Diseño de Plantas de Alimentos

INGENIERIA DE PROCESOS EN LAS

INDUSTRIAS DE ALIMENTOS y BEBIDAS

Ing. VICTOR JAIRO FONSECA FONSECA V. Mr Br 1 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

Uno de los campos de ejercicio del profesional en alimentos es su desarrollo en la industria, en áreas que están integradas por diversas aplicaciones; desde el anteproyecto de una industria en particular, pasando por el desarrollo y control de procesos, hasta la venta de equipos y productos de la industria. Entre las más importantes aplicaciones se tienen la selección, diseño, montaje y/o interventoría en procesos de elaboración, equipos para la industria de alimentos y plantas para procesamiento de alimentos. El tener los conocimientos básicos y generales la ingeniería de procesos, permite estandarizar y optimizar procesos ya existentes en base a estudios de tiempos o cronogramas de proceso; establecer las necesidades de la mano de obra, requerimientos de servicios y empleo de equipos; establecer controles de producción y finalmente establecer costos reales de producción. producción.

2 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

INDICE 1.- GENERALIDADES GENERALIDADES ........................................................................................................... 6 1.1. Lectura complementaria ...................................................................................... 8 1.2.- Procesos y operaciones unitarias en la industria de alimentos. .......................... 10 1.2.1- Procesos.-............................................................................................. 10 1.2.2. Operaciones unitarias. .......................................................................... 11 1.2.3. Transferencias. ..................................................................................... 12 1.2.4.- Flujos. .................................................................................................. 13

2.- OPERACIONES Y PROCESOS INDUSTRIALES. INDUSTRIALES. ........................................................... 16 2.1.- Operación. .......................................................................................................... 16 2.1.1. Operaciones secuenciales .................................................................... 17 2.2.- Etapa. ................................................................................................................. 19 2.3.- Proceso industrial. .............................................................................................. 21 2.4. - Estudio del proceso industrial ............................................................................ 23 2.4.1. Clases de proceso................................................................................. 23 2.4.1.1. Proceso de cochada cochada .............................................................. 23 2.4.1.2.- Proceso continuo. continuo. ................................................................. 24 2.4.2. Diagrama de flujo. ................................................................................. 28 2.4.2.1. Clasificación............................................................................ 28 2.4.2.2. Diagrama de flujo cualitativo. cualitativo. ................................................. 28 2.4.2.3. Diagrama de flujo cuantitativo. ................................................ 28 2.4.2.4. Diagrama de flujo combinado. ................................................ 28 2.4.2.5- Diagrama elemental ............................................................... 29 2.4.2.6. Diagrama simbólico simbólico general. general. ................................................. 31 31 2.4.2.7. Diagrama simbólico específico ............................................... 33 2.4.2.8. P&ID. ...................................................................................... 33 2.4.3 Variables de proceso............................................................................. 33 2.4.4. Balance de materiales y energía. .......................................................... 37 2.4.4.1. Balances de materiales........................................................... 38 2.4.4.2 Balances de energía. ............................................................... 42 2.4.5. Operaciones y procesos unitarios. ............................................. 43

3.- ESTANDARIZACIÓN ESTANDARIZACIÓN DEL PROCESO ............................................................................ 46 3.1. Parámetros requeridos ........................................................................................ 46 3.2. Manejo del proceso.- ........................................................................................... 46 3.3. Materias primas ................................................................................................... 46 3.3.1. Balance de materiales. .......................................................................... 48 3.4. Proceso ............................................................................................................... 48 3.4. Desarrollo del proceso. ........................................................................................ 50 3.5. Equipos Equipos empleados. empleados. ........................................................................................... ........................................................................................... 51 3.6. Servicio requeridos.- ............................................................................................ 51 3.7. Cronogramas de operaciones, operaciones, etapas y procesos. .............................................. 51 3.8.- Cronograma de Equipos. .................................................................................... 60 3.9.- Cronogramas de servicios. ................................................................................. 63 3 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

3.10. Cronograma de variables.................................................................................. 63 3-11.- Hoja de Proceso. .............................................................................................. 64

4.- APLICACIONES APLICACIONES ............................................................................................................... 68 4.1.- Aplicaciones Aplicaciones inmediatas.- ................................................................................... 68 4.2.- Aplicaciones Aplicaciones a otras actividades. actividades. ....................................................................... 68


CAPITULO 1

GENERALIDADES


1.- GENERALIDADES GENERALIDADES El presente capítulo pretende dar la adecuada orientación para realizar la normalización o estandarización y el dimensionamiento dimensionam iento de procesos, en aspectos que atañen a profesionales profesionales en el área área de procesamiento procesamiento de los alimentos Son funciones primordiales en el desarrollo de procesos el establecer fundamentos de las operaciones y de procesos unitarios.

los

Es por ello que se debe tener un conocimiento adecuado de las llamadas tecnologías, en las cuales se fundamentan los diversos procesos unitarios. Muchos parámetros deben ser definidos por los diseñadores de acuerdo a las características de los productos a procesar. Innumerables limitaciones se tienen en las variables de proceso, algunas propiedades físicas se desconocen y solo los conocimientos apropiados permiten asumir, minimizando riesgos, toda una gama de valores sin que a la larga se afecten los procesos, equipos y productos. Es imposible diseñar adecuada y óptimamente un proceso industrial si se desconocen los fundamentos de las operaciones y los procesos unitarios unitar ios que rigen las actividades llevados a cabo en la industria. Las diversas energías requeridas en el funcionamiento de los sistemas operacionales, deben ser conocidas para disponer oportunamente de los servicios industriales. De todos ellos los más importantes son los servicios térmicos y los eléctricos, así como las disponibilidades de aguas. Uno de los puntos más importantes en los estudios de factibilidad técnica y en los diseños de planta en proyectos industriales y al que menos importancia se le da, es el de selección, dimensionamiento y diseño de los procesos empleados en la elaboración de un determinado producto. En la inmensa mayoría de la planta de alimentos, se trabaja con procesos que han sido tradicionalmente realizados a nivel doméstico, escalando de un pequeño tamaño, muchas veces el que resulta de la actividad artesanal, a un tamaño semiindustrial y luego al nivel industrial sin entrar a establecer, de un lado alternativas del proceso actual y de otro la optimización del seleccionado. Previo al diseño de procesos industriales deben realizarse tanto balances de materiales como de energía; a la vez y base fundamental, definir claramente, la capacidad del sistema productivo. Debe estar definida la capacidad, tamaño o tasa de los procesos, esto basado en el tamaño o capacidad de la planta, expresado bien sea como producción anual, mensual, semanal o diaria y aún horaria.


El tamaño del proceso delimita las alternativas a estudiar. Un secado en cochadas es inoperante e ineficiente para grandes volúmenes o un secado continuo puede ser muy costoso para bajas producciones. Es importante un adecuado conocimiento de las materias primas, materiales de proceso y aditivos. Su estado físico así como sus principales propiedades físicas, y aún su composición química, inciden en la selección de alternativas y definición de los procesos. Es natural que un maíz amarillo requiere de unas condiciones de proceso de cocción diferentes a un maíz blanco y cocinar maíz entero requiere de unas condiciones específicas específicas también diferentes a las de cocinar el maíz partido partido o la harina de maíz. Igualmente debe estar muy bien definido el proceso, en lo referente a las operaciones unitarias y su secuencia. Una molienda en seco, seguida de una humidificación para obtener una masa requiere equipos y emplea tiempos muy diferentes, a cuando la molienda es húmeda, obteniendo masa de condiciones condiciones similares. El proceso en si, es determinante; grandes diferencias existen entre los flujos de proceso continuo y los volúmenes para cochada o bache; en oportunidades, para la obtención de un producto se tienen alternadamente procesos continuos y de cochadas. Algunos procesos de cochadas pueden volverse volverse continuos mediante la introducción de nuevos equipos, tal es el caso de la elaboración del pan, cuyo horneo ha sido tradicionalmente por cochadas pero puede ser continuo con la introducción de hornos continuos. Igualmente la concurrencia o simultaneidad simultaneida d de operaciones afectan la selección; el procesar dos materias primas en diferentes equipos para luego mezclarlas en uno de ellos o en equipo diferente, influye en los equipos seleccionados. Los tiempos de cada paso o etapa en un proceso individual también son determinantes. En la industria de alimentos existen procesos que pueden demandar meses, como son la maduración y añejamiento en carnes o en bebidas como la cerveza, el vino, etc. así como procesos que demandan pocos minutos como el freído de carnes, etc Los balances de materiales y de energía, tanto parciales como globales dan los parámetros fundamentales fundamentales para el dimensionamiento dimensionamiento y el diseño. El dimensionamiento dimensionamien to nace de la capacidad capacida d del proceso y, a la vez, ésta es función de la capacidad capacidad de la planta. planta. Los tamaños de los equipos y la interrelación entre sí son fundamentales para tener una apropiada distribución de planta que se cristaliza en planos de diversa índole como planos de planta, isométricos o de dos dimensiones, cortes de diversas vistas, 3D o en tres dimensiones y con las ayuda de multimedia disponer de animaciones que permiten visualizar pasos a través de equipos ya virtualmente instalados como se aprecia en las diversas plantas disponibles en el software Virtual Planta.


Para la mejor comprensión de los diversos temas tratados en el presente módulo es necesario conocer adecuadamente tanto los procesos como las operaciones unitarias, por ello sugerimos la siguiente lectura.

1.1. Lectura complementaria Operaciones y procesos unitarios

1

Toda industria, no importa su tamaño, tiene transformaciones de orden físico y/o químico. Aún en actividades actividades no industriales, industriales, se tienen procesos de una u otra índole que implican siempre un cambio. Cada industria en particular, por ejemplo, la industria del acero, la petrolera, la de plásticos, la manufacturera de chocolates, etc., tiene una serie de operaciones características que pueden tomarse cada una como una unidad. En la industria del alcohol, la adecuación de las materias primas puede tomarse como una unidad de operación, la agregación de la levadura al mosto constituye una segunda operación, una tercera lo es la fermentación del mosto y la destilación del mosto fermentado será otra operación muy similar. La agregación de la levadura es una operación que se presentan en la industria de vinos, en la elaboración de pan, en la fabricación de cerveza. La destilación es común en la industria petrolera, en la obtención de aceites comestibles, en la purificación de aromas y sabores artificiales, en la obtención de solventes, etc.. Existen pues, infinidad de procesos y muchos de ellos tienen operaciones comunes y técnicas comunes, basados en los principios científicos. El concepto de operación unitaria nace de la concurrencia de operaciones comunes en la industria. El hecho de que un proceso industrial contenga una serie coordinada de operaciones separadas y que el mejor método de analizar y entender el proceso es analizar y comprender así mismo esas operaciones, constituye constituye la base de nuestro estudio. La importancia que las operaciones unitarias tienen en la industria, fue inicialmente reconocida por el profesor George Sunge del Colegio Politécnico Federal de Zurich en 1893 en un informe presentado al Congreso de Químicos, para la exposición de Chicago en dicho año. El concepto o definición formal de la Operación unitaria fue establecido por el Dr. Arthur D. Little del Departamento Departamento de Química e Ingeniería Ingeniería Química del Instituto Tecnológico de Massachusetts (M.I.T) en un reporte al presidente del Instituto en 1915, uno de cuyo aparte dice:

1

Operaciones unitarias en la industria de alimentos. Fonseca V et all. UNAD. 1999


“El arte de pulverizar, evaporar, filtrar, destilar y otras operaciones constantemente ejecutadas en trabajos químicos se ha desarrollado suficientemente como para constituirse en un tema muy importante, dentro de las ciencias especiales”. “Cualquier proceso químico, en cualquier escala a que tenga lugar, puede ser ejecutado en una serie coordinada de aquellas operaciones que pueden ser llamadas operaciones unitarias, como pulverización, secamiento, tostación, cristalización, filtración, evaporación, electrólisis y otras.

