FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
Determinación de isotermas isotermas de adsorción y el valor de la cobertura monomolecular
CURSO
: Química de los alimentos
Docente
: Ing. Iván herrera
INTEGRANTES :
ahumada rodríguez Nancy Hernández Quispe Manuel Loconi Gonzales diego López Pérez Ana Rosa. Montalván Damián Pilar
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
La presente practica tiene por objetivo conocer una metodología para determinar isotermas de absorción de algunos alimentos determinar las características hidrofilias de los alimentos a partir de las isotermas y mediante la ecuación de B.E.T Utilizar la ecuación de B.E.T B.E.T con los datos obtenidos con el fin de determinar el el valor de la cobertura molecular de cada alimento y predecir las humedad más adecuada de almacenamiento para para lograr una máxima estabilidad
ISOTERMAS DE ABSORCIÓN DE HUMEDAD 3.1. GENERALIDADES El conocimiento de las isotermas de absorción y desorcion de humedad de alimentos es de gran importancia en la industria alimenticia, ya que brindan información útil para la optimización del proceso del secado y el diseño de secaderos, la selección del material de empaque, la predicción de la vida útil del producto y de la evolución en el contenido de humedad durante el almacenamiento (PAQUIZA, D 2008) El termino sorcion se usa especialmente para denotar la habilidad de un producto higroscópico ene l proceso de ganar y perder agua hasta alcanzar un estado de equilibrio. Las isotermas de absorción absorción de humedad son usualmente usualmente descritas por gráficos en el que s representan la relación relación de equilibrio entre la actividad el el agua de un alimento y a la humedad humedad relativa del entorno entorno que lo rodea, a temperatura constante. constante. 3.2. ISOTEMAS Barreido y Sandoval Sandoval (2006) señala señala que la isoterma de sorcion de un producto es esencial para poder determinar su aw conocido como contenido de de humedad. Esto se puede determinar determinar mediante pruebas de laboratorio de fácil ejecución (secado a horno a presión atmosférica). Ya que es un producto depende del contenido de humedad, ganar y absorber agua del atmosfera del desecador o ceder o absorberá agua. Durante el proceso de equilibrio. Las isotermas de sorcion presentan la relación entre el contenido de agua de un alimento y la actividad de agua. La adsorción es un fenómeno fisicoquímico fisicoquímico de gran importancia, debido a sus aplicaciones múltiples en la industria química y en el laboratorio. En particular, resulta fundamental en procesos químicos que son acelerados por la presencia de catalizadores cuyo estado de agregación es distinto al de los reactivos( practica-de-Isotermas> 2010) Isoterma se desarrollo en 1916, Lagmuir desarrolló un modelo simple para tratar tratar de predecir el grado de adsorción de un gas sobre una superficie como función de la presión del fluido, que es igualmente aplicable a la adsorción de un soluto en disolución. En este modelo se supone que: 1) El adsorbato forma una capa mono-molecular sobre la superficie 2) Todos los sitios de la superficie son equivalentes
3) No hay interacción entre las partículas adsorbidas 4) Las moléculas adsorbidas no tienen movimiento sobre la superficie
3.2.1. ADSORCIÓN: Es un concepto aceptado aceptado por la IUPAC para indicar el requerimiento o empobrecimiento empobrecimiento de uno o más componentes en la superficie del sólido en el cual se lleca a cabo la adsorción, y absorbato a la sustancia que se absorbe. si un sólido se introduce en un sistema cerrado en el cual se halla gas o vapor , este comenzara absorberse y se observara una disminución de la presión. Dentro de un cierto tiempo, la presión permanece constante y el peso del absorbante es mayor que su peso inicial, con l cual se lleva al estado de equilibrio entre el sólido y el gas (Paquiza, D 2008)
fig. N° o1: Potencial de fuerzas sobre la superficie de un absorbente
3.2.1. 1.ABSORCIÓN FÍSICA Y ABSORCIÓN QUÍMICA El fenómeno de la absorción s e debe la instauración del campo de fuerzas del absorbente, absorbente, es decir es originado por por la existencia de un un exceso de energía energía libre superficial. superficial. Las partículas del sólido que se encuentran en la superficie del absorbente, a diferencia de las que están en el seno del solido solido se caracterizan por la indiferencia indiferencia de niveles insaturados insaturados de electrones, creando n la superficie un potencial de fuerzas (P aquiza, D 2008)
3.2.1.1.1. ABSORCIÓN FÍSICA
