UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA DISTANCIA - UNAD
EVALUACION POR PROYECTO
TERMODINAMICA
ESTUDIANTES: VIVIANA MARIA CASTILLO C C.C. 1112768588 MICHAEL ANDRES GUTIERREZ CC 1114818854 CURSO: 201015
GRUPO: 133
TUTORA: ANA ILVA CAPERA
DICIEMBRE 2012
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 3 OBJETIVOS ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 4 OBJETIVOS GENERALES ................................................... ............................................................................. .................................. ........ 4 OBJETIVOS ESPECIFICOS ......................................................... ................................................................................... .......................... 4 DESARROLLO DE LOS PUNTOS PUNTOS SOLICITADOS ............................................... ............................................... 5 LLUVIA DE IDEAS ....................................................... ................................................................................ ........................................... .................. 5 SELECCION DEL PROCESO DE ELABORACION ................................................ ................................................ 5 DESCRIPCION DEL PRODUCTO ....................................... ................................................................. .................................. ........ 5 SISTEMAS TERMODINÁMICOS UTILIZADOS EN EL PROCESO ...................... 21 CONSUMO ENERGÉTICO PARA LA ELABORACIÓN DE LA SALSA DE TOMATE………………………. .. ................................................... ........................................................................... ........................ 23
TRABAJO REALIZADO PARA LA ELABORACION DEL PRODUCTO ................ ................ 26 ENTROPIA ................................................. ........................................................................... .................................................... ................................ ...... 27 CICLOS TERMODINAMICOS DURANTE EL PROCESO DE ELABORACION DE LA SALSA …… .................................................. ............................................................................ .................................................. ........................ 28
CONCLUSIONES............................................................. ....................................................................................... ..................................... ........... 29 BIBLIOGRAFIA ................................................... ............................................................................. .................................................. ........................ 30
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CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ................................................ .......................................................................... .................................................... .......................... 3 OBJETIVOS ................................................ .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 4 OBJETIVOS GENERALES ................................................... ............................................................................. .................................. ........ 4 OBJETIVOS ESPECIFICOS ......................................................... ................................................................................... .......................... 4 DESARROLLO DE LOS PUNTOS PUNTOS SOLICITADOS ............................................... ............................................... 5 LLUVIA DE IDEAS ....................................................... ................................................................................ ........................................... .................. 5 SELECCION DEL PROCESO DE ELABORACION ................................................ ................................................ 5 DESCRIPCION DEL PRODUCTO ....................................... ................................................................. .................................. ........ 5 SISTEMAS TERMODINÁMICOS UTILIZADOS EN EL PROCESO ...................... 21 CONSUMO ENERGÉTICO PARA LA ELABORACIÓN DE LA SALSA DE TOMATE………………………. .. ................................................... ........................................................................... ........................ 23
TRABAJO REALIZADO PARA LA ELABORACION DEL PRODUCTO ................ ................ 26 ENTROPIA ................................................. ........................................................................... .................................................... ................................ ...... 27 CICLOS TERMODINAMICOS DURANTE EL PROCESO DE ELABORACION DE LA SALSA …… .................................................. ............................................................................ .................................................. ........................ 28
CONCLUSIONES............................................................. ....................................................................................... ..................................... ........... 29 BIBLIOGRAFIA ................................................... ............................................................................. .................................................. ........................ 30
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INTRODUCCION
El presente trabajo consta de dos actividades, la primera trata sobre la participación individual con lluvia de ideas proponiendo un producto a nivel industrial al cual posteriormente se le van a identificar los sistemas y ciclos termodinámicos. Posteriormente se deben realizarlos cálculos termodinámicos que se suceden en cada una de las etapas como consumo de energía de equipos, cálculos de calor, trabajo y entropía durante los procesos tecnológicos de conservación, pelado, molido, mezcla, esterilización, escaldado, etc. Finalmente el grupo colaborativo entrega un proyecto de elaboración de un producto donde puede aplicar todos los conocimientos adquiridos a lo largo del curso de termodinámica.
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OBJETIVOS GENERAL Identificar ciclos y sistemas termodinámicos y realizar los cálculos termodinámicos que aplican al proceso de elaboración de salsa de tomate, de acuerdo a los conocimientos adquiridos en el curso.
ESPECIFICOS
Reconocer los conceptos termodinámicos que aplican a los procesos industriales en particular a la salsa de tomate.
Afianzar conocimientos y destreza del cálculo de cantidad de calor, energía, trabajo y entropía.