El número de estas operaciones básicas no es tan grande y relativamente pocas de ellas están involucradas en cualquier proceso en particular. La complejidad de la ingeniería química resulta de la gran variedad de condiciones tales como presión, temperatura, concentración, etc., bajo las cuales se llevan a cabo las operaciones unitarias en los diferentes procesos y de las limitaciones tales como materiales de construcción y diseño de aparatos impuestos por el carácter físicoquímico de las sustancias reactantes’. Las operaciones unitarias son en esencia de carácter físico y ellas se ajustan a las leyes básicas de la física que se aplican a las demás ramas de la Ingeniería. Las operaciones unitarias generalmente se aplican a procesos en los cuales se requiere un adecuado conocimiento de la química para entender su significado. La teoría de las operaciones unitarias se fundamenta en leyes bien conocidas, pero debe tenerse una adecuada interpretación en términos prácticos para el diseño, fabricación, operación operación y mantenimiento de los equipos usados en los procesos. Los profesionales bien sea en los campos químico, de alimentos, de petróleos, etc., deben ser capaces de desarrollar. diseñar, y operar procesos . Deben tener la habilidad de operar las plantas en forma eficiente, segura y económica para procesar materiales y obtener un producto con las características exigidas por el consumidor. En consecuencia requiere sólidos conocimientos teóricos y una adecuada preparación, objetivamente práctica, lograda en los laboratorios y plantas pilotos. Con la mención de procesos y operaciones, debe tenerse una definición adecuada y profunda de ellos. Los proceso básicos en las industrias químicas y de alimentos, se constituyen en las reacciones químicas mínimas necesarias para obtener productos de características muy diferentes, partiendo de materias primas adecuadas y se denominan Procesos

unitarios. Las operaciones básicas involucradas en el manejo de los procesos y que realmente se constituyen en los cambios físicos necesarios, se llaman Operaciones unitarias. A continuación continuación relacionamos relacionamos los principales principales procesos y operaciones operaciones unitarias que tienen lugar en la industrias principalmente las químicas 1. 2.

Procesos unitarios

Operaciones unitarias

Neutralización Oxidación

1. 2.

Flujo de Fluidos Transferencia Transferenci a de calor 9

Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26.

Combustión Hidrogenación Hidratación Hidratación Hidrólisis Hidroformilación Hidroformilación Hidrogenólisis Calcinación Caustización Nitración - Nitrificación Nitrificació n Esterificación Esterificaci ón Reducción Halogenación Amonólisis Sulfonación Alkilación Condensación Polimerización Diazotización Fermentación Pirólisis Aromatización Aromatización Isomerización Intercambio iónico Electrólisis

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25 26.

Enfriamiento Evaporación Humidificación Humidificación Destilación Sublimación Sublimación Absorción Adsorción Extracción por solvente Secado Mezclado Clasificación Sedimentación Fluidización Lixiviación Filtración Tamizado Cristalización Extracción por cristalización Centrifugación Reducción de tamaño (molienda) Aumento de tamaño Manejo de materiales Osmosis Osmodeshidratación Osmodeshidrata ción

1.2.- Procesos y operaciones unitarias en la industria de alimentos. 1.2.1- Procesos.En la industria de alimentos se llevan a cabo procesos unitarios muy específicos que implican varias reacciones químicas, la mayoría de ellos muy complejos dada la gran cantidad de compuestos que tienen los alimentos. Los más usuales son: Cocción Freído o fritado Tostado Ahumado Curado Caramelización Degradación de compuestos orgánicos.     



La cocción es la transformación de compuestos orgánicos de los alimentos llamados crudos, por acción del calor, generalmente en estado húmedo. Se lleva a cabo cocción en estado seco en lo que se conoce como horneado.


El freído implica transformaciones en aceite o grasa a altas temperaturas, los efectos son muy similares a los de la cocción aunque el principal efecto es la tostación superficial.

El ahumado y el curado son procesos que implican también una operación unitaria como la es de la deshidratación o secado (de una extensión parcial) y buscan la preservación de carnes. En el ahumado se incorporan sustancias volátiles productos de la combustión de ciertas maderas con compuestos inhibidores inhibidores de bacterias e inocuos a los humanos. En el curado, la preservación se complementa con la deshidratación y se logra mediante la incorporación de sales llamadas curantes principalmente el cloruro de sodio, nitrato de potasio y nitrito de sodio. La degradación de compuestos orgánicos, principalmente almidones y proteínas, generalmente se realiza para facilitar la digestión de estos compuestos y se lleva a cabo por acción enzimática, o por cocción en medio ácido en lo que se conoce como hidrólisis ácida.

1.2.2. Operaciones unitarias. Dentro de las operaciones unitarias más empleadas en la industria se tienen: Flujo de fluidos Lo constituye el transporte y manejo de fluidos como tales, entendiéndose por fluidos a los gases y líquidos. En algunos procesos intervienen sólidos relativamente relativamente finos que se comportan como fluidos y se estudian como tales. Transferencia de calor El flujo de calor que causa calentamiento o enfriamiento o cambio de fase, constituye constituye el fundamento f undamento de esta operación.

Filtración Separación de sólidos suspendidos en líquidos, por medios filtrantes. Tamizado Separación de fracciones de sólidos por tamaños, empleando mallas metálicas trenzadas. Operación muy parecida a la clasificación.

Cristalización

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

Extracción por cristalización Separación de sólidos que cristalizan, de soluciones en la que existen varios solutos.

Centrifugación Separación de sólidos finos suspendidos en líquidos, por acción de la fuerza centrífuga; separación de líquidos no miscibles.

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

Aumento de tamaño o aglomeración Incremento de volúmenes de sólidos finos por aglomeración mecánica (compactación).

Manejo de materiales Es quizás la única operación que se tiene en todo proceso industrial y consiste, como su nombre lo indica, en el transporte y almacenamiento almacenam iento de sustancias en cualquier estado. 11 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

Clasificación.- Es la separación de materiales sólidos por tamaños. En alimentos es la separación de productos de acuerdo a una o más características color, tamaño, forma, forma, peso o biológicas biológicas como grado de madurez. madurez.

físicas como

Mezclado. Combinación de dos o más sustancias sean sólidos, líquidos o gases. Sedimentación. Separación de sólidos en líquidos de menor densidad. Fluidización. Suspensión de sólidos, finamente divididos, en gases o líquidos Lixiviación. Separación de sustancias solubles en otras insolubles por acción de líquidos solventes.

Adsorción. Separación de gases en la que uno ellos es removido por un líquido Absorción. Separación de gases en el que uno de ellos es removido por un sólido. Extracción liquido-solido. Separación de sólidos por acción de un líquido solvente Extracción líquido-líquido.- Separación de líquidos por un tercero soluble con uno de ellos

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

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

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

Sublimación (liofilización). Eliminación de la humedad de sólidos, por sublimación del agua contenida. gaseosa o en fase sólida. Humidificación.- Dispersión de una fase líquida en fase gaseosa semipermeabl es. Osmosis. Extracción de líquidos a través de membranas semipermeables. Osmodeshidratación.- Deshidratación de frutas y vegetales por medio de azúcares o sales afines con los alimentos.

1.2.3. Transferencias. Todo proceso y toda operación exigen de un cambio o transformación que en términos técnicos recibe el nombre de transferencia. Las operaciones unitarias se fundamentan en transferencia de momentun, de masa y de calor en forma individual o concurrente, siempre van acompañadas de cambios en niveles de energías mecánicas o térmicas, estas últimas mensurables por las entalpías físicas. La transferencia de momentun o de cantidad de movimiento produce cambios en la ubicación del material o cambios en la forma o tamaño. La transferencia de masa establece flujo de masa de una fase a otra. Debemos recordar que fase es un sistema termodinámico homogéneo. La transferencia de masa


trae consigo cambios en la concentración o cantidades de sustancias en las diversas fases. La transferencia de calor permite el flujo de calor de zonas de un cuerpo o cuerpos de alta temperatura a zonas de un cuerpo o cuerpos de baja temperatura.

1.2.4.- Flujos. Toda operación unitaria requiere de una fuerza conductora que rige el fenómeno y a la vez esta fuerza conductora vence la resistencia o inercia que ofrecen los elementos o sustancias que participan en la operación. El cambio denominado denominado Flujo Flujo se expresa expresa como: Flujo Flujo



Fuerza Fuerza conductora sistencia a Re sistenci

En términos de fenómenos, más no en términos de variables, transferencia de momentun , se expresa Flujo Flujo



Fuerza Fuerza conductora

Molie Molienda nda

Inercia Inercia 

======= Flujo Flujo de líquidos



Pr esión

Vis Vis cos idad

cuando se tiene

=====

Fuerza Fuerza de impacto Dureza

En transferencia de calor: Flujo Flujo



Diferen Diferenci cia a l de temperatur a sitencia a Re sitenci

Térmica



T

R

En transferencia de masa Flujo Flujo



Diferen Diferenci cia a l de concentrac ión sistencia a Másica Másica Re sistenci



C

R

En los procesos unitarios se tiene, en esencia, transferencia de átomos o moléculas, para que tenga lugar la reacción química y siempre va acompañada acompañad a de cambios energéticos, mensurables por los cambios en las entalpías químicas. Entre las operaciones unitarias que se fundamentan fundamen tan en transferencia transferenci a de momentun se tiene entre otras: manejo de materiales , reducción de tamaño, aumento de tamaño, clasificación, clasificación, flujo de fluidos, mezclado, sedimentación. sedimentación. En transferencia transferenci a de masa, fluidización, fluidización , lixiviación, filtración, filtración , tamizado, adsorción, absorción, extracción líquido-sólido, extracción líquido-líquido, centrifugación. Fundamentada Fundamentad a en transferencia transferenci a de calor, la operación del mismo nombre y se tienen las operaciones que simultáneamente trabajan transferencia de masa y calor como son: evaporación, secado, destilación, sublimación (liofilización), (liofilización ), humidificación. humidific ación. .


Dentro de un proceso industrial, siempre se tendrá una operación que permite el transporte del material en proceso, es decir siempre se tiene una operación de transferencia transferencia de momentun, pero en el el proceso propiamente dicho, tomado como sistema independiente, se tendrá la operación específica. específica. Las operaciones unitarias, como fenómenos físicos, traen consigo de acuerdo a cada operación específica cambios de variables siendo las principales peso, o volumen, presión, temperatura y composición. Desde este punto de vista, algunos autores clasifican las operaciones en cinco grupos:     

De flujo de fluidos. De transmisión de calor. De mezcla. De separación. De manejo de sólidos.

En algunos procesos industriales no se tiene una separación muy precisa de las operaciones y su manejo debe hacerse simultáneamente, simultánea mente, como ocurre en el secado continuo donde concurren los tres fenómenos de transferencia. Ya se ha establecido una clara definición de los procesos y operaciones unitarias. En el manejo industrial también se dispone de procesos y operaciones muy específicos esp ecíficos con connotaciones muy diferentes a los unitarios.

CAPITULO 2


OPERACIONES Y PROCESOS INDUSTRIALES


2.- OPERACIONES Y PROCESOS INDUSTRIALES. En la obtención de productos se desarrollan las llamadas operaciones, etapas y procesos industriales. Esta clasificación es muy precisa a nivel industrial aunque sus orígenes se tienen en los procesos artesanales a nivel de cocinas domésticas o en pruebas de campo a nivel de laboratorios, que se han constituido en la cuna de los procesos industriales a diferencia de otros que nacen en plantas piloto o laboratorios, (industria química) o en talleres (industria metalmecánica)

2.1.- Operación. Es una acción elemental elemental necesaria en el desarrollo de un proceso; proceso; a diferencia de las las etapas, es imposible realizar un proceso mediante una sola operación. Algunas operaciones operaciones no implican o no intervienen intervienen directamente en el manejo de los insumos o productos. Siempre se requiere de operaciones consecutivas o paralelas para desarrollar una etapa o un proceso. Algunos ejemplos de operaciones operaciones realizadas realizadas en la industria industria de alimentos: alimentos:       

Alistar un implemento. Arrancar un equipo. Encender una estufa. Adicionar agua a una marmita. Retirar el consomé de un cocinado Introducir una bandeja con moldes de pan a un horno. Asear una olla.

En algunos procesos que requieren de muchas operaciones y a nivel de pequeños equipos, un conjunto de acciones que se realizan para una labor especifica, se puede tomar como operación. operación. El aseo manual, en un fin de semana para, una marmita, que consta de varios pasos se puede tomar como una operación, aunque en esencia se requiere de las siguientes operaciones operaciones elementales Retirar los sólidos o líquidos residuales Adicionar agua Hacer Prejuagado Cepillar adicionando detergente Retirar detergente con agua Juagar con agua fresca y limpia Escurrir Secar.

