquido= 420 KJ/Kg

HV a 101°C en estado gaseoso= 2677 KJ/Kg

Volumen de L en la primera hora= 8.89659 lt

7 L/h*335KJ/Kg+S*2781KJ/Kg=8.89659L/h*420KJ/Kg+0.143 L/h*2677KJ/Kg

2345+2781 S= 3736.57 + 328.811

2781 S = 1774.38

S= 1774.38/2781

S=0.638037 L/h

Q= S*λ

Q= 0.638037 L/h*2781KJ/Kg (1000 J/3600 s) = 492.883 J/s

U= Q/A*ΔT

ΔT= Ts- T1

U= 492.883 W/0.064 m2*(150 °C-101°C)

U= 157.169 W/m2 °C

Eficiencia

Eficiencia = (V/S)*100

Eficiencia = (0.143/0.638037)*100

Eficiencia = 22.4008%

Volumen de L en la segunda hora= 8.24835 L

7 L/h*293KJ/Kg+S*2781KJ/Kg=8.24835lt/h*420KJ/Kg+0.143 L/h*2677KJ/Kg

2345+2781 S= 3463.31 + 328.811

2781 S = 1502.12

S= 1502.12/2781

S=0.540137 L/h

Q= S*λ

Q= 0.540137 L/h*2781KJ/Kg (1000 J/3600 s) = 417.256 J/s

U= Q/A*ΔT

ΔT= Ts- T1
U= 417.256 W/0.064 m2*(150 °C-101°C)

U= 133.054 W/m2 °C

Eficiencia
Eficiencia = (V/S)*100

Eficiencia = (0.143/0.540137)*100

Eficiencia = 26.4748%


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