Afianzar los conocimientos y aplicación de los principios termodinámicos en
la
determinación de los consumos energéticos en el Proceso de
elaboración de salsa de tomate.
Realizar el cálculo del consumo de gas y/o energía eléctrica en estufas industriales para llevar a cabo el proceso de elaboración.
Realizar el cálculo de Energía calorífica necesaria para incrementar o disminuir la temperatura de las mezclas cuando así lo requiera el proceso.
Identificar y tener en cuenta las propiedades termodinámicas de la salsa de tomate para caracterizar debidamente el proceso de elaboración del producto.
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DESARROLLO DE PUNTOS SOLICITADOS
LLUVIA DE IDEAS ACERCA DE LOS DIFERENTES PROCESOS PARA LA ELABORACIÓN DE UN PRODUCTO QUE QUIERAN REALIZAR. El compañero Michael Andrés propone la salsa de tomate y posterior Viviana Castillo también enfoca su propuesta en la salsa de tomate.
SELECCIÓN POR EL GRUPO DE UN PROCESO PARA LA ELABORACIÓN DE UN PRODUCTO PROPUESTAS
ESTUDIANTE MICHAEL ANDRES GUTIERREZ
SALSA DE TOMATE
VIVIANA MARIA CASTILLO C
total
TOTAL VOTOS 1 1 2
En vista de que la salsa de tomate la proponen dos estudiantes optamos por trabajar sobre dicho proceso de elaboración
DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO
Salsa de tomate
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La salsa es la magia de la cocina, es el toque personal en cada plato, pueden ser sencillas, con pocos elementos, como la besamel o muy complicadas, como la española o la vizcaína. Salsa es una palabra que procede del latín salsus, que quiere decir salado; se emplea para resaltar el sabor de los alimentos. Hace unos años las salsas eran más espesas y tenían casi siempre demasiada harina; hoy se hacen más caseras procurando no esconder el sabor de cada alimento, además se digieren mejor. La salsa de tomate es una salsa elaborada, con tomates frescos, que han sido trabajados hasta obtener una consistencia espesa, adicionada con sal, azúcar, vinagre y especias .Aunque el tomate sea originario de América, la historia de la salsa de tomate nace en Italia, donde era un producto básico para la elaboración de sus tradicionales pastas. Posteriormente esta salsa fue producida de manera industrial en 1876 en estados unidos, haciendo de ella un ingrediente básico para acompañar, no solo pastas, sino la mayoría de las comidas rápidas. En Colombia este proceso industrial nació en los años cincuenta, cuando la producción de tomates era tan alta, que el mercado potencial no tenía la capacidad de consumir tal cantidad, así los precios fueran bastante bajos, haciendo de este negocio poco rentable. Este fenómeno genero gran inquietud entre los comerciantes, que viajaron al exterior a capacitarse en técnicas de conservación de alimentos, trayendo las tendencias de la época para la elaboración; empaque y conservación de la salsa de tomate a nivel industrial. La salsa de tomate tradicional colombiana corresponde al hogao, salsa elaborada a base de tomate, cebolla y especias. En la cocina colombiana actual esta salsa ha sido reemplazada, especialmente en comidas rápidas, por la salsa de tomate producida industrialmente. Además de la salsa de tomate industrialmente se produce pasta de tomate que se utiliza para cocinar, en Colombia esta tiene un sabor dulce.
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SALSAS
La salsa es el producto elaborado a partir de varias hortalizas, especias y vinagre. Este producto se utiliza como saborizante complementario en la alimentación diaria. En cada país, existen salsas específicas, de acuerdo a las costumbres. Sin embargo algunas salsas, como la Catsup son muy conocidas. Para impedir la sedimentación de la parte sólida, se homogeneíza el producto, moliendo las partículas lo más finamente posible. Además se estabiliza el producto aumentando la viscosidad con gomas, fécula o harina. Las salsas se concentran hasta llegar a 36° Brix.Alcanzando la concentración deseada se debe efectuar la de sal reacción. La salsa normalmente es un producto de baja acidez que se debe envasar en caliente, a 85°C por lo menos, cerrando el envase e invirtiéndolo inmediatamente para esterilizar la tapa. Si el envasado se efectúa a temperaturas más bajas, es necesario esterilizar los frascos, con todo y producto.
ETAPAS DEL PROCESO (SALSA DE TOMATE)
• Procedimiento • Extracción de jugo. • Tamizado o colado del jugo. • Concentración del jugo a través de temperatura hasta alcanzar 10° a 16° Brix; o
más Si se desea a 10° Brix se le agrega 1% de sal y si es de 16° Brix se le agrega el 2% de saly si él % de grados Brix es más alto, el % de sal será aún mayor.