       


En algunas industrias el aseo de equipos se constituye en procesos con operaciones y etapas muy definidas y que demandan considerable tiempo. Tal es el caso en la industria cervecera, del aseo en un fin de semana de una olla de filtración con falso fondo o láminas perforadas de filtración, que requiere de las siguientes etapas:         

Prejuagado retirando sólidos retenidos Desarmado del falso fondo Aseo manual con cepillado de las láminas del falso fondo Juagado de las láminas. Aseo manual del fondo verdadero Aseo manual de paredes y tapa de la olla Juagado del fondo verdadero, paredes y tapa Armado del falso fondo Juagado final.

Este proceso normalmente normalmente dura entre 4 y 8 horas dependiendo del tamaño del equipo. En forma gráfica se puede representar el proceso así:

Diagrama de aseo de una olla de filtración en la industria cervecera 2.1.1. Operaciones secuenciales Son las que se desarrollan en cadena como en la elaboración de una sopa de pasta ya para servir a la mesa:   

Alistar marmita Adicionar agua Abrir vapor para calentamiento 17


Adicionar ingredientes o materias primas secundarias Adicionar condimentos Llevar a ebullición Adicionar pasta Hervir. Servir

    



2.1.2. Operaciones paralelas. Son aquellas que se realizan independientemente para confluir a una común Para disponer de una base para la elaboración de sopas y caldos se debe a obtener un consomé de pechugas de pollo, que se ha de congelar Se tienen operaciones paralelas en la elaboración de un consomé de pechuga de pollos las que corresponden al calentamiento del agua y a la adecuación de las pechugas congeladas: a)

b.-

Alistar olla Adicionar agua Prender estufa Adicionar condimentos Llevar a ebullición Descongelar pechugas Trozar o cortar las pechugas Adicionar los cortes al agua caliente caliente o hirviendo hirviendo

En la figura 3 se representan representan las diferentes diferentes operaciones operaciones paralelas. paralelas. 18 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

Como operaciones operaciones de:

comunes, al agua y a

los trozos de pechugas, se tienen las

Hervir. Enfriar. Separar trozos de pechuga.

  

Para los trozos de pechugas  

Empacar trozos Guardar trozos

Y finalmente para el consomé  

Congelar consomé y Almacenar consomé.

Representadas Representadas en la figura 4

Para establecer el grado de minuciosidad, minuciosidad , al definir y enumerar la operaciones debe tenerse presente el tiempo empleando y su incidencia en el tiempo total del proceso.

2.2.- Etapa. Es un conjunto de operaciones necesarias para desarrollar un producto en proceso o un producto terminado.


En la inmensa mayoría de procesos y a medida que se avanza en la producción se van modificando las materias primas, es decir su características físicas, químicas, microbiológicas microbiológica s u organolépticas, organolépticas , todas o una en particular, cambian y pueden aparecer los llamados productos en proceso, aún sin tener las características finales. Los cambios La etapa esta asociada a una operación unitaria o a un proceso unitario. En uno de los varios procesos de elaboración del jugo de naranja se tienen como etapas : Alistamiento de la fruta. Exprimido. y Filtrado.

 



A su vez el alistamiento de la fruta puede hacerse en un mesón con las siguientes siguientes operaciones    

Colocación Colocación de la naranja en el mesón. Corte en dos mitades. Transporte al exprimidor. Aseo del mesón y de los cortadores

En la representación gráfica se ha tomado un recuadro grande para encerrar las operaciones operaciones propias del alistamiento.

La naranja cortada se constituye en un producto en proceso ya que la materia prima naranja entera ha sufrido una modificación modificación física, corte o reducción reducción de tamaño Para la etapa de exprimido que se constituye en el principal proceso se tienen como operaciones: 

Colocación de las mitades en el exprimidor 20


Extrusión Retiro de las cáscaras Aseo del exprimidor

 



Al obtener un jugo claro se deben retirar las semillas y restos de alvéolos, alvéolos, para ello se emplea la filtración, con las siguientes operaciones Alistamiento del recipiente para recibir jugo filtrado. Alistamiento del filtro. Traslado del jugo al filtro. Filtración. Aseo del filtro.

   



Es de resaltar que en cada una de las etapas se tiene una operación común y es la del aseo del equipo. En la inmensa mayoría de las veces esta operación se omite. Sin embargo cuando el aseo demanda bastante tiempo siempre debe considerarse como etapa. Siempre, así no se detallen en operaciones, se deben tener en cuenta las etapas de alistamiento y/o revisión del equipo, accesorios y partes y el alistamiento de insumos, materias primas, materiales en proceso y el aseo del equipo. Es decisorio del diseñador tener en cuenta aseos de áreas o pisos, retiro de subproductos y residuos como operaciones paralelas.

2.3.- Proceso industrial. Es una o más etapas desarrolladas para transformar insumos en productos ya sea en proceso o producto final, dependiendo dependiendo de la complejidad o duración del proceso. proceso. La obtención de carne frita en un restaurante se constituye en una etapa y a la vez en el proceso, mientras que la preparación de hamburguesas se constituye en un proceso de varias etapas. Es importante tener en claro la diferenciación entre proceso con la connotación de acción fabril o industrial y el proceso unitario. En procesos industriales que involucran grandes volúmenes de producción o demasiadas etapas o un largo tiempo, el proceso se subdivide en procesos particulares o específicos. El proceso de elaboración de cerveza se subdivide en procesos de:     

Obtención de la malta cervecera Adecuación Adecuación de materias primas Obtención de mosto Fermentación Fermentación y Maduración Filtración y envase de la cerveza.

A su vez cada proceso individual individual se divide en etapas, por ejemplo la obtención del mosto, con etapas


   

Maceración de la malta Filtración de la masa Ebullición del mosto. Sedimentación Sedimentación y Enfriamiento.

y como es de esperar cada etapa tiene sus respectivas operaciones. En la maceración de la malta se tiene         

o

Alistamiento del agua a 36 C Adición de la malta molida. o Subir temperatura a unos 52 C o Mantener durante 10 minutos a 52 C o Subir a unos 72 C o Reposo durante 15 minutos a 72 C o Subir a 76 C o Descanso o reposo durante 5 minutos a 76 C Bombear a filtración.

Más adelante se hará un análisis de la maceración (Caso 4) No se hace absolutamente necesario, pero si conveniente, entrar a establecer en forma clara si las acciones se clasifican como operaciones, etapas o procesos, lo importante es tener presente que existen y que para su ejecución demandan espacios en el tiempo, en áreas de producción, equipos y mano de obra y significan costos dentro de un ejercicio económico que es inherente a cualquier actividad fabril.

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE


A nivel domestico, seleccione seleccione la elaboración elaboración más compleja posible de un alimento y haga un listado de las operaciones, etapas y procesos realizados. Tome o suponga el tiempo empleado para cada operación realizada Elabore una lista de los equipos, utensillos utensillos y menaje empleado. Analice en detalle detalle cada una de las operaciones operaciones,, etapas y procesos procesos y establezca establezca si una o más se pueden modificar acortándolas en el tiempo o si se pueden eliminar. Evalúe la alternativa de hacer aseo de utensillos cada vez que se terminan de emplear o esperar al final del proceso.

2.4. - Estudio del proceso industrial Proceso industrial es el conjunto de operaciones y procesos unitarios requeridos para transformar transform ar insumos a productos mediante el empleo de equipos y mano de obra apropiados. Los proceso industriales en alimentos a menudos son un conjunto de operaciones complejas que requiere de gran cantidad de equipos. Los principios generales de esas operaciones han sido o se están estudiando cuidadosamente y algunos son muy bien conocidos y entendidos. Conociendo Conociendo los principios es posible diseñar los pasos de la mejor m ejor forma posible. Los procesos industriales se estudian bajo seis consideraciones interdependientes: Clase de proceso Variables de proceso. Balances de masa y energía Operaciones y procesos unitarios Instrumentación Instrumenta ción y Control Costos.

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Para los propósitos del presente módulo se estudiaran las cuatro primeras consideraciones

2.4.1. Clases de proceso. Acorde a la dinámica (movimiento) lineal de los materiales, productos en proceso y producto terminado se clasifican clasifi can en procesos continuos (con movimiento lineal) y de cochada (sin movimiento lineal) En algunos procesos de cochada se le suministra a los materiales un movimiento rotacional o circular, como en el caso de mezclado o agitación en tanques, o agitación en ollas durante un calentamiento. calentamiento.

2.4.1.1. Proceso de cochada Es aquel en el cual el ó los materiales permanecen en el equipo mientras se realizan las operaciones o procesos unitarios correspondientes a una o más etapas. Entre los más representativos representativos tenemos: 23 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

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Elaboración de alimentos a nivel doméstico. En la elaboración de los alimentos en los hogares, artesanalmente y en muchos restaurantes se tienen fundamentalmente procesos de cochada; la elaboración de una sopa, la cocción de verduras o el freído de carne realizados en una olla o sartén. Selección y clasificación, clasificació n, lavado y escaldado de cantidades determinadas en frutas y verduras en mesas y recipientes. Labores tradicionales tradicional es de mezclado de ingredientes, ingredientes , amasado como el remojo de harinas, horneado en la obtención de panes, secado en secadores estacionarios, concentración concentración en la obtención de mermeladas o arequipes.

En los procesos de cochadas y para correlacionar las variables involucradas se manejan volúmenes o cantidades de masa (en peso) y un tiempo total de proceso. 

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Mezcla de hierbas, sal y condimentos para la obtención de 20 kilos de un adobo, efectuado en una mezcladora en el lapso de 15 minutos. Horneado de diez bandejas con 50 panes de 100 gramos, cada una, durante dura nte 35 minutos. Osmodeshidratación Osmodeshidrata ción de 50 kilos de tajadas de guayaba, en el transcurso de 48 horas. Añejamiento de 15000 15000 litros litros de vino vino durante 3 años. años.

2.4.1.2.- Proceso continuo. Es aquel en el cual el material o producto en proceso pasa a través del equipo sufriendo una operación o proceso unitario durante su paso. Realmente corresponde a lo que se conoce como flujo y el manejo de unidades se realiza fundamentado en las 3 unidades propias de flujo como kilos por hora (k / hr), metros cúbicos por segundo ( m / s ) galones por minuto (GPM), etc. Entre los procesos continuos más representativos tenemos:   

Transporte de materiales, sólidos a granel, mezclas ó líquidos. Procesos de molienda y pulverización, tamizado. Envasado Envasado de alimentos y bebidas.

Y ejemplos específicos: específicos:    

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Transporte de maíz en un tornillo sinfín a razón de 4000 kilos por hora. Pasterización de 8.000 litros de leche por hora leche Molienda de malta a un flujo de 2.500 2.500 kilos por hora Dosificación de cloro a razón de 3 miligramos por minuto en un tratamiento de aguas. Desaireación de 5.000 latas por horas de sardinas en un túnel de exhausting

A nivel industrial un proceso continuo continuo se realiza en un período período de tiempo definido que esta determinado por las jornadas de trabajo que se tienen en las empresas. Un molino de maíz (como empresa se llama trilladora de maíz) que tiene dos jornadas de trabajo, laborará durante 16 horas. En este lapso de tiempo o aún de acuerdo a la 24 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

programación interna el transportador de maíz y el molido trabajan a un flujo de 4000 kilos por hora. Puede ocurrir que un sábado se trabajen cuatro horas y durante este lapso de tiempo los equipos trabajan continuamente continuamente al flujo establecido Algunas plantas de la industria cervecera cervecera tienen programación programación continua durante la semana y se para el día sábado al mediodía para hacer aseos generales y completos. Se tiene una programación de tres turnos para cubrir la jornada del día. El envasado que comprende las etapas de desencanastado de botellas, lavado de botellas, envasado propiamente dicho, tapado, etiquetado, pasterizado y encanastado se realiza en forma continua pero únicamente durante 22 horas al día, pues se hace necesario parar durante dos horas para hacerle aseo a las lavadoras y pasterizadoras por la acumulación de residuos y vidrio que no se pueden retirar continuamente. continuament e. Recordemos que en procesos industriales que involucran muchas etapas el proceso global se puede subdividir en procesos, y bajo esta consideración, para la obtención de muchos productos se tienen de las dos clases de procesos , procesos continuos y por cochadas o por lotes. Por analogía las etapas y operaciones también se clasifican como continuas o por lotes. En algunas industrias se hace necesario preparar los insumos o materias primas secundarias, tal es el caso de la preparación de un jarabe invertido de azúcar en la osmodeshidratación de la guayaba (ver anexo No 1) . La obtención del jarabe en sí es un proceso, aunque en el proceso industrial de la osmodeshidratación de la fruta es una etapa. Un criterio para establecer definir si es etapa o proceso lo constituye la disponibilidad en tiempo y espacio para obtener o adecuar el insumo. El jarabe debe prepararse antes o simultáneamente al inicio del manejo de la fruta; el caso es que debe estar listo para iniciar la osmodeshidratación propiamente propiament e dicha. El jarabe se puede preparar con mucha antelación y aún, como hoy, se esta convirtiendo en actividad normal, se adquirir el insumo ya terminado a otras empresas osmodesh idratadas de guayaba se tienen las Caso 1.- En la obtención de tajadas osmodeshidratadas siguientes etapas: Preparación de jarabe. Recibo de la fruta. Selección y clasificación de la fruta. Escaldado. Adecuación Adecuación de la fruta. Osmodeshidratación.