La Absorción físicas es originada por fuerzas físicas o de dispersión (fuerzas de de vender Waals, enlaces de hidrógenos y bipolares) es decir aquellos que provoca la condensación de vapores Las fuerzas de dispersión surgen por la existencia de fluctuaciones momentáneas de la densidad electrónica de cada átomo, las cuales inducen un momento eléctrico al vecino más cercano y como consecuencia surge la atracción
3.2.1.1.2. ABSORCIÓN QUÍMICA En la Absorción química o quimisorcion las fuerzas de absorción son de de naturaleza química. Los enlaces que que se generan en la interface son enlaces covalentes covalentes y enlaces iónicos, los que mejora la durabilidad de las adhesiones. Nos es siempre fácil determinar que tipo de absorción se está utilizando, ya que existe con frecuencia casos intermedios
Tabla N ° 01: diferencias entre absorción física y química
3.2.2. DESORCION: El proceso de desorcion se se inicia con un estado húmedo del del producto. Es el efecto contrario de la absorción. El punto final de la deshidratación de un alimento. Se determina por la actividad de agua deseada en el producto final. La isoterma de absorciones absorciones s obtenida al colocar inicialmente inicialmente un material húmedo bajo las mismas unidades relativas relativas pero midiendo por pérdida pérdida de peso. Es importante determinar la humedad inicial del producto. Se realiza mediante técnicas de la oratorio d secado. 3.2.3. HISTÉRESIS Cuando las isotermas isotermas de absorción absorción y desorcion desorcion de humedad de de un mismo producto producto son diferentes, al fenómeno de dichos procesos s ele llama histéresis desorcion Por lo general la zona de histéresis se da da cuando la actividad actividad de agua se presenta diferentes contenido d humedad humedad durante la absorción y desorcion (Paquiza, D 2008) Este fenómeno se produce porque los puntos puntos a donde e se une une el agua se han roto al deshidratarse el producto, producto, se ha modificado modificado la matriz de alimento por tanto al entra agua no siempre será factible que s redistribuya en el alimento de acuerdo con su forma Es importante de tenerla en cuenta cuando se pretende determinar el grado de protección dl alimento contra la captación de humedad ambiental Barreido y Sandoval (2006) señala que la histéresis puede ser explicada por la desnaturalización que puede ocurrir durante la desorcion de las proteínas, ya sea debido a la temperatura de secado o al efecto salino originado por la concentración de solutos en el alimento. alimento. A medida que la temperatura se incrementa, la humedad del alimento disminuye, análogamente para la humedad constante al incrementarse incrementarse la temperatura temperatura
Figura N° 02: Histéresis
3.3. REGIONES DE LA ISOTERMA DE HUMEDAD 3.3.1. Primera región En esta región el agua se encuentra perfectamente ligada y no eta disponible par reaccionar con otros compuestos en el alimento. Representa la absorción absorción de una película molecular molecular de agua, entre 0,00 y o, 25 de aw
3.3.2. Segunda región: Representa la absorción de las demás capas adicionales sobre la monocapa, se localiza entre lo, 0.25 y o.75 de humedad relativa. Representa la capacidad que tiene un producto para mantenerse estable 3.3.3. Tercera región: Localizada sobre los los 0.75 de humedad representa el agua agua condensada en los poros del del material provocando una disolución de los materiales solubles presentes. Esta es la fracción de agua agua libre que se se encuentro en estado líquido y que esta retenida en la superficie del sustrato seco únicamente únicamente por fuerza de capilaridad. capilaridad. 3.4. TIPOS DE ABSORCIÓN DE HUMEADA Las isotermas son clasificadas en 6 tipos: t ipos: 3.4.1. ISOTERMA TIPO I: representa I: representa un salto brusco de la zona inicial, debido a la absorción monomolecular de vapor de agua en los poros de los solidos.es solidos.es una de las características delo sólidos microporosos y se ajusta al modelo de lagmuir. La isoterma de este tipo no representa histéresis
Figura N° 03: isoterma tipo I
3.4.2. ISOTERMA TIPO II: II: esta isoterma tiene una forma Sigmoideo dentro de un rango amplio de actividad de agua (0,1 a 0,9) de particular interés de alimentos El punto de inflexión generalmente ocurre al formarse la primera capa. Se conoce como punto punto de rodilla y representa la cantidad d gas absorbido absorbido por el sólido n la monocapa. Al aumentar la presión se va formando la segunda, la tercera ,etc.,
Figura N° 04: isoterma tipo II
3.4.1. ISOTERMA TIPO III: III: es la llamada convexa, ocurre cuando la interacción adsorbatoadsorbato es mayor que la de adsorbente-adsorbato. Conocida como la isoterma floru huggins, muestra la forma de sorcion de sustancias puras y cristalinas, cristalinas, un ejemplo típico típico se tiene la sacarosa, arroz café, etc.