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•Luego se llenan los recipientes en caliente 85° - 90°C y se tapan bien. •Luego se esteriliza a temperatura mayor de 100°C por 15 minutos.
LAS MATERIAS PRIMAS Y LOS PROCESOS
MATERIAS PRIMAS Manejo y almacenamiento Las materias primas se clasifican en materias primas primarias; y materias primas no-primarias.
Materias Primas Primarias Son aquellas que se producen en la finca y que están disponibles para el agricultor, en nuestro caso las hortalizas, tomates, coliflor, ejotes, chile, zanahoria, etc.
Materias Primas no-Primarias Son aquellas que no se obtienen directamente del terreno agrícola y que son ampliamente utilizados en el procesamiento y conservación de los alimentos, Ej. Los edulcorantes sal, vinagre, especies, etc.
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Manejo de las materias primas Durante su manejo se deben tomar en cuenta aspectos como la maduración, respiración y transpiración, así como la recolección y el transporte.
Madurez Esta es importante tanto para controlar la calidad del producto final, como para mejorar la eficiencia y validez del proceso, ya que la maduración excesiva tiene como consecuencia el rechazo de muchos productos y daños al manipularlo, así como alteración durante el almacenamiento. Cuando las hortalizas están madurando en el campo, presentan cambio radical de un día para otro. Existe un momento en que la hortaliza está en su punto más alto de calidad, tanto en color, textura, y esta calidad se puede perder en un solo día.
Respiración Las hortalizas son seres vivos y llevan consigo procesos y características de todos los seres vivos. El más importante de estos es la respiración, en el cual el oxígeno se combina con el carbón de los tejidos de las plantas encontrándose principalmente con azúcares, para formar varios productos de descomposición y eventualmente de dióxido de carbono y agua.
Transpiración Las hortalizas continúan perdiendo vapor de agua después de la cosecha y si esta pérdida de agua no se retarda, el producto se puede marchitar rápidamente y volverse no comestible. Esto se da cuando ya se ha perdido entre el 5 al 10%. La pérdida de agua es más rápida abaja humedad que a alta humedad.
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Almacenamiento Lo ideal y más recomendable sería que todas las materias primas se procesarán sin demora al llegar a la planta. En la práctica, esta Situación casi nunca se presenta, así que es necesaria la provisión de una zona para almacenamiento de materias y productos especialmente procesados. Las hortalizas de hojas verdes deben guardarse o almacenarse porque pierden rápidamente sus propiedades y las vitaminas. Las remolachas, zanahorias, papas y nabos pueden almacenarse en cajas o envoltorios bien protegidos de los ratones e insectos. Tipos de almacenamientos: bandejas, pilas, al aire libre o en refrigeración
Materias primas •Puré de tomate 50 Kg. % Sal 1.8 Kg. •Cebolla molida 4 Kg. % Harina de mostaza 400 grs. •Ajo molido 1 Kg. % Pimienta molida 200 grs. •Azúcar 6 Kg. Canela molida 200 grs. •Clavo de olor molido 200 grs. •Vinagre al 5% 120 ml •Colorante rojo al gusto
VENTAJASYDESVENTAJASDELPROCESO 3.6.1 Mecanización3.6.1.1 Deterioro de los productos La mecanización puede causar deterioro excesivo en los productos, dando lugar a infecciones por insectos y gusanos, y también microbiológica. Las causas más importantes del deterioro son: •Técnicas inadecuadas de transporte de los productos. •Diseño inadecuado de los envases. 10
•Deterioro por choque en el piso. •Deterioro por el operario. •Recolección mecánica: En el caso de las frutas se aplica con éxito los vibradores y soplantes. •Diseño de los envases de recolección: En los envases más profundos existe menos deterioro
ya que entre fruta y fruta hay menos impacto. •Transporte de la materia primas: A fin de evitar deterioro en la materia prima y retraso en los
programas de recibo y entrega debido al tiempo o la falta de envases, los manufacturadores deben programar debidamente el proceso, especificando en el contrato.