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Doméstica o artesanalmente artesanalmen te para trabajar 10 ó 100 kilos el proceso es por cochada o lotes y corresponde a lo que se va a procesar, una cochada de 10 kilos ó un lote de 100 kilos.



Industrialmente Industrialmente algunas etapas puede constituirse en un proceso y tenemos que: La preparación preparación del del jarabe jarabe es un un proceso proceso por cochadas cochadas El recibo de la fruta es por cochadas, ya sea en cajas o por el contenido de un vehículo, es una etapa La selección , clasificación clasificación y escaldado son etapas continuas La adecuación de la la fruta fruta (tajado (tajado o troceado) troceado) es continua. La osmodeshidratación osmodeshidratación es por cochadas. El juagado es una operación continua El secado es por cochada y El empaque es continuo.  

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Caso 2.- La elaboración de tamales a nivel artesanal (ver anexo 2) establece los siguientes siguientes etapas, todas ellas por lotes: Adecuación Adecuación de materias primas. Cocimiento de las carnes Preparación Preparación de la masa. Dosificación Dosificación o porcionado porcionado de la masa Ensamble del tamal ( colocación de carnes y adición a las hojas) Amarre del tamal. Cocción del tamal. Enfriamiento.

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A nivel industrial las etapas de preparación preparación de la masa, dosificación, dosificación, ensamble y amarrado se hacen en forma f orma continua. Muchos procesos tienen etapas por cochadas y etapas continuas, una forma de integrar las dos clases de etapas es mediante los que se denomina tanques pulmón o de acumulación para líquidos o sólidos pulverulentos o granos, y mesas de acumulación o canastas en sólidos regulares o productos empacados. En el caso de la elaboración industrial de tamales, para tener continuidad en la producción se dispone de una marmita y dos tanques pulmón .La masa elaborada en una primera cochada se pasa al primer tanque pulmón de donde se dosifica o porciona a las hojas para un ensamble continuo, mientras tanto se esta procesando la segunda cochada de masa que se recibe en el segundo tanque pulmón. Cuando se termina de dosificar del primer tanque se pasa a dosificar del segundo tanque pulmón y se elabora la tercera cochada que a la vez se recibirá en el primer tanque. (ver cronograma de proceso) El empaque de leche en bolsas o de arroz en talegas se constituye en una operación continua disponiendo de la leche en un tanque y del arroz en una tolva alimentadora. La mesa de acumulación, que como su nombre lo indica, es una mesa o un espacio de gran tamaño superficial que permite recibir productos de un equipo continuo, para alimentar un equipo por cochadas.


En la industria de tamales se dispone de una mesa de acumulación y canastillas para recibir los tamales ensamblados permanentemente y que se han de cocinar por cochadas en un horno. Una de la más valiosa herramienta de trabajo para la visualización de procesos es el diagrama de flujo.

2.4.2. Diagrama de flujo. Es la representación gráfica de operaciones y etapas que tienen lugar en un proceso. En algunos, se representan la secuencia coordinada de los procesos y operaciones unitarias que permiten la transformación de las materias primas a productos finales y subproductos. También se usan los diagramas de flujo para representar la secuencia de equipos y operaciones unitarias en todo el proceso, visualizar simplificadamente los procesos de manufactura e indicar las cantidades transferidas de masa y energía. La secuencia, realizada mediante figuras predeterminadas, se hace en forma horizontal horizontal o en forma vertical dependiendo del área disponible para la representación.

2.4.2.1. Clasificación. Se tienen diversas clasificaciones de los diagramas de acuerdo a la información suministrada y la forma como ella se presenta. La más amplia clasificación establece dos grupos, los diagramas de flujo cualitativos y los cuantitativos.

2.4.2.2. Diagrama de flujo cualitativo. Es el tipo de diagrama más ampliamente usado y en el se indican operaciones o etapas con campos independientes independientes como flujos de de materiales, operaciones operaciones unitarias unitarias involucradas, equipo necesario o variables que intervienen en el proceso. Indistintamente se tienen diagramas cualitativos con dos o más campos como flujos de materiales y operaciones unitarias u operaciones unitarias y equipos.

2.4.2.3. Diagrama de flujo cuantitativo. Es el se representan las operaciones o etapas con las cantidades de materiales necesarios, materiales en proceso, productos finales y subproductos. También se pueden incluir las variables en sus rangos de operación.

2.4.2.4. Diagrama de flujo combinado. Los llamados diagramas de flujo combinado incluyen la localización de aparatos de medida, así como registradores y controladores de presión y temperatura, lo mismo que la ubicación de válvulas de control e instrumentos especiales. Las zonas críticas de operación son realizadas y se muestra cada equipo designándolo por un número de código definido.


Tablas que acompañan a los diagramas dan información adicional sobre los equipos, tales como especificaciones para adquisición o para construcción, tipo de fabricación, cantidades y clases de reactivos involucrados y cálculos básicos.

2.4.2.5- Diagrama elemental Es el método más simple de expresar gráficamente un proceso y comúnmente se conoce como diagrama de flujo de bloques. El diagrama está constituido por pequeños bloques y flechas, con los nombres de los títulos o pasos particulares del proceso escritos dentro de los bloques. No se da información adicional, ni se relaciona el número o clase de equipo. Es el diagrama más simple, más rápido y efectivo para tener un conocimiento muy global de un proceso. Un diagrama de bloques deberá ser la primera y más sencilla etapa en el delineamiento de todos los pasos que tienen lugar en el proceso completo. Este enfoque del proceso no solamente es una ayuda para los ingenieros, sino también un método para dar información a aquellas personas que no están familiarizadas con un proceso en particular. Los diagramas de bloques se emplean ampliamente para ilustrar y permitir evaluaciones evaluaciones en las áreas de manufactura de una planta.

Caso 3.- En la cocción de un huevo se tienen varias operaciones que involucran el recipiente con agua, una estufa y el huevo. La relación de operaciones es: Alistar el recipiente. recipiente. Adicionar agua al recipiente. Llevar recipiente a la estufa. Prender la estufa. Adicionar el huevo. Llevar a ebullición. Hervir. Retirar el huevo. Enfriar el huevo. Pelar Almacenar el huevo.

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Se tienen otras operaciones colaterales relacionadas al recipiente y agua contenida que se relacionan al finalizar la operación . Se puede elaborar el diagrama de flujo, de bloque, para las operaciones involucradas en el proceso empleando un trazado horizontal, que dada la extensión de la hoja, lleva a establecer cuatro cambios de dirección . El cambio de orientación de la hoja a horizontal permite menores cambios de dirección. De todas formas no se debe escatimar espacio y la presentación del diagrama debe ser suficientemente clara. 29 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

Como se puede apreciar en las figuras 9 y 10 el tamaño de los bloques es lo suficientemente grande para que los títulos de las operaciones y el tamaño de letra escogido permitan una fácil lectura y seguimiento


Las dos últimas operaciones pueden excluirse del diagrama de flujo, ya que en el proceso se busca la cocción del huevo y estas dos operaciones no directamente involucradas a la cocción, pueden ser realizadas mientras se deja enfriar el huevo ó dejar para más tarde y en algunas circunstancias no se requiere lavar el recipiente sino solamente botar el agua. También se puede elaborar un diagrama para el producto en si como se representa en la figura 10 Los anteriores diagramas de flujo ampliamente empleados son los diagramas de bloques ya que como se observa cada operación se enmarca en un bloque o rectángulo. obtención industrial industrial de tajadas tajadas secas secas Caso 4.- Para la obtención

osmodeshidratadas de guayaba se pueden tener dos procesos independientes, independiente s, la adecuación de la fruta y la preparación del jarabe. Estos dos procesos confluyen en un tercero que es la osmodeshidratación propiamente dicha. El conjunto en total constituye el proceso industrial y como tal se representa en un solo diagrama, como se observa en la figura 11 Se ha tomado la recepción de materia prima como una etapa común para la fruta y para el jarabe, aunque en la práctica el manejo de cada materia prima es diferente y se constituirán en operaciones propias de cada proceso.

2.4.2.6. Diagrama simbólico general. Muchas industrias e ingenieros han adoptado símbolos o dibujos estándar para uso en los diagramas. El uso de los símbolos estándar puede reducir considerablemente el tiempo de diseño o interpretación, facilitando la comunicación entre el diseñador y el lector de los diagramas. Los símbolos esbozan los equipos básicos y patrones de flujo. No se incluye información sobre el tamaño o capacidad de los equipos; tampoco cantidades o volúmenes de materias primas, materiales de proceso o servicios. La información sobre ubicación de equipos, número de pisos, áreas de trabajo, etc., es opcional.


FIGURA 11 Proceso de elaboración cerveza Tomado de Cervecería Leona S.A Los diagramas simbólicos generales también son de amplio uso en la docencia, ya que permiten visualizar concretamente un proceso. Algunos productores de alimentos establecen una combinación de flujos unitarios de proceso con los diagramas generales. 32 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

El flujo de sólidos, líquido y gases, separada o simultáneamente, se encuentra prácticamente en todos los diagramas. Expresar simbólicamente esos flujos es un método efectivo de mostrar gráficamente el flujo total integrado, equipos y medio de transporte.

2.4.2.7. Diagrama simbólico específico Para establecer los flujos y equipos con la connotación simbólica, para una planta específica y particular en un proceso específico, se emplea este diagrama. Elementos muy significativos, como el número de niveles o pisos donde se ubica el equipo, pueden ser incluidos en el diagrama. En estos diagramas se incluyen la capacidad de producción o tamaño de cada equipo en particular, el ordenamiento y arreglo de los equipos, áreas específicamente enfatizadas en la actual producción; así como áreas destinadas para mejoras o futuras ampliaciones. Igualmente se incluyen los servicios de proceso como agua, vapor y aire. Estos diagramas son empleados en los campos del diseño y de la construcción, así como en la operación y funcionamiento de plantas. Los diagramas de flujo se convierten en herramientas muy importantes para el análisis de proceso, elaboración de balances de materiales y de energía, dimensionamiento y consistencia de equipos y finalmente diseño de planta.

2.4.2.8. P&ID. P&ID Es la sigla de Process and Instruments Instrument s Drawing ó Diagrama de Procesos e Instrumentos, es un diagrama simbólico en el cual se incluyen los instrumentos, tanto elementos de medición como elementos de control. Es una valiosa ayuda para establecer los llamados cuadernos de tareas o descripción detallada de los procesos. En la figura 12 se muestra un P&ID para el área de mezclas de leche con insumos en una planta procesadora de lácteos

2.4.3 Variables de proceso En muchos procesos lo que establece su continuidad son las formas como se manipulen las variables que se tienen en cada operación o etapa. A la vez, esta manipulación requiere requiere de equipos o aparatos diferentes.

Caso 5.- En la osmodeshidratación de frutas tomemos la preparación del jarabe y desglosémoslo en las operaciones que tienen lugar, así: Medición del agua Pesada del azúcar Pesada del ácido cítrico Calentamiento Calentamient o del agua Agregación del azúcar y ácido cítrico Ebullición.