Figura N° 05: isoterma tipo III
3.4.4. ISOTERMA TIPO IV: IV: se debe a la condensación de gas de vapor en los Poros. Presenta mayor incremento de agua agua adsorbida y acumulada en los sitios sitios hidrofilacios del producto
Figura N° 06: isoterma tipo IV
3.4.5. ISOTERMA TIPO V: V: es una variación del tipo ii en el rango de actividad d agua baja, presenta baja interacción absorbente-adsorbato pero se diferencia en la interior el segmento inicial de la curva
Figura N° 07: isoterma tipo V
3.4.6. ISOTERMA TIPO VI: VI: este tipo particular de isoterma en forma de en forma de escalones deriva de la adsorción adsorción de agua del monocapa, monocapa, se presenta para adsorbentes con superficies muy uniforme y homogéneos
Figura N° 08: isoterma tipo VI
3.5. MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE ISOTERMAS 3.5.1. Método en estufa: Se lleva la capsula con el alimento a una estufa entre 102-105°C, de deja durante un tiempo. Se saca, se lleva al desecador desecador para enfriar, se vuelve a pesar y se lleva de nuevo a la estufa, hasta tener al menos tres pesos consecutivos iguales. Este método puede utilizarse en alimentos que contengan sustancias volátiles volátiles o alimentos que que se descompongan descompongan con el el calor (Sierra et al, 2007)
3.5.2 MODELO DE B.E.T. Martínez et al. (1998) señala que la teoría de brunaer, emmett emmett y teller (B.E.T) de 1938 constituye constituye el modelo básico de la fisisorcion. Este modelo es probablemente el más popular en la caracterización de sorcion de agua en alimentos. El modelo modelo de basa en las siguientes hipótesis: 1. La superficie del absorbente es uniforme y no porosa y no hay interacciones laterales entre las moléculas adsorbidas 2. Las moléculas del gas (o soluto) se absorbe sobre la superficie en capas sucesivas, completas o no, en equilibrio dinámico entre sí y con las moléculas del gas.
3. La velocidad de condensación sobre la primera capa es igual a la velocidad de evaporación de la segunda 4. Se asume la energía de interacción- absorbente adsorbato de todas las moléculas de la primera capa es idéntica y que la energía de interacción en las otras caos es igual ala que se da entre las moléculas dela compuesto puro en fase liquida (calor de condensación)
Fig. 9: Modelo de B.E.T
Se aplica a alimentos con baja aw (0 a 0.5) y se basa en la siguiente fórmula:
Donde: m = contenido de agua del alimento mm= valor de monocapa K = constante de energía de superficie HS= exceso de entalpía de sorción
4. MATERIALESY METODOS 4.1. Materiales Alimentos Cámaras con temperatura regulable Desecadores con soluciones saturadas Placa petri
4.1.1. SOLUCIONES SATURADAS
SOLUCIONES SATURADAS 1.ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE LITIO 3 ACETATO DE POTASIO 4CLORURO DE MAGNESIO 5BICROMATO DE SODIO NITRITO DE SODIO CLORUROP DE SODIO CROMATO DE POTASIO NITRATO DE POTASIO AGUA
25°C 0.0 11.0 23.0 33.0 50.0 64.0 75.0 87.0 93.0
HUMEDAD RELATIVA 75°C 0.0 11.0 20.4 32.0 50.3 62.4 75.1 84.0 93.0
100.0
100.0
4.2. PROCEDIMIENTO
5. CÁLCULOS Y REULTADOS TABLA N° 01 y 02: %HUMEDAD:
N° peso peso peso de palca(g) inicial(g) final(g) placa
%humedad promedio
%materia seca
%humedad en base seca
promedio
1.90562877
98.09437123
1.942648438
3.741090012
1
32.2447
42.572
42.3752
2
36.9225
47.4401
46.9502 4.657906747
95.34209325
4.885467256
3
50.666
60.9031
60.644
97.46900978
2.596712768
no. PLACA
PESO PLACA(g)
PESO PALCA + MUESTRA INICIAL(Pi)
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9
14.4337 14.4958 14.8383 14.8085 17.6733 38.2885 14.6473 37.9522 30.803 34.6572 14.9157 34.6648 14.4597 37.9417 14.4967 14.3954 14.804 38.4539
16.4683 16.6061 16.8579 16.817 19.6857 40.3501 16.7669 40.0645 32.8285 36.7525 16.9639 36.7736 16.641 39.9653 16.5017 16.5832 16.9148 40.8112
SOLUCION SATURADA
3.5944485
2.530990222
HR(%) T-25º
AW
ACIDO SULFURICO
0
0
CLORURO DE LITIO
11
0.11
ACETATO DE POTASIO
23
0.23
CLORURO DE MAGNESIO