INSTALACIONES Y EQUIPOS Instalaciones
El local debe ser lo suficientemente grande para albergar las siguientes áreas: recepción de la fruta, proceso, empaque, bodega, laboratorio, oficina, servicios sanitarios y vestidor. La construcción debe ser en bloc repellado con acabado sanitario en las uniones del piso y pared para facilitar la limpieza. Los pisos deben ser de concreto recubiertos de losetas o resina plástica, con desnivel para el desagüe. Los techos de estructura metálica, con zinc y cielorraso. Las puertas de metal o vidrio y ventanales de vidrio. Se recomienda el uso de cedazo en puertas y ventanas. 11
Equipo
Estufa
Despulpador (licuadora)
Termómetro
Reloj
Balanza
Baño maría, campana o túnel con vapor
Botellas o frascos de vidrio
Recepción y pesado: Consiste en cuantificar el tomate que entrará al proceso para determinar rendimientos. La recepción debe hacerse en recipientes adecuados y limpios, y con ayuda de una balanza de piso.
Selección: Se seleccionan los tomates maduros, completamente rojos, con la pulpa firme y sin signos de podredumbre. Para la elaboración de salsa no interesa el tamaño ni la forma, pero si el color.
Lavado: Los tomates se lavan con agua clorada. Un buen lavado asegura la eliminación de la suciedad, restos de pesticidas y microorganismos superficiales.
Trozado: Con ayuda de cuchillos limpios, se cortan los tomates en cuartos. No es necesario pelarlos.
Escurrido: Sirve para eliminar parte del agua de los tomates, con el fin de ahorrar tiempo en las etapas posteriores. Para ello, se envuelven los tomates en una bolsa de manta o malla plástica, la que se cuelga y se deja escurrir durante 30 minutos.
Escaldado: Los tomates se sumergen en agua limpia y se calientan a 90-95 °C durante 5 minutos. Esta operación tiene como propósitos: destruir las enzimas responsables de las pérdidas de color, reducir la carga de microorganismos presente y ablandar los tomates para facilitar la extracción de la pulpa.
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Extracción de la pulpa: Se hace con un despulpador o una licuadora. En el segundo caso, la pulpa se debe colar para separar las cáscaras y semillas.
Concentración: La pulpa se cocina por un tiempo de 30 a 45 minutos, a una temperatura de 90-95 °C, agitando suave y constantemente. El tiempo de cocción estará determinado por la concentración final que se desee, por lo general entre 25 y 30 ºBrix.
En esta parte se agrega sal en una proporción del 2%, con relación al
peso de la pulpa, es decir, a 100 Kg. de pasta elaborada, se deben de agregar 2 Kg. de sal. También pueden agregarse condimentos tales como, ajo, orégano y albahaca.
Envasado: El envasado se hace en frascos o botellas de vidrio que han sido previamente esterilizados. La salsa se chorrea a una temperatura mínima de 85 C, y para evitar que queden burbujas de aire los envases se golpean suavemente en el fondo a medida que se van llenando. Se debe dejar un espacio sin llenar equivalente al 10% del volumen del envase. Por último se ponen las tapas, sin cerrar completamente pero que tampoco queden sueltas.
Pasteurizado: Se hace para eliminar los microorganismos que pudieran haber sobrevivido a las temperaturas del proceso y así garantizar la vida útil del producto. El pasteurizado se hace calentando los envases a 95 °C por 10 minutos, contados a partir de que el agua comienza a hervir. Al finalizar el tratamiento se termina de cerrar las tapas
Enfriado: Los envases se enfrían hasta la temperatura ambiente. Para ello se colocan en otro recipiente con agua tibia (para evitar que el choque térmico los quiebre) y luego se va agregando agua más fría hasta que los envases alcancen la temperatura ambiental.
Etiquetado y almacenado: Consiste en el pegado de etiquetas (con los requerimientos de la ley), luego el producto se coloca en cajas de cartón, y estas cajas se almacenan en un lugar fresco, seco y oscuro, hasta su distribución.
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CONTROL DE CALIDAD
En la materia prima Los tomates deben ser frescos, completamente rojos y sanos.
En el proceso Los tratamientos de cocción y de pasteurizado se deben efectuar con el tiempo y temperaturas necesarias, para lograr el espesor deseado.
En el producto final Debe chequearse, la textura, el color, el sabor, el olor, el grado de concentración (grados brix). Además debe chequearse el sello y contenido de la botella. Mediante una cocina a gas, en la que suponemos se pierde el 50% del calor, logramos hacer hervir hasta convertir por completo en vapor 2 litros de agua, inicialmente a temperatura ambiente 15 oC, en un tiempo total de 14 minutos. Suponiendo que cada gramo de gas puede aportar 5300 calorías, calcúlese el peso del gas gastado.