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P&ID del área de mezclas FIGURA 12 En la medición del agua se tienen dos variables principales, volumen de agua y tiempo en el cual se realiza la medición del volumen que se requiere para procesar una determinada cantidad de jarabe. Para la pesada de azúcar las variables de la operación son peso y tiempo; iguales variables se tienen en la pesada del ácido cítrico. Para estas variables (las del agua, azúcar y ácido cítrico) se tiene interdependencia. Esta situación especial nace del manejo que el profesional quiera establecer. Si se define una cantidad de agua, la cantidad de azúcar y de ácido cítrico dependen de dicha cantidad de agua. Por el contrario, si se define una cantidad de azúcar, las cantidades de agua y de ácido cítrico dependen del azúcar. O finalmente, si se estipula una cantidad de jarabe, las cantidades de cada materia prima dependerán de la variable cantidad o peso de jarabe a preparar.


En el calentamiento del agua las variables manipuladas son calor, temperatura y tiempo, que pueden ser integradas a dos variables , flujo de calor ( diferencial de calor sobre diferencial de tiempo q = dQ /dt ) y temperatura. temperatur a. Solamente el tiempo se constituye en variable durante la agregación del azúcar y del ácido cítrico al agua. Esta variable puede involucrar el tiempo de llevar el azúcar pesado desde su sitio de almacenamiento almacenam iento sea provisional o permanente y el tiempo de agregación propiamente dicho. Una reducción del tiempo de disolución se logra con una agitación. Si se dispone de un agitador mecánico, el tiempo de disolución es función de la velocidad tangencial del agitador. En la ebullición se tienen dos variables el flujo de calor y el tiempo de ebullición. Debe tenerse muy en cuenta que la variable tiempo para el flujo de calor es diferente a la variable tiempo de duración de la ebullición. En términos prácticos se tiene un flujo de calor en kilocalorías kilocalorías por hora y la ebullición puede durar durar 5 ó 10 minutos. También el flujo de calor es función f unción de la velocidad de agitación que tenga el fluido. La agregación del agua, azúcar y ácido cítrico implica el transporte. En un proceso de cochada la cantidad de agua se adiciona a una olla o marmita y se mide por nivel marcado directamente en el recipiente o empleando un recipiente aforado como baldes, vasos aforados, etc. En este caso la variable tiempo no es determinante y se llega a establecer un tiempo fijo para las operaciones a realizar En un proceso continuo el agua fluye a través de un medidor de volumen o contador de agua, para entrar al equipo que la ha de calentar. Acá, la variable tiempo que esta asociada al flujo de calor y a la capacidad del equipo, es determinante, a la vez que la cantidad de agua (variable peso o volumen ) es función del tiempo de proceso. La misma forma de expresar el flujo nos establece la dependencia, kilogramos por minutos, litros por hora, etc. Normalmente se emplea una báscula o una balanza para pesar las cantidades necesarias para una cochada. Y en este caso no se tiene la dependencia peso a tiempo. En un proceso continuo se debe usar un dosificador de sólidos que alimentará al equipo en el cual se efectúa la disolución, calentamiento y ebullición en forma continua. En la preparación del jarabe se tiene otra variable y es el pH, ya que la inversión del azúcar ocurre en medio ácido. Sin embargo el pH es función del ácido cítrico agregado y establecida una relación constante de agua, ácido cítrico y azúcar agregado, el pH deja de ser variable.

Caso 6.- Como ya se vio, en la obtención de cerveza (ver práctica integral 1 ó anexo No. 3) en una de las primeras etapas del proceso la malta se muele y se adiciona a agua con características químicas especiales. La mezcla (masa) se lleva a calentamientos periódicos para convertir proteínas y almidones en compuestos más simples, solubles solubles en una solución solución llamada mosto. mosto. 35 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

La operación más importante es la conversión de almidones en azucares por acción de las enzimas amilolílticas que tiene la malta. Esta conversión puede reconocerse mediante la toma de muestras a la masa y adición de una solución de yodo; el cambio de coloración de la solución a azul intenso indica presencia de almidones. A mayor intensidad mayor contenido de almidones en la masa. Se considera que se tiene una conversión conversión de almidones cuando la solución no cambia de coloración. Las operaciones que se tienen en la llamada maceración son           

Preparación del agua (adecuación de sus características químicas). o Calentamiento Calentamient o del agua a 36 C Adición de la malta molida. Agitación de la mezcla. (se continua hasta terminar el proceso) o Calentamiento Calentamient o a 52 C o Descanso a 52 C ( conversión de proteínas)., durante diez minutos o Calentamiento Calentamient o a 72 C o Descanso a 72 C ( conversión de almidones), durante quince minutos o Calentamiento Calentamient o a 76 C o Descanso a 76 C (inactivación de enzimas) durante cinco minutos Bombeo a filtración.

Los descansos son operaciones en las cuales la masa se deja durante un tiempo predeterminado a la temperatura establecida para lograr un mayor o menor grado de conversión de las proteínas y almidones, lo que a la larga, en procesos subsiguientes se traduce en mayor o menor cantidad de alcohol y mayor o menor densidad en lo que conoce como cuerpo de la bebida. Para este proceso en particular, las variables son pH y cantidad de sales del agua, cantidad de materias primas (relación agua: malta) concentración de sólidos , temperatura, tiempo y concentración de proteínas y almidones . Todas ellas inciden en las características de la cerveza y permiten establecer los llamados tipos de cerveza.


Generalizando, en la industria de alimentos, las variables más comunes son tiempo, temperatura, concentración, flujos másico, volumétrico y de calor y en un menor grado, presión y pH. No se descartan otras variables aunque algunas pueden estar relacionadas a las ya expuestas, como densidad (incluyendo diversas mediciones como grados Brix), o muy especiales, como brillo, turbidez, color, etc. El diseño, dimensionamiento y la optimización de procesos y equipos se fundamenta fundament a en el correcto conocimiento y manejo de las variables involucradas.

2.4.4. Balance de materiales y energía. Los balances de materiales y energía nos permiten establecer las cantidades de materiales y servicios que se han de manejar en las diferentes operaciones y etapas que tiene el proceso industrial. La cantidad de materiales a procesar incide inicialmente en el tipo de proceso, de cochadas o continúo y en gran medida incide en los tiempos de proceso. Grandes volúmenes de producción requieren de procesos continuos, pues se tienen una gran limitación en el tamaño de equipos para cochadas, y esta es quizás hoy la razón más importante en el cambio de procesos y la tendencia a tener producciones continuas. No es nada práctico pasterizar en un tanque una cochada 100.000 botellas de leche, mientras que es supremamente fácil hacerlo continuamente en un pasterizador de placas.


Por la disponibilidad de equipos a nivel de equipos básicos o de planta piloto, la mayoría de procesos para alimentos se desarrollan por cochadas y bajo esta situación se manejan los balances de materiales y de energía. Al escalar o llevar una producción producción por pruebas de campo o planta piloto a una producción industrial, debe tenerse presente si ha ocurrido algún cambio en el tipo de proceso es decir si alguno o todos los de cochadas se han llevado a continuos. Cuando ello ocurre el tratamiento a los balances debe hacerse en forma de flujos e igualmente debe hacerse los cambios correspondientes para los servicios industriales.

2.4.4.1. Balances de materiales. Caso 6. En la tabla No 1 se presentan los resultados de promediar los balances de materiales de varias pruebas de campos en la osmodeshidratación de tajadas de guayaba, llevadas a cabo por cochadas en las instalaciones de una planta piloto. Respecto a las operaciones y etapas mostradas anteriormente (figuras 8 y 11), este proceso se ha implementado con una operación de desinfección que involucra un desinfectante comercial. Como estos ensayos se han de proyectar para una producción industrial se han tomado ciertas relaciones relaciones que facilitan facilitan los cálculos al volumen industrial. industrial. Como se puede apreciar todos los valores se han consignado en kilogramos. Se ha realizado un balance etapa por etapa y aunque no se anotan las entradas y salidas como tal, lo que son salidas en una etapa se constituyen en entradas para la etapa siguiente Un aspecto de tener presente es que en el balance anterior se han incluido todos los materiales que participan en el proceso, excluyendo los empaques y el aire empleado en el secado. Dentro de los materiales se han incluido aguas de proceso, empleadas para limpieza y desinfección así como para enjuague de las tajadas. A nivel industrial se puede tener recuperación de aguas y es así como el agua de desinfección, puede emplearse para una limpieza e igualmente la de enjuague de las tajadas para la preparación de jarabe. En el balance general únicamente se incluye agua de proceso y el agua evaporada en el secado de las tajadas, pero no el agua de servicio. Los resultados se aprecian en la tabla 2



Caso 7 . En una propuesta a nivel industrial, por ejemplo para la obtención diaria de 5000 kilos de tajadas secas, en un turno de ocho horas, se hace necesario procesar 24.816 kilos de fruta fruta cuyo manejo por cochadas cochadas es prácticamente prácticamente imposible. imposible. Ello lleva a trabajar varias etapas en forma continua aunque en la osmodeshidratación se hace necesario trabajar por cochadas y es posible en un tanque de 30 metros cúbicos llevar a cabo esta operación. Una forma de trabajar una planta de este tamaño es disponer de tres tanques para efectuar la osmodeshidratación. osmodeshidratación. Se inicia el proceso en forma continua, incluyendo la adecuación de la fruta. Se han realizado cálculos para que al cabo de 7,5 horas (tiempo de trabajo efectivo en un turno de ocho horas)



de proceso continuo se vaya alimentando el tanque hasta completar la cantidad a osmodeshidratar. Al día siguiente y mientras este primer tanque esta en proceso, se procede a trabajar para llenar el segundo tanque. En el tercer día y mientras se desocupa el primer tanque para las operaciones subsecuentes subsecuentes a la osmosis, se procede a llenar el tercer tanque. Al finalizar el tercer día, el primer tanque ya se encuentra desocupado de tal manera que al cuarto día las primeras operaciones llevan a llenarlo, mientras tanto se va va desocupando el segundo tanque, estando el tercero en plena etapa de osmodeshidratación. En la tabla 3 se aprecia el balance de materiales para este proceso que involucra etapas continuas y de cochada, empleando para las primeras flujos en kg por horas y en las segunda, peso. Es de anotar que el jarabe puede ser reutilizado hasta por cuatro veces ajustando la concentración de azúcar invertido. Este balance esta fundamentado en el realizado por pruebas de campo. Mediante simulación se lograron los resultados para la obtención de los 5.000 kilos de tajadas secas. (Ver hoja de cálculo 1).

2.4.4.2 Balances de energía. Un tratamiento similar a como se hizo con los balances de materiales se deben hacer con los balances de energía. Caso particular se tiene en el manejo de las energías térmicas. Indistintamente si el proceso es continuo o es de cochadas, debe establecerse una clara diferenciación en cuanto a la cantidad de energía energía térmica o calor calor requerido requerido y el flujo de calor calor necesario. Estos dos conceptos se deben manejar en forma independiente para establecer de un lado la cantidad de servicio térmico requerido y de otro, el equipo para utilizar dicho servicio o transferir la energía térmica, como se aprecia en el caso siguiente. Caso 8. Establecer el balance de calor y determinar el flujo de calor en la elaboración del jarabe tanto para las pruebas pruebas de campo campo de tajadas secas secas de guayaba. guayaba. Empleando los datos del balance de materiales y disponiendo de datos consignado en la tabla No. 3, el balance de calor se establece: Esta cantidad de calor puede ser suministrada por gas propano, natural o energía eléctrica dependiendo del sistema de calefacción. El flujo de calor, será función del tiempo que se estipule para el calentamiento. Si se fija el tiempo en una hora el flujo de calor será de 283.778,2 kcal / 1 hora = 283.778,2 /hr, en tanto que si se desea hacerlo en media hora el flujo será de 283.778,2 / 0,5 = 567.556,4 kcal /hr. En este caso, si se emplease gas propano o natural, se requiere un quemador de doble capacidad del que se requeriría cuando el calentamiento se hace en una hora.