33
0.33
BICARBONATO DE SODIO
50
0.5
NITRITO DE SODIO
64
0.64
CLORURO DE SODIO
75
0.75
CROMATO DE POTASIO
87
0.87
AGUA
100
1
PESO PLACA + MUESTRA FINAL
AGUA INICIAL
PROMEDIO
MATERIA SECA
16.4382 0.076116217 0.07753222 1.958483783 16.4981 0.078948223 2.031351777 16.753 0.075555054 0.075347423 1.944044946 16.8123 0.075139793 1.933360207 19.7031 0.075285695 0.076206004 1.937114305 40.2997 0.077126312 1.984473688 16.7917 0.079296144 0.079159594 2.040303856 40.079 0.079023044 2.033276956 32.8763 0.075775778 0.077081419 1.949724222 36.804 0.078387059 2.016912941 17.0217 0.076625006 0.077758556 1.971574994 36.8347 0.078892106 2.029907894 16.7683 0.081604396 0.078654547 2.099695604 40.0818 0.075704697 1.947895303 16.738 0.075008855 0.078428211 1.929991145 16.8453 0.081847567 2.105952433 17.5086 0.078966928 0.083577821 2.031833072 41.5447 0.088188715 2.269111285
AGUA ADSORBIDA (g)
-0.0301 -0.108 -0.1049 -0.0047 0.0174 -0.0504 0.0248 0.0145 0.0478 0.0515 0.0578 0.0611 0.1273 0.1165 0.2363 0.2621 0.5938 0.7335
Tabla N°o3: Determinación de la cobertura molecular
aw
M
y(ajustado)
x
Y
0 0.11 0.23 0.33 0.5
0.0043 0.0106 0.0304 0.0485 0.0639
A
0 11.65995336 9.825700615 10.15540852 15.64945227
B
3.7647 3.7647 3.7647 3.7647 3.7647 3.7647
A+B(aw)
24.331 24.331 24.331 24.331 24.331
0.07 0.06 0.05
Series1
0.04
Series2
0.03 0.02 0.01 0 0
0.2
0.4
0.6
GRAFICA N° 01: ISOTERMA DE B.E.T
3.7647 6.44111 9.36083 11.79393 15.9302
0 0.019188541 0.031909702 0.041761933 0.062773851
18 y = 24.331x + 3.7647 R² = 0.6669
16 14 12 10
Series1
8
Linear (Series1)
6 4 2 0 0
0.2
0.4
0.6
GRAFICA N° 02: ISOTERMA DE ABSORCION
3.7647
24.331
c
m'
7.463
0.036
El valor de la mono capa es 0.036. Este valor se encuentra en el rango de mono capa estimada para alimentos deshidratados, ya que se encuentra por debajo de 0.05 que es el valor máximo de monocapa para que el alimento permanezca en buen estado y no se deteriore rápidamente.
El agua de monocapa se encuentra en el límite de la zona 1 y 11 de la isoterma de adsorción, este contenido de agua representa la máxima cantidad de agua q se encuentra fuerte e íntimamente ligada al alimento y que además proporciona la máxima estabilidad a un producto seco, el valor de monocapa encontrada en la práctica fue de 0.036
aw
m
y(ajustado)
0 0.11 0.23 0.33 0.5 0.64 0.75 0.87 1
0.0043 0.0106 0.0304 0.0485 0.0639 0.0686 0.0991 0.1624 0.3475
a b -25.023
0 10.37735849 7.565789474 6.804123711 7.824726135 9.329446064 7.568113017 5.357142857 2.877697842
3.0441 5.4529317 7.3901133 8.4539253 9.11385 8.5713192 7.4569125 5.5505613 2.6721
c 24.651
3.0441
0.4 0.35 0.3 0.25
Series1
0.2
Series2
0.15 0.1 0.05 0 0
0.5
1
1.5
GRAFICA N° 03: ISOTERMA DE B.E.T
m(ajustado) aw/y ajustado 0 0.020172635 0.031122662 0.039035121 0.054861557 0.074667619 0.10057782 0.156740905 0.374237491
12 y = -25.023x2 + 24.651x + 3.0441 R² = 0.5392
10 8
Series1
6
Poly. (Series1) 4 2 0 0
0.5
1
1.5
GRAFICA N° 04: ISOTERMA DE ABSORCION
CONCLUSIONES:
Las isotermas de absorción absorción de humedad son usualmente descritas descritas por gráficos en en el que se representan la relación relación de equilibrio entre la actividad el agua de un alimento y a la humedad relativa del entorno entorno que lo rodea, a temperatura constante.
Cuando las isotermas de absorción y desorcion desorcion de humedad de un un mismo producto son diferentes, al fenómeno fenómeno de dichos procesos s ele ele llama histéresis desorcion
Por lo general la zona de de histéresis se da cuando cuando la actividad actividad de agua se presenta diferentes contenido d humedad durante la absorción y desorcion (Paquiza, D 20 08)
Mediante al practica podemos observar la verdadera importancia los isotermas de sorcion en los alimentos para así poder determinar la humedad. Mediante las graficas hechas en Excel pudimos verificar verificar y desarrollar por nosotros mismos las cobertura molecular
BIBLIOGRAFÍA
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