Consumo de gas de estufas industriales al mes para las cocciones de los productos y para calentar el agua que se utilizara en la realización de la salsa de tomate. Q = M·ce·∆t = 2000·1·85 = 17·10 4 cal
Para convertirlo en vapor: Q = 2000·540 = 108·10 4 Q total = 125·10 4 cal Como la mitad de la energía se pierde, hace falta el doble de esta cantidad: Q total cocina= 2·125·104 = 250·104 cal Masa de gas gastado = 250·10 4/5300 = 471,7 g 14
Es la cantidad de energía a la que hay que someter un gramo de materia (tomate) para la evaporización a su estado de descomposición mínima para agregarle los demás ingredientes ; este concepto difiere del punto de ebullición en el que se habla de temperatura, por lo tanto al referirse a calor de vaporización se habla de una cantidad de energía. Fusión: 334 J/g (80 cal/g); de vaporización: 2272 J/g (540 cal/g).
Consumo de energía eléctrica de algunos artefactos en el proceso de la salsa de tomate. La energía eléctrica que consume un artefacto eléctrico (KWh), se determina multiplicando la potencia de dicho artefacto (Kw) por la cantidad de horas que está prendido (horas), o sea: Potencia del Tiempo que está Energía Consumida artefacto eléctrico x prendido el artefacto = por el artefacto (Kw) (horas) (Kwh) Si la potencia está expresada en Watts (W), para determinar su equivalente en kilowatts (Kw), se divide dicha potencia (W) entre 1000. Por ejemplo el consumo de la licuadora que se utiliza para despulpar la materia prima es de 300 W, su equivalente en Kw será:
Kw: 300 / 1000 = 0.3 Kw. Gasto eléctrico de los foco es de 100 W (0.1 Kw), está prendido cinco horas diarias ¿Cuál será su consumo de energía en un mes? Si un foco está prendido cinco horas diarias, entonces en un mes de 30 días estará prendido: 5 horas/día x
30 días = 150 horas, por lo tanto, este foco tiene un consumo de energía mensual de: Consumo mensual de focos: 0.1 Kw x 150 horas = 15 KWh
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Consumo mensual de una refrigeradora de 250 W (0.25kW) de potencia? Considerando que una refrigeradora está enchufada todo el día pero su motor funciona en promedio diez horas al día (dependiendo del tipo), entonces en un mes se tendrá: 10 horas /día x 30 días= 300 horas Por lo tanto, la refrigeradora tiene un consumo de energía mensual de:
Consumo mensual refrigerador: 0.25 Kw x 300 horas = 75 KWh
CALCULOS
Se emplea un calentador de 500 W de potencia para calentar 1 L de agua, llevándola de los 20°C hasta los 100°C. Calcule el tiempo que debe estar funcionando el calentador, para realizar el proceso antes mencionado, suponiendo que toda la energía calorífica disipada por el calentador es absorbida por el agua. Debido a que en el intervalo de temperatura especificado no existe cambio de fase, la energía calorífica necesaria para lograr el incremento de temperatura es: Q m . c t
Donde “m” es la masa del cuerpo que en el Sistema Internacional se mide en kilogramos; “ c” es el calor específico medio que se mide en Joule por kilogramo y
por Kelvin (J / kg-K) y t es la variación de temperatura en Kelvin que es igual a la variación de temperatura en grados Celsius quedando entonces expresada la energía calorífica (que comúnmente llamamos calor) expresada en Joule. Como el agua posee una densidad unitaria, 1 L de agua posee una masa de 1 kg y el calor específico medio del agua en el intervalo de temperatura especificado es aproximadamente 4187 J / kg-K La energía calorífica necesaria es: 16
J Q 1kg . 4187 .80 K 334960 J kg K
Potencia, por definición, es trabajo por unidad de tiempo por lo que el tiempo necesario para hacer llegar al agua a los 100°C es: t
t
J P 334960 J 500W
669.92 S 11 10 s min
Un recipiente metálico, que contiene 200 g de agua hirviendo a la presión atmosférica normal, se encuentra sobre un calefactor que suministra energía calorífica con una potencia de 500 W. Calcule el tiempo que tarda en evaporarse toda el agua suponiendo que toda la energía irradiada por la estufa, es captada por el agua. Mientras el agua hierve, toda la energía captada es empleada para transformar el agua líquida en vapor. Energía que se le llama calor latente. El calor latente del agua a la presión atmosférica normal es 540 cal/g y la energía necesaria para evaporar una cierta masa de agua es: T 38 273 311 K
En nuestro caso que deseamos determinar el calor para evaporar 200 g de agua escribimos: Q 200 g .540 cal 108000cal g
Se tiene un tanque de almacenar materia prima que contiene 20.000 gr. de agua a 10 ºC. Cuantas Kilocalorías absorbe el producto cuando se calienta hasta 40 ºC.