2.4.5. Operaciones y procesos unitarios. Un proceso industrial se conoce a fondo cuando se definen tanto las operaciones como los procesos unitarios y la correcta secuencia en que ellos se desarrollan. Muy a menudo los procesos unitarios van acompañados de operaciones unitarias

Caso 9. Tomando la osmodeshidratación de la guayaba se pueden identificar las siguientes operaciones unitarias: Selección. clasificación. lavado, puede considerarse una extracción sólido-líquido. sólido-l íquido. manejo de fluidos escaldado, en cuanto se tiene calentamiento y por consiguiente transferencia de calor. reducción de tamaño. osmosis. separación de fruta y jarabe. enjuague. secado. transporte de materiales. calentamiento calentamien to en la inversión del jarabe.

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y como procesos unitarios los siguientes. inversión o hidrólisis del azúcar, en la preparación del jarabe. desinfección. escaldado, en cuanto a la inactivación de enzimas

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para este caso existen dos etapas en las que se tienen operaciones y procesos unitarios, simultáneos, la inversión de azúcares y escaldado . Más aún, para realizar los procesos se requiere obligadamente de operaciones unitarias.

Caso 10. Para la etapa de maceración de la malta en la elaboración de cerveza se tienen como operaciones: operaciones: manejo de fluidos agitación calentamiento y extracción sólidos-líquido. y como procesos adecuación del agua ( ajuste del pH , dureza y alcalinidad) proteólisis amilolisis e inactivación de enzimas.

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La identificación de las operaciones y procesos unitarios permite establecer las necesidades de equipos, mano de obra y servicios en el orden requerido. En algunas circunstancias es posible cambiar orden en que se efectúan algunas operaciones, sin embargo dado el carácter de la irreversibilidad en las reacciones químicas que normalmente ocurren en el procesamiento de alimentos, no es viable alteraciones en el orden de los procesos unitarias.


CAPITULO 3

ESTANDARIZACIÓN ESTANDARIZACIÓN DEL PROCESO


3.- ESTANDARIZA ESTANDARIZACIÓN CIÓN DEL PROCESO

3.1. Parámetros requeridos Una vez se han realizado pruebas de campo y se han estudiado las consideraciones que inciden en los proceso se procede a estandarizar el proceso bajo los siguientes parámetros 

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Manejo del proceso, que comprende la relación de las operaciones y procesos Unitarios, que tienen lugar, para desarrollar con ello la elaboración de los diagramas de flujo. Relación de equipos. Cronogramas de operaciones (etapas y procesos), equipos, mano de obra y servicios industriales para la representación gráfica de las diversas etapas, equipos empleados y proceso general , en función del tiempo transcurrido. Cronograma de Variables o representación gráfica de las variables que que se cambian durante el proceso, en función del tiempo transcurrido, y Hojas de Proceso, en la cuales se registran las etapas y operaciones así como las variables y tiempos transcurridos.

Para desarrollar adecuadamente cada uno de los parámetros mencionados se normatizará el proceso artesanal de elaboración de tamales y posteriormente se dimensionará para una producción producción industrial.

3.2. Manejo del proceso.El manejo del proceso comprende el seguimiento de las operaciones y etapas estableciendo estableciendo muy claramente tiempo y variables empleadas. Sobre procesos ya definidos y cuando se desea la normatización ( estandarización) del proceso debe hacerse el seguimiento de varias producciones para establecer tanto tiempos como variables representativas. Inicialmente se establecen promedios aritméticos, aunque para la optimización de procesos, una vez se definen valores representativos, debe entrarse a realizar un diseño experimental sobre las variables que incidan en la optimización. En el desarrollo de nuevos productos sobre pruebas de campo, previamente delineadas se establecen los valores representativos. Debe tenerse un conocimiento adecuado de las materias primas y los insumos empleados, para establecer las necesidades de hacer adecuaciones previas, tratamientos especiales especiales o manejos específicos para algunas de ellas.

3.3. Materias primas Las materias primas se clasifican como primarias o básicas y secundarias 46 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

Materias primas básicas son aquellas sustancias que tal cual o transformadas son parte fundamental del producto final. Si falta alguna materia prima básica no se puede tener el producto. En la cerveza las materias primas son malta, lúpulo y agua. Materias primas secundarias son aquellas sustancias que modifican las principales características del producto y no son indispensables para obtener el producto en sí. En algunos casos lo que se considera una materia prima secundaria en verdad llega a ser una materia prima básica. Tal es el caso de un vinagre en una salsa o en un aderezo. En la mayoría de los casos es un material para modificar el sabor del producto o dar estabilidad al mismo, pero en una salsa a la vinagreta vinagreta es obvio que el vinagre es materia prima. Materiales de proceso, son aquellas sustancias que participan, permiten o facilitan los procesos; tal es el caso del bicarbonato de sodio en la cocción de verduras o la levadura en un proceso de fermentación. Aditivos son son sustancias, generalmente generalmente de orden químico químico que se emplean emplean para mejorar o conservar algunas características de los productos Algunos proyectistas proyectistas consideran consideran los empaques, rótulos, tapas y elementos de aseo como materiales de proceso. Para nuestro ejemplo consideramos únicament e los empaques y las tapas como materiales de proceso ya que ellos implican equipos, áreas de montaje y servicios, que deben ser considerados en el diseño. En el desarrollo del caso a estudiar se selecciona el tamal elaborado en el interior del país, cuyas materias primas son: Carnes en trozos Harina de Maíz Arroz cristal cristal Arveja verde verde o verde-seca verde-seca Agua.

Aditivos o condimentos como: Ajos Cebolla Color Especias

Los materiales de proceso: Hojas de plátano o de vijao Cabuya o piola. A la vez en las carnes se pueden emplear pollos, carne de res ( costilla) y tocino , todos en trozos. En las hojas de cálculo se presentan los balances y la simulación para 100 tamales, con peso promedio de 0,550 kg por tamal. Debemos recordar que en las producciones artesanales las etapas son por cochada. 47 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

3.3.1. Balance de materiales. El balance de materiales para la elaboración de los tamales se muestra en la tabla 9. El balance de energía se realizara una vez se hayan establecido los cronogramas de variables

3.4. Proceso El proceso artesanal, para la elaboración del tamal, comprende cinco etapas plenamente definidas: a.- Cocción de carnes b.- Elaboración de la masa. c.- Conformación del tamal. c.- Cocimiento del tamal. d.- Enfriamiento y Almacenamiento . Cocinadas las carnes en agua se obtiene el consomé, luego se elabora y cocina en el consomé una masa debidamente condimentada, de maíz , arroz y alverjas enteras; la masa se extiende sobre las hojas de plátano ó vijao, se le agregan las carnes previamente cocidas, se enrolla la masa y se arma con las hojas, amarrando el conjunto con pita o cabuya. El tamal armado se lleva a una cocción final, para dar una consistencia sólida y un adecuado grado de cocción a las carnes. Finalmente se enfría u orea el tamal para luego almacenarlo a bajas temperaturas. temperaturas. La descripción detallada del proceso, a nivel artesanal, se encuentra en el Apéndice No, 1 Para normalizar el proceso y posteriormente proyectarlo a proceso industrial, a partir de la actividad artesanal, deben elaborarse múltiples producciones para obtener los parámetros representativos de cada operación y así llegar a estandarizar el proceso. Se deben evaluar las operaciones y procesos unitarios para establecer alternativas y secuencias secuencias en los mismos que permitan inicialmente tener el mejor proceso. Puntualizando, el proceso artesanal comprende los siguientes operaciones         

Recibo de materias primas Almacenamiento Almacenamiento de materias primas Adecuación Adecuación de materias primas Cocimiento del Pollo Cocimiento de la Carne de res y tocino Preparación Preparación de las hojas Corte de las carnes Elaboración Elaboración de la Masa Dosificación Dosificación de la Masa


TABLA 10 Balance de materiales para 100 tamales     

Conformación del Tamal Envoltura y Amarre Cocción del Tamal Oreo del Tamal Refrigeración y Almacenamiento Almacenamien to

Con las operaciones anteriores se elaboran los diagramas de flujo, ayudas necesarias para tener la visión global del proceso e igualmente tener las bases de los balances de 49 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

materiales y energía, elementos fundamentales en el diseño y dimensionamiento de los equipos. En el diagrama de flujo se debe dar una buena orientación para que se comprenda el proceso. Se incluyen las operaciones y/o etapas más significativas más y no siempre ellas corresponden a las definidas definida s en el cronograma

3.4. Desarrollo del proceso. Para tener las mismas condiciones de operación, se toma como base del estudio y de los balances, la elaboración de 100 tamales. Algunos productores productores de tamales, adquieren adquieren las carnes en los trozos requeridos mientras que otros compran pollos enteros o carne en canal y en este caso se deben adecuar las materias primas. Para la continuación del caso asumimos que las carnes llegan en trozos y no se tiene la etapa de adecuación de materias primas. Igualmente las hojas de plátano llegan listas para su uso. No obstante, muchos procesos requieren de la adecuación de las materias primas, como en la producción de arepas a partir del maíz entero, en la que debe retirarse la cutícula y el germen del grano para la obtención de la harina. Esta adecuación puede hacerse por vías húmeda o seca. En el primer caso, una vez, vez, se obtiene la harina humedecida o masa, debe continuarse con el proceso. Dada la perecibilidad de algunas materias primas se requiere de un almacenamiento refrigerado, cuya temperatura depende fundamentalmente del tiempo de almacenamiento. A la vez el tiempo de almacenamiento, almacenamiento, íntimamente ligado a la rotación del Inventario de materias primas, depende de los proveedores, proveedores, en lo referente a la periodicidad periodicidad y volumen de las entregas, así como de la ubicación de los mismos. Productos de cosecha o importado exigen de inventarios para largos periodos en tanto que los de suministro diario y en la misma ciudad donde se ubica la planta requieren de los mínimos inventarios, a lo sumo para unos tres días de producción. Volviendo a nuestro proceso, generalmente el cocimiento del pollo se lleva a cabo independientemente del cocimiento de la carne y del tocino, aunque se emplea el mismo recipiente, debido a la textura de las carnes. El pollo demanda mucho menos tiempo de cocción que las carnes, ya que, con exceso de cocción, tiende a recogerse sobre el hueso. En el caldo o consomé obtenido se prepara la masa del tamal, adicionando al líquido, y en diferentes tiempos, el maíz, arroz y arvejas. Cocinada la masa, se procede a ensamblar el tamal. Para ello se toma la porción de masa requerida para un tamal y se deja centrada sobre las hojas.


Es importante que la masa se encuentre a una temperatura media y tenga la viscosidad requerida para que se extienda sobre las hojas en una capa de espesor adecuado. De inmediato se colocan sobre la masa los trozos de carne y luego se proceden, mediante recogida de los lados de las hojas, a cubrir las trozos de carne con la masa. Al mismo tiempo se cierra el tamal y se procede a amarrarlo mediante una cabuya delgada o pita. A continuación los tamales se arruman en bandejas, y se llevan todos los tamales de la cochada, de nuevo a la olla con agua suficiente para su cocimiento fi nal. El cocimiento final demora entre dos y tres horas, tiempo en el cual se esta revisando el nivel del agua, para compensar la que se ha evaporado en el proceso de cocción. Como ya se comentó la descripción descripción detallada del proceso se encuentra en el apéndice 1

3.5. Equipos empleados. Los equipos empleados en la producción artesanal son:        

Una (1) Olla grande en aluminio con su respectiva tapa Una (1) Ollas mediana en aluminio con su respectiva tapa Canasta perforada en acero inoxidable para introducir en la olla grande Bandejas en aluminio Canastillas plásticas Balanza gramera Mesas para formación y amarre Utensillos varios como pala de agitación, cucharones, cuchillos ,etc.

3.6. Servicio requeridos.Se tienen los siguientes servicios industriales.     

Agua Fría Agua caliente Gas de Cocina (Estufa de Gas) Energía Eléctrica. Aguas servidas

No fue posible cuantificar los consumos de estos servicios , aunque en una apreciación visual, se consideran muy altos estos consumos.

3.7. Cronogramas de operaciones, etapas y procesos. Mediante el seguimiento de varios elaboraciones, de carácter eminentemente artesanal, se llegó a un proceso tipo, ya definido en sus tiempos y parámetros de operación, para lograr estandarizar tantos los tiempos de cada etapa y de cada operación, así como los parámetros operados . 51 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

En la presentación siguiente se anotan las operaciones realizadas para cada etapa y promedios de las variables medidas. Es de anotar que algunas etapas se realizan en el mismo equipo. Las etapas A, B, E y K , se llevan a cabo en la misma olla . Algunas etapas como se se comentó son previas al proceso propiamente dicho. No se tienen en cuenta los tiempos de alistamiento ni de aseo e los equipos.

A.- Cocimiento del Pollo

B.- Cocimiento de las Carnes

Los cronogramas de operaciones se representan gráficamente y de ellos se establecen los demás cronogramas, es decir los de equipos, servicios y mano de obra. Para la representación gráfica se escoge una escala adecuada a las unidades de tiempo seleccionadas, seleccionadas, dependiendo de la duración de todo el proceso. Se han tomado unidades de tiempo lapsos de 5 minutos, con marcaciones o recuadros negro de sesenta minutos 52 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

A continuación continuación se presenta el cronograma cronograma de estas dos etapas que se llevan a cabo en la misma olla

C.- Preparación de las hojas Operación previa

D.- Corte de las carnes Operación siguiente

E.- Elaboración de la Masa


La adición de condimentos se hace en forma simultánea con el cargue de arroz. Se tiene la operación de diluir la harina de maíz, en una olla pequeña y puede hacerse en cualquier momento entre las operaciones 1 a 6, y que se consigna así: La adición de condimentos se hace en forma simultanea con el cargue de arroz. Se tiene la operación de diluir la harina de maíz, en una olla pequeña y puede hacerse en cualquier momento entre las operaciones 1 a 6, y que se consigna así: 1.- Dilución de harina de maíz

5 minutos

Ti = 15 oC

Tf =15 oC

F.- Transporte de la Masa a Dosificación 1.- Operación continua hasta terminar de vaciar la masa de la olla ; depende de la conformación o ensamble ensamble del tamal. Ti = 77 oC Tf = 40oC Para el cronograma se han tomado únicamente 10 minutos que es el tiempo que se demanda en retirar la olla y colocarla en un mesón para retirar la masa en dosificación.

G.- Dosificación de la Masa 1.- Operación continua hasta terminar la masa. Para el presente caso se tomaron dos horas y diez minutos.

H.- Ensamble del Tamal. 1. La masa que se ha dosificado sobre las hojas se extiende y en el centro se colocan los trozos de carnes.

I. Envoltura y Amarre 1.- Envoltura.- Operación continua hasta terminar la masa. Las etapas simultáneas demandan de dos horas treinta minutos. m inutos. 2.- Amarre.- Operación continua hasta terminar la masa.

J.- Transporte y arrume en la olla. 1.- Operación continua hasta terminar la masa. Un operario hábil puede ensamblar hasta tres tamales por minuto. Esta operación siendo simultánea a las dos anteriores demandan de dos horas horas treinta minutos. minutos. Las anteriores operaciones se llevan a cabo en mesones simultáneamente con las cuatro anteriores etapas.


K.- Cocción del Tamal

Se toma como tiempo de cargue, la correspondiente a los últimos tamales y su posterior arreglo dentro de la olla. Igualmente se considera dentro de este tiempo la adición de agua, pues la cocción se hace con agua

L. Oreo o Enfriamiento del Tamal. Una vez se retiran los tamales, se dejan en los mesones para un enfriamiento natural y posterior almacenamiento refrigerados. Esta operación no se controla ya que en ocasiones el tamal se despacha aún caliente y en otras ocasiones se envían al día siguiente de su elaboración. Las etapas de manejo, posteriores a la elaboración de la masa, como son transporte, dosificación , envoltura y amarre se pueden integrar en una sola, de tal forma que el proceso artesanal se puede desglosar así: 55 Ing. VICTOR JAIRO FONSECA V. Mr Br.

   

cocción de carnes elaboración elaboración de la masa ensamble del tamal y cocción del tamal.

A continuación continuación se presenta presenta el cronograma cronograma secuencial secuencial de de las operaciones. operaciones.


CRONOGRAMA 5

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Inicialmente se han presentado los cronogramas de independientes para cada una de las etapas seleccionadas

operaciones,

Luego se ha presentado el cronograma secuencial de todas las operaciones que tienen lugar en el proceso. Las hojas de cálculo, en programas Excel o Linux son muy apropiadas para hacer la representación sin limitación alguna como se muestra en el archivo Cronograma.xls Para el análisis del proceso siempre se hace necesario elaborar el cronograma secuencial de las operaciones y etapas, como se aprecia en la hoja anterior, cronograma 5. Una forma simplificada de presentar el cronograma es como se muestra a continuación, teniendo presente que la escala de tiempo se ha cambiado y cada división corresp corresponde onde a 10 minutos. Las operaciones se han llevado a cuatro etapas muy definidas, que

Inicialmente se han presentado los cronogramas de independientes para cada una de las etapas seleccionadas

operaciones,

Luego se ha presentado el cronograma secuencial de todas las operaciones que tienen lugar en el proceso. Las hojas de cálculo, en programas Excel o Linux son muy apropiadas para hacer la representación sin limitación alguna como se muestra en el archivo Cronograma.xls Para el análisis del proceso siempre se hace necesario elaborar el cronograma secuencial de las operaciones y etapas, como se aprecia en la hoja anterior, cronograma 5. Una forma simplificada de presentar el cronograma es como se muestra a continuación, teniendo presente que la escala de tiempo se ha cambiado y cada división corresp corresponde onde a 10 minutos. Las operaciones se han llevado a cuatro etapas muy definidas, que corresponden a las manejadas en el cronograma anterior. Este cronograma también permiten en forma macro describir el proceso, pero no sirve para efectuar el análisis detallado que permita estandarizar en la mejor forma posible. Se debe tener presente que la escala de tiempo se ha cambiado y cada división corresponde a 10 minutos. Cronograma 6 A nivel de impresión, en hojas de tamaño normal (oficio o carta) , se presentan inconvenientes para la presentación del cronograma, especialmente en procesos que demandan largos periodos de tiempo, ya sea porque se tienen muchas operaciones o porque algunas de ellas ocupan mucho tiempo. En estos casos el cronograma se presenta en segmentos diferentes. Debemos recordar que los diversos cronogramas, de proceso, equipos, mano de obra y servicios se trabajan simultáneamente y se debe tener una visión completa de como se integran los diversos elementos que concurren en el proceso. Para facilitar la impresión de los cronogramas extensos, es posible cortar los segmentos de tiempo para aquellas operaciones que demandan gran cantidad de tiempo. Tal es el caso de la dosificación de la masa, dosificación de carnes, que emplean dos horas, ensamble, envoltura y amarre, que demandan dos horas y diez minutos y la cocción final de los tamales que requiere de dos horas. Para estas operaciones se han cortado los segmentos de tiempo como se puede apreciar en la hoja siguiente y en la gráfica se han reducido a 7, 9 y 7

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segmentos con el espacio en blanco que indica que el tiempo se ha segmentado. Por la escala de tiempo se puede establecer la real duración de la operación.

3.8.- Cronograma de Equipos. En el se representa el tiempo de ocupación de los equipos y en algunos casos se deben incluir los tiempos de aseo, como en aquellos proceso que requieren el empleo del equipo para operaciones o procesos diferentes. De usarse en el proceso de los tamales una sola olla, en ella se debería cocinar las carnes, elaborar la masa y finalmente cocinar los tamales, haciéndose un aseo al finalizar la cocción de los tamales. Entre la primera y segunda etapa no es necesario hacer aseo de la olla ya que en el consomé obtenido en la primera etapa se elabora la masa, pero para la cocción de los tamales si es conveniente que la olla no tenga residuos de masa y por lo tanto debe hacérsele aseo. El cronograma se ha distribuido para cada una de las etapas definidas anteriormente y se ha incluido como etapa la disolución de la harina de maíz. Se puede observar números en le cronograma para cada equipo y corresponden a cada una de las operaciones realizadas en cada una de ellos. Este hecho permite integrar el cronograma de procesos con el cronograma de equipos. En las casillas, si el espacio lo permite, en una mayor escala, en lugar de números se pueden anotar las operaciones.

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Para la olla grande se tienen las siguientes etapas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

cocción de carne. cocción de la masa. cocción de los tamales. en la olla olla pequeña pequeña se lleva lleva a cabo la etapa disolución de la harina de maíz y en las mesa de ensamble ensamble ensamble y amarre del tamal

Como ya se comentó no se han incluido ni los tiempos de preparación ni de aseo de los equipos.

3.9.- Cronogramas de servicios. Una vez se ha adquirido cierta habilidad para la elaboración de los

Para la olla grande se tienen las siguientes etapas 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

cocción de carne. cocción de la masa. cocción de los tamales. en la olla olla pequeña pequeña se lleva lleva a cabo la etapa disolución de la harina de maíz y en las mesa de ensamble ensamble ensamble y amarre del tamal

Como ya se comentó no se han incluido ni los tiempos de preparación ni de aseo de los equipos.

3.9.- Cronogramas de servicios. Una vez se ha adquirido cierta habilidad para la elaboración de los cronogramas de procesos y equipos se entra a realizar los cronogramas de servicio empleados. Ya para este ejercicio se debe involucrar el equipo que está usando el servicio. Para la energía térmica que, en el caso de producción artesanal, proviene de gas natural, se tiene el cronograma 10: El agua se constituye de servicio cuando se emplea para refrigeración o para calentamiento como es el caso de la cocción de los tamales. También para el caso de aseos. En la cocción de carnes el agua se constituye constitu ye en materia prima ya que con ella se produce el consomé que se ha de emplear en la elaboración del tamal. El cronograma de utilización de este servicio queda circunscrito al tiempo de adición a la olla para la cocción de los tamales y al tiempo de aseo al final del proceso. No se ha considerado la energía eléctrica, ya que no se emplean equipos que demanden consumo de ella.

3.10. Cronograma de variables. En algunos procesos como los que implican reacciones enzimáticas se hace necesario realizar el cronograma de variables en el cual se relaciona el cambio de la variable con el tiempo. Su aplicación se tiene en el manejo de los flujos de servicios y en la programación de controles en automatización de procesos.

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Para el caso de los tamales tamales dado que la variable temperatura temperatura se maneja maneja en las operaciones de calentamiento en las cuales se requiere el menor tiempo para llegar a la ebullición y en la misma operación de ebullición el tiempo ya se ha definido, no se justifica realizar el cronograma de variables. En el caso No. 11, elaboración de mosto para cerveza, y en el cual se tienen reacciones enzimáticas muy importantes se establece un cronograma de temperaturas.

3-11.- Hoja de Proceso. Definidas las operaciones y las etapas y disponiendo de los cronogramas se procede a normatizar o estandarizar el proceso, Para el efecto se diseña una hoja de proceso denominada Hoja patròn Para la Hoja se establecen en forma clara y debidamente individualizadas cada una de las etapas, con los parámetros operativos respectivamente involucrados que se tiene en cada una de ellas. Como se apreciará adelante, esta hoja se constituye en el principio de la definición de los equipos requeridos. Ya dentro de cada etapa, se registran las operaciones correspondientes. y se somete a validación. Cuando en ella se dejan estipulados tanto tiempos como temperaturas que pueden ser fácilmente controlables y que se deben cumplir para todas las cochadas se tiene la HOJA PATRON. Cuando la Hoja de Proceso se emplea para registrar los procesos llevados a cabo en una planta, se pueden incluir en ella, otros datos de interés como los consumos de materias primas, turnos y operarios responsables del proceso como se muestra en la figura 12, para el proceso de elaboración de tamales.

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CAPITULO 4

CAPITULO 4

APLICACIONES

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4.- APLICACIONES 4.1.- Aplicaciones inmediatas.Tanto la hoja de control como los cronogramas tienen diversas aplicaciones y entre las inmediatas en una actividad fabril se tienen Elementos para control de la producción. Base para realización de inventarios. Control de personal. Análisis de costos.    