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Agua: m1 = 20.000 gr. T1 = 10 ºC Tf = 40 ºC Ce = 1 Cal/gr. ºC Q1 = m1 * Ce * (Tf – T1) Q1 = 20.000 gr. * 1 Cal/gr. ºC * (40 ºC - 10 ºC) Q1 = 20.000 * (30) calorías Q1 = 600.000 calorías = 600 K calorías A que temperatura será necesario calentar la materia prima que tiene 2000 Kg. de un liquido, de calor especifico 1,5 Cal/gr. ºC que esta a 20. ºC para que sea capaz de desprender 2500000 Kcal y asi sea eficiente su utilización en los hogares. m1 = 2000 kg = 2000000 gr Ce = 1, 5 Cal/gr. ºC m 1 = 2000 kg. Q = 2500000 Kcal Q m * Ce * (T f T 1 ) 6
6
2500 * 10 cal = 2 * 10 gr * 1, 5 Cal/gr.ºC * (T f – 20 ºC) = 3 (Tf – 20)
= 3 Tf - 60 2500 + 60 = 3 T f 2560 = 3 T f Tf = 2560 / 3
Tf = 853, 33 ºC
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Se introducen 2 Kg. de tomate a 100 ºC en 5 Kg. de agua a 1,67 ºC lográndose una temperatura de equilibrio de 5,11 ºC ¿Cuál es el calor específico del tomate para su fermentación?
Tomate: cede calor m1 = 2 kg = 2000 gr. T1 = 100 ºC Tf = 5, 11ºC Ce = 0, 03 Cal/gr. ºC Q1 = m1 * Ce * (T1 – Tf ) Q1 = 2000 gr. * Ce * (100 ºC - 5, 11ºC) Q1 = 2000 * Ce * (94,89) Q1 = 189780 * Ce Ecuación 1
Agua: absorbe calor
m2 = 5 Kg. = 5000 Gr T2 = 1, 67 ºC Tf = 5, 11 Ce = 1 Cal/gr. ºC Q2 = 500 gr * 1 Cal/gr. ºC * (T f – T2) Q2 = 5000 gr * 1 Cal/gr. ºC * (5,11ºC - 1,67 ºC) Q2 = 17200 Calorías Ecuación 2 Como el calor absorbido = calor cedido Q 1 = Q2
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189780 * Ce = 17200 Calorías Ce = 17200 / 189780 Ce = 0,09 Cal/gr. ºC Se calcula la cantidad de calor necesaria para pasteurizar la salsa de tomate, se debe elevar la temperatura de 200 gr de tomate para su preparación.
De 10 ºC a 40 ºC De –70 ºC a – 40ºC De 10 ºC a 40 ºC T2 = 40 ºC T1 = 10 ºC m1 = 200 gr. Ce = 0,212 Cal/gr. ºC Q1 = m1 * Ce * (T2 – T1) Q1 = 200 gr. * 0,212 Cal/gr. ºC * (40 ºC - 10 ºC) Q1 = 200 * 0,21 * (30) = 1272 cal De –70 ºC a – 40ºC T2 = - 40 ºC T1 = - 70 ºC m1 = 200 gr. Ce = 0,212 Cal/gr. ºC Q2 = m2. * 0,212 Cal/gr. ºC * (T 2 – T1) Q2 = 200. * 0,212 Cal/gr. ºC * (- 40 - (-70))
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Q2 = 200 * 0,212 Cal/gr. ºC * (30 ºC) Q2 = 1272 Calorías
Que calor desprenden 150 gr de tomate cuando está en proceso de enfriamiento luego del pasteurizado y su temperatura desciende de 120 ºC. a 30 ºC. m1 = 150 gr Ce = 0,0115 Cal/gr.ºC Q = 80 cal T 1 = 120 ºC. Tf = 30 ºC. Q m * Ce * (T f T 1 )
Q = 150 gr * 0,0115 Cal/gr. ºC * (120 ºC – 30 ºC) Q = 17,25 * 90 Q = 1552,5 Calorías
SISTEMAS TERMODINÁMICOS UTILIZADOS EN EL PROCESO La fabricación industrial de la salsa de tomate se compone principalmente de dos sistemas termodinámicos, el primero es un evaporador de simple efecto en el cual se realiza la concentración parcial de la pulpa de tomate para obtener la consistencia que se desea de la pasta de tomate, durante este proceso también se elimina el oxígeno disuelto y ocluido que podría causar la alteración por oxidación del producto. El segundo sistema termodinámico, está compuesto por una marmita en la cual es introducida la pasta de tomate a la que le son adicionados algunos productos como azúcar, sal y especies con el fin de que se mezclen y se obtengan las características deseadas para la salsa de tomate a elaborar, en este equipo además de la cocción de la salsa ocurre un proceso de pasteurizado a 80ºC durante aproximadamente 20 minutos para evitar la proliferación de bacterias. 1
Las especificaciones estándar para la elaboración de la salsa de tomate son:
Tabla 1. Características fisicoquímicas2 21
Mínimo
Máximo
Unidad de medida
10,5 4,0 -
13,0 4,4 1,20
ºBrix %
1,0
2,5
%
-
12,0
cm/30 segundos
Grados Brix pH Acidez titulable Sal (cloreto de sodio)Natural de la fruta Consistencia Bostwick (12,0 ºBrix a 20ºC)
Vapor T1
a)
Pulpa de tomate TF Vapor de agua Ts
Hacia el condensador
P1 Tubos de intercambio de calor
T1
Condensado
T1
b)
Pasta de tomate (concentrada)
Tint = 100ºC
Vapor saturado Salsa de tomate T2
Pasta de tomate y aditivos T1
Figura 1. a) Esquema del proceso de evaporación de la pulpa de tomate Esquema del proceso de cocción de la salsa de tomate 4.
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3
b)
CONSUMO ENERGÉTICO PARA LA ELABORACIÓN DE LA SALSA DE TOMATE
La expresión básica para determinar la capacidad de un evaporador de efecto simple es:
= ∆ (1) Donde: q: W (btu/hr) U: Coeficiente global de transferencia de calor A: Superficie de evaporación ΔT: Diferencia global de temperatura
Vapor V T 1, y v , h v Pulpa de tomate F T F, X F ,h F Vapor de agua S T s, h s
P1 T1
Condensado Sc Ts, hsc
Pasta de tomate (concentrada) P T 1, x p , h p
Se considera que el evaporador está condensándose en estado estable. La alimentación al evaporador es F kg/hr (lbm/hr) con un contenido de sólidos de x F fracción de masa, una temperatura T F y una entalpía h F J/kg (btu/lbm). La salida consiste de un líquido concentrado P kg/hr (lbm/hr) con un contenido de sólidos x P, 23
una temperatura T1 y una entalpía h P. El vapor V kg/hr (lbm/hr) se desprende como disolvente puro con un contenido de sólidos y V= 0, una temperatura T 1 y una entalpía hV. La entrada de vapor de agua saturado S kg/hr (lbm/hr) tiene una temperatura de TS y una entalpía h S. Se supone que el vapor de agua condensado S kg/hr sale a T S, esto es, a la temperatura de saturación, y con una entalpía de hSc. Esto significa que el vapor de agua sólo transfiere su calor latente λ 5:
= ℎ − ℎ (2) Puesto que el vapor V está en equilibrio con el líquido P, las temperaturas de ambos son iguales. Además, la presión P1 es la de vapor de saturación del líquido de composición xP a su punto de ebullición T1 (Esto supone que no hay elevación del punto de ebullición) 5. Para el balance de materiales, y puesto que se trata de estado estable, la velocidad de entrada de masa es igual a la velocidad de salida de masa. Entonces, para un balance total 5:
= + (3) Para un balance con respecto al soluto que en este caso es la pasta de tomate (sólidos) solamente5:
= (4) Entonces, para el balance de calor, y puesto que: Calor total de entrada = calor total de salida Calor en la alimentación + calor en el vapor de agua = Calor en líquido concentrado + calor en el vapor + calor en el vapor de agua condensado (5)
Y suponiendo que no hay pérdidas de calor por radiación o convección. Entonces, se sustituye en (5), teniendo que: 24
ℎ + ℎ = ℎ + ℎ + ℎ (6) Sustituyendo (2) en (6):
ℎ + = ℎ + ℎ (7) Por lo tanto se tiene que el calor transferido por el evaporador es:
= ℎ − ℎ = En (7) el calor latente λ del vapor de agua a la temperatura de saturación T S puede
obtenerse con la tablas de vapor.