Las hojas de control se pueden constituir en planillas para efectos de llevar consecutivos de producción producto por producto, consumo de materias primas y cantidades de producto en lo que se denomina la contabilidad de la producción. A la vez, datos de la contabilidad contabilidad de la producción sirven para establecer consumos mensuales de materias primas y materiales de producción para los inventarios de materias primas. Igualmente se establecen productos procesados para los inventarios de producto terminado. El llevar las anotaciones de los turnos y los operarios responsables permiten establecer el control de personal para efectos de horas laboradas.

4.2.- Aplicaciones a otras otras actividades. Para el desarrollo de otras actividades muy importantes en el ejercicio profesional a desarrollar en la industria de alimentos se tienen: Racionalización de procesos Optimización Optimizaci ón de procesos . Necesidades de mano de obra Incremento de la producción Ampliaciones. Requerimientos Requerimientos de servicios Planeación de la producción Utilización de equipos Diseño de equipos y Diseño de plantas

         

El proceso artesanal o la prueba de campo a nivel de planta piloto, permite prefijar con el debido escalado, los tiempos para cada una de las operaciones para el proceso industrial , empleando, en cada etapa, un equipo especifico. Tanto la hoja como el cronograma de proceso, permiten un análisis detallado de cada una de las operaciones , de las etapas y del proceso para llegar en primeros pasos a racionalizar y en pasos subsiguientes a optimizar el proceso. La diferencia entre racionalizar y optimizar estriba en el hecho de que lo primero se realiza con los conocimientos que dispone el tecnólogo y los resultados de la estandarización., mientras que para lo segundo una vez hecho el análisis de operaciones y procesos se establecen alternativas que deben ser sometidas a validación, es decir se

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deben realizar pruebas de campo en cantidad y condiciones tales que permitan la completa fiabilidad de lo obtenido. Entrando en el análisis del proceso para dejar los planteamientos planteamient os en miras a racionalizar y después a optimizar, existen operaciones, que si bien son necesarias, no interfieren en la secuencia de las etapas, tal es el caso de las adecuaciones de carnes y la organización de las hojas para envolver, constituyéndose ellas en operaciones o etapas no secuenciales. En algunos procesos, las etapas no secuenciales pueden hacerse con mucha antelación, aún con dos o más días de anticipación, como es el caso de molienda en seco de cereales. Al elaborar los cronogramas para la mano de obra se puede determinar con certeza disponibilidad de tiempo en los operarios para realizar las operaciones o etapas no secuenciales. secuenciales. (ver archivo cronograma cronograma xls) xls) De igual forma se pueden destinar algunos tiempos libres en los operarios para realizar aseo de pisos, recolección de desperdicios, etc. Analizando Analizando los procesos se establece si algunas operaciones operaciones y/o etapas similares pueden ser llevadas a una, como son las cocciones del pollo y de las carnes. Y son los aspectos tecnológicos los que dan las pautas para tomar estas decisiones. Es apenas natural que con la racionalización de los procesos y equipos, algunos tiempos se disminuyen considerablemente. Por ejemplo en la cocción de las carnes y del tamal ya amarrado, al llevarse a cabo con vapor vivo en lugar de agua, se mejora considerablemente la transferencia de calor, disminuyéndose el tiempo de cocción. Claro está que ello requiere de un equipo apropiado para la cocción a vapor. De otro lado, por tener equipos para cada operación en sí, algunas (operaciones) se pueden iniciar antes de terminar otras; como por ejemplo se puede iniciar en una olla la cocción de las arvejas antes de terminar la cocción de las carnes , empleando únicamente agua en la cantidad estrictamente necesaria. Posteriormente y antes de enfriar las carnes se puede sacar el consomé, y pasarlo a una tercera olla para iniciar en ella cocimiento del arroz . No obstante y en estos procesos de cochadas el incrementar increment ar equipos, aunque economiza tiempo, aumenta considerablemente la mano de obra y el consumo de servicios tanto en las operaciones de atención directa como en los aseos a los equipos. Además las las inversiones inversiones y necesidades necesidades de espacio espacio también también se aumentan. aumentan. Los análisis de los procesos llevan a plantear alternativas que deben ser sometidas a una evaluación para seleccionar la más viable. Para la fabricación industrial de los tamales, dejando de lado el almacenamiento de materias primas y siguiendo el proceso proceso artesanal se definen claramente claramente 6 etapas: 1.- Cocción de Carnes. 2.- Elaboración de la Masa. 3.- Ensamble del Tamal. 4.- Cocción . 5.- Enfriamiento u Oreo. 6.- Almacenamiento. Almacenamiento.

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Hemos dejado de lado una etapa que en esencia sería la primera y es la obtención de la harina de maíz. Se podría perfectamente perfectam ente partir del maíz entero y hacer una molienda para posteriormente separar la harina del germen y de las cutículas. Aunque ello podría representar economías frente a la adquisición de la harina, debe tenerse en cuenta que se requiere equipo y espacio adicional, y poder disponer oportunamente de los subproductos. Igualmente se debe disponer de suficiente maíz para tener las existencias permanentes y adecuadas de harinas. Una planta productora de harinas se organiza para tener permanentemente sus productos en el mercado y tiene toda una infraestructura para manejar subproductos. subproductos. Caso similar puede tenerse con las hojas de plátano o de vijao. Para algunos productos, como los conos de helados con frutas, el cono se adquiere ya listo e igualmente las frutas confitadas. El análisis de cada una de las operaciones llevadas a cabo durante una etapa, permite plantear y analizar alternativas tanto para las operaciones como para las etapas.. Igualmente en cada una de estas etapas se pueden presentar alternativas de equipo, que deben ser analizadas cuidadosamente para seleccionar la más viable desde un punto de vista totalmente práctico. Para ello y de acuerdo a las alternativas, se plantean características o cualidades que deban ser evaluadas tanto para el proceso como para los equipos. Tomando una de las etapas, el análisis de los procesos unitarios puede plantearse como sigue: Partimos del hecho de que el tocino tiene un tiempo de cocción muy similar al de las carnes de res. y en lo sucesivo sucesivo nos referiremos únicamente únicamente a la cocción de llas as carnes. Para la cocción de carnes se hace necesario cocinar aparte las carnes?, que consecuencias se tienen el de cocinar simultáneamente simultáne amente la carne de pollo y la de res ?. Como se afecta la recolección de consomé en las alternativas propuestas? El tiempo empleado es significativamente diferente en cada alternativa? A que tamaño pueden cocinarse las carnes? Son los conocimientos tecnológicos los que nos dan inicialmente bases para establecer alternativas y luego respuestas a los planteamientos establecidos. Ante todo debe recordarse que la cocción es un proceso unitario que involucra las reacciones químicas asociadas a la cocción del alimento y como reacción química, su velocidad es función del tamaño de los reactantes. Por experiencia todos conocemos que la carne en trozos trozos pequeños por por ejemplo, la sobrebarriga, sobrebarriga, tiene una cocción cocción más corta que en grandes trozos. Pero también incide la calidad de los reactantes. El pollo requiere un menor tiempo de cocción por la textura de la carne, de tal forma que si se cocinan a la vez o bien el pollo se deshace o la carne de res queda semicocida. sin embargo una solución es adicionar primero la carne, llevar a ebullición y al cabo de un rato agregar el pollo para lograr el grado de cocimiento adecuado en las dos carnes. Pruebas de campo, en diversas condiciones, permitirán establecer los tiempos requeridos adecuados para cada operación. El cambiar variables también modifica el proceso; puede acortarse sensiblemente la cocción de carnes a altas temperaturas mediante el empleo de presión: marmitas u ollas 70

a presión se emplean actualmente para cocciones rápidas de carnes, teniendo claro está el cuidado de no hacer la cocción simultáneamente de carnes de pollo y de res. En la cocción a presión o con vapor directo o vapor vivo, se requieren menos cantidades de agua, relativo poco vapor y se reduce considerablemente considerablement e el gasto de calor. Respecto al consumo de energía, en algunos procesos que involucran soluciones diluidas y se requiera de calor, pueden tenerse soluciones concentradas en los procesos que requieran de calor y luego se adiciona agua fría para ajustar la concentración. Esto último tiene ventajas pues el agregar agua fría ayuda para el enfriamiento de la solución. El manejar grandes volúmenes de masa , en ollas o marmitas dificulta la operación de vaciado, más en este caso de los tamales en que se requiere del consomé para en él preparar la masa. Sacar un buen volumen de consomé de una olla es difícil si no se dispone de un sistema adecuado para trasvasar el consomé Cocinar las carnes en un horno, y al vapor presentaría en un momento dado problemas para recolectar el consomé, pero se tiene como ventaja, obtener las carnes más j ugosas. Los coeficientes de transferencia de calor en el vapor son mucho más altos que en el agua y el tener temperaturas temperatur as iniciales altas causan cerramiento en los poros y capilares de las carnes. En la cocción de cereales y sus harinas es importante determinar las temperaturas y pH de proceso proceso acorde a los propósitos. propósitos. La obtención de masas como el caso de pan, tortas, sopas, material de soporte requiere de la gelatinización de los almidones, en tanto que la solubilzaciòn de dichas harinas exigen además la licuefacción a un pH bajoSe debe recordar que la gelatinización de los almidones depende del tipo de cristal en que se estructuran los almidones almidones y la correspondiente correspondiente red reticular reticular conformada conformada principalmente por proteínas. Cada almidón tiene diferente temperatura de gelatinización. En nuestro caso se emplean diferentes.

arroz y harina de maíz con tiempos de cocción muy

También los tiempos de cocción de las leguminosas son diferentes. En la elaboración de masa podrían emplearse diferentes recipientes para cocinar independientemente las arvejas , la harina de maíz y el arroz, para luego hacer una mezcla. Acorde a la experiencia experiencia en las tecnologías tecnologías de los productos manejados se puede profundizar profundizar más aún en el análisis. Como ejemplo de aplicación volviendo al proceso de los tamales y buscando su racionalización para en un momento dado incrementar la producción podemos concretar los siguientes planteamientos: 





primero, que los tiempos tiempos de cocción de la carne de pollo y de res son diferentes. segundo, se puede hacer la cocción simultánea del pollo y las carnes aunque deben ser cargadas en diferente tiempos, para lograr al termino de la etapa, que los dos tipos de carnes hayan estado sometidas a cocción por el tiempo necesario. tercero, al tener cocción cocción simultanea simultanea no se hace hace necesario necesario enfriar ni ni descargar independientemente el pollo.

Cuando se analizan independientemente las etapas se podrían plantear 71





cuarto , las operaciones de cocción de carnes y elaboración de la masa pueden no ser secuenciales aunque deben ser concurrentes en el inicio de la tercera etapa, ensamblaje. quinto. para establecer la independencia de las etapas y tener concurrencia en la tercera etapa es necesario emplear una olla adicional de capacidad suficiente para procesar la masa e igualmente disponer de otro fogón de capacidad suficiente para realizar la etapa en el tiempo ya estipulado.

En un primer análisis, análisis , el calentamiento del agua con el pollo y la cocción se pueden involucrar en una sola etapa, ya que se efectúa en el mismo equipo y en su transcurso se tiene transferencia de calor, sin embargo en el calentamiento el flujo de calor es muy superior al que se requiere durante la cocción. Igualmente el calentamiento se puede iniciar una vez se alista el agua, antes de echar el pollo a la olla y el calentamiento del pollo se puede incrementar increment ar en 5 minutos. También el enfriamiento de los trozos de pollo se pueden tener fuera de la olla En tal caso el cronograma para la cocción de carnes puede quedar así:

COCCION DE CARNES TIEMPO

1

PREPARAR AGUA

2

CARGUE DEL POLLO

3

CALENTAMIENTO

4

COCCION

5

DESCARGUE

6

ENFRIAMIENTO

7

CARGUE CARNES

9

COCCION

60 1

5

10 DESCARGUE

CRONOGRAMA 12 El tiempo gastado en la cocción de carnes se reduce a 100 minutos, economizándose 30 minutos, con reducción de consumos de energía. Al cocinar simultáneamente las carnes se debe tener presente que las carnes rojas que demandan más tiempo de cocción se deben cargar antes y el cronograma queda como se observa a continuación:

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TIEMPO

1

PREPARAR AGUA

2

CARGUE CARNES

3

CALENTAMIENTO

4

COCCION

5

CARGUE DEL POLLO

6

COCCION

7

DESCARGUE

60 1

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Diseño de Plantas de Alimentos

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