Para calcular el calor en una marmita se tiene que:
− = Δ + Δ 2 + Δ 2
Tint = 100ºC
Vapor saturado
1
Salsa de tomate T2,h2
Pasta de tomate y aditivos T1, h1
2
Para realizar el cálculo del calor involucrado en este proceso se hacen las siguientes suposiciones: 1. Estado Estacionario. 2. La carga cinética es cero; ya que el diámetro de la entrada y de la salida son iguales. Por la ecuación de continuidad V 1=V2 25
3. La carga hidrostática es cero. Se desprecia los cambios de elevación entre el punto de entrada y de salida, es decir Δ Z = 0.
4. Como no hay turbo maquinas el W = 0. 5. Como la distancia entre el punto de entrada y de salida es corta, además se cuenta con información que el vapor es saturado que sale de la marmita. 6. Se asume que en el punto 1 y 2 la masa es la misma 3. Por lo que finalmente se tiene que:
= (ℎ −ℎ ) 2
1
TRABAJO REALIZADO PARA LA ELABORACIÓN DEL PRODUCTO
Para el evaporador de simple efecto se tiene que:
= −
6
Donde: dU: Cambio en la energía interna del sistema Q: es el calor transferido en el sistema W: Es el trabajo hecho por el sistema Como este proceso es reversible y se puede comportar de forma cíclica se dice que dU=0, por lo que el trabajo hecho por el sistema es igual al calor transferido por éste y como ya se había dicho anteriormente cuál era el valor de q, se tiene:
= =
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ENTROPÍA
La entropía está definida por (a partir de este ítem S se refiere a entropía):
= En el proceso ésta depende de la presión y la temperatura por lo que se dice que:
= = − Para la entalpía se utiliza la expresión
= ya que ésta se relaciona
con la temperatura a través de la capacidad calorífica a presión constante, por lo que la expresión es llevada a:
∆ = − 2
2
1
1
= ln − ln 2
2
1
1
En este caso se hace la suposición de que la capacidad calorífica no depende de la temperatura. Para variaciones grandes de ésta, es un efecto que se debe tener en cuenta y el resultado es más complicado 6. Así que la entropía para este sistema es:
= + ln − ln 0
0
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0
CICLOS TERMODINÁMICOS UTILIZADOS DURANTE EL PROCESO DE ELABORACIÓN DE LA SALSA DE TOMATE:
Ya que durante la concentración del producto que se lleva a cabo en un evaporador de simple efecto se produce condensación que se da por la refrigeración del vapor. Entonces, se puede decir que el ciclo termodinámico involucrado es el ciclo de Carnot inverso. Qcond
3
2
Condensador
Turbina Compresor
4
Evaporador
1
Qevap
En este el fluido absorbe calor isotérmicamente de una fuente de baja temperatura a TB en la cantidad de Q evap, se comprime isoentrópicamente hasta el estado 2 mediante un compresor, en la quela temperatura se eleva hasta T A, rechaza calor isotérmicamente en un sumidero de alta temperatura a T A en la cantidad de Qcond y luego se expande isoentrópicamente hasta el estado donde desciende su temperatura. Los coeficientes de desempeño se expresan en términos de temperaturas límites 7.
= − 28
CONCLUSIONES. La realización del presente trabajo, incluyendo a cada una de sus partes, estudios, análisis e informes, fue de suma satisfacción y se han alcanzado los objetivos principales que se plantean en la investigación metodológica, ya que la información recogida mediante la misma, ha sido la esperada y se han podido realizar los estudios que se tenían previstos antes de comenzar el trabajo. La realización del mismo aporta e incluye información diversificada de notoria importancia la cual será utilizada al momento de la realización de salsas y salsas. La puesta en marcha de salsas y salsas se culminara en un futuro luego de la realización de los estudios económicos y financieros pertinentes, como ser análisis de costos entre otros, además de otro tipo de análisis que también pueden incluirse, como ser estudios legales, sanitarios y otros los cuales no fueron incluidos en este trabajo ya que se necesitaría de apoyo externo y de expertos en las áreas ya mencionadas para la realización de los mismos. No obstante, es amplia y satisfactoria la experiencia personal de haber realizado y culminado esta etapa del proyecto salsas y salsas, la cual se ha elaborado con dedicación y gran gusto. Se ha corroborado el objetivo principal de la investigación del trabajo, el cual es suplir de productos alimenticios a los mercados regionales, como asi se han alcanzado los objetivos secundarios de la misma como poder identificar cuales serian los productos preferidos y los compradores principales en un futuro, y también se identificaran los principales motivos que incitan a la compra de nuestros productos. Mediante este trabajo se han podido realizarlos estudios y análisis que fueron los esperados desde el principio al iniciar este proyecto.
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