Planta Concentrado Congelado Maracuyá.pdf


         




  

     
 
  
 

 
  
  
 

    
         
 
  
  
 




 

   


 
 
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© Escuela Politécnica Nacional (2017) Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo, Esthela Del Cisne Flores Salazar, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La

Escuela

Politécnica

Nacional

puede

hacer

uso

de

los

derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

_____________________________ Esthela Del Cisne Flores Salazar

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Esthela Del Cisne Flores Salazar, bajo mi supervisión.

___________________________________ Ing. Neyda Espín, M.Sc. DIRECTORA DE PROYECTO

AGRADECIMIENTO A Dios, por su amor y soporte en cada momento de mi vida. A la ingeniera Neyda Espín por darme una excelente dirección, facilidades y por toda su ayuda en la realización del presente proyecto. De manera muy especial a María Augusta Páez, por su acertada guía, concejos y amistad a lo largo de este proyecto. Gracias infinitas por tu ayuda en todo momento y por compartir tu tiempo y conocimientos. Al personal del laboratorio de bioprocesos, especialmente a Gaby Hidrobo, gracias amiga por tu asistencia cuando la necesité y por estar pendiente en todo momento. A mis queridos Padres por su apoyo durante toda mi vida, este logro también es de ustedes, a mis hermanos y amigos Juan y Diana. A Nury y Oscar, gracias por el apoyo y la confianza. A Jamil, por los buenos y malos momentos, cada reto superado es una victoria de los tres.

DEDICATORIA

Para ti y por ti mi Isabella Valentina

ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA RESUMEN

i

1.

JUSTIFICACIÓN

1

1.1.

Análisis de la produccion de maracuyá

1

1.2.

Tecnología empleada en la producción de concentrado de maracuyá

3

1.3.

Mercado

5

1.4.

Tamaño y localización de la planta

5

2.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

8

2.1.

Definición del producto

8

2.2.

Materia prima

8

2.3.

Esquema del proceso

10

3.

CRITERIOS DE DISEÑO

17

3.1.

Propiedades termofísicas del jugo de maracuyá en las distintas etapas del proceso

17

3.2.

Recepción y clasificación

19

3.3.

Lavado y desinfección

20

3.4.

Despulpado

20

3.5.

Centrifugación

20

3.6.

Hidrólisis enzimática

20

3.7.

Microfiltración tangencial (MFT)

21

3.8.

Pasteurización

22

3.9.

Evaporación osmótica 3.9.1. Número de módulos y tiempo de residencia para evaporación

23 23

osmótica 3.9.2. Regeneración de la salmuera

24

3.10.

Envasado

25

3.11.

Congelación 3.11.1. Predicción del tiempo de congelación 3.11.2. Dimensionamiento de la cámara de congelación 3.11.3. Cálculo de cargas térmicas

25 25 28 30

3.12.

Almacenamiento

34

3.13.

Tanques pulmón

34

4.

DISEÑO DE PLANTA

36

4.1.

Balance de masa

36

4.2.

Dimensionamiento y especificaciones de los equipos propuestos 4.2.1. Módulo de Microfiltración Tangencial (MFT) 4.2.2. Módulo de Evaporación Osmótica (EO) 4.2.3. Tanques pulmón 4.2.4. Cámaras de congelación 4.2.5. Cálculo de cargas térmicas

36 37 38 39 39 41

4.3.

Planificación de la producción

41

4.4.

Balance de energía 4.4.1. Consumo de vapor en hidrólisis enzimática y microfiltración itangencial 4.4.2. Consumo de vapor en la regeneración de salmuera 4.4.3. Consumo de energía eléctrica

44 44

4.5.

Diagrama de bloques (BPD)

46

4.6.

Diagrama de flujo (PFD)

48

4.7.

Disposición en planta y planos de elevación

50

4.8.

Diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID)

56

5.

ESTUDIO DE PRE FACTIBILIDAD ECONÓMICA

59

5.1.

Inversión

59

5.2.

Ventas netas

60

44 45

5.3.

Costos y gastos

61

5.4.

Punto de equilibrio

61

5.5.

Indicadores financieros TIR Y VAN

62

6.

CONCLUSIONES

64

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

65

ANEXOS

70

ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla 1.1.

Ubicación de las empresas productoras de concentrado de maracuyá a nivel nacional

2

Tabla 1.2.

Superficie plantada y producción de maracuyá en Ecuador

3

Tabla 1.3.

Método de selección de la micro localización de la planta

6

Tabla 2.1.

Propiedades físicas del producto y subproducto de la planta

8

Tabla 2.2.

Propiedades físicas del maracuyá durante su recolección

9

Tabla 2.3.

Color del fruto en relación a la madurez

9

Tabla 2.4.

Composición del coctel enzimático

12

Tabla 3.1.

Características termo físicas del jugo y concentrado de maracuyá

17

Tabla 3.2.

Ecuaciones para el cálculo de densidades (kg/m3)

18

Tabla 3.3.

Ecuaciones para el cálculo de conductividad térmica (W/m∙K)

18

Tabla 3.4.

Dimensiones de las fundas de concentrado y pulpa

26

Tabla 3.5.

Dimensiones para el diseño de la cámara de congelación

29

Tabla 3.6.

Condiciones del producto a congelar

32

Tabla 4.1.

Resultados del balance de masa para la obtención de concentrado de maracuyá

36

Tabla 4.2.

Requerimiento de equipos para la obtención de concentrado de maracuyá

37

Tabla 4.3.

Dimensiones de los tanques pulmón

39

Tabla 4.4.

Dimensiones internas de la cámara de congelación

40

Tabla 4.5.

Resumen de las cargas térmicas en la congelación de pulpa y concentrado de maracuyá

41

Tabla 4.6.

Duración de cada operación unitaria en el proceso productivo por día

41

Tabla 4.7.

Consumo de vapor diario en la planta de concentrado de maracuyá

45

Tabla 4.8.

Consumo de energía eléctrica diario en la planta de concentrado de maracuyá

46

Tabla 4.9.

Nomenclatura utilizada en el diagrama de flujo del proceso (PFD)

48

Tabla 4.10.

Superficie ocupada por los diferentes procesos en la planta

50

Tabla 4.11.

Especificaciones principales de las bombas empleadas en el proceso

57

Tabla 5.1.

Inversiones para la instalación de la planta

59

Tabla 5.2.

Detalle de la inversión fija

59

Tabla 5.3.

Costo de maquinaria y equipos

60

Tabla 5.4.

Detalle del capital de operación

60

Tabla 5.5.

Ventas netas anuales

60

Tabla 5.6.

Costos y gastos anuales

61

Tabla 5.7.

Parámetros para calcular el punto de equilibrio

61

ÍNDICE DE FIGURAS PÁGINA

Figura 1.1.

Superficie plantada de maracuyá por provincia

2

Figura 1.2.

Ubicación geográfica de la planta en la provincia de Santa Elena

6

Figura 2.1.

Grados de madurez de maracuyá

9

Figura 2.2.

Esquema del proceso de obtención de concentrado de maracuyá

11

Figura 2.3.

Sistema de funcionamiento de la MFT

14

Figura 2.4.

Esquema de funcionamiento de la evaporación osmótica

15

Figura 3.1.

Procedimiento de escalado simple para establecer el número de membranas por módulo de MFT

22

Figura 3.2.

Procedimiento de escalado simple para establecer el número de membranas por módulo de EO

24

Figura 3.3.

Gaveta empleada para producto terminado

28

Figura 3.4.

Base con ruedas

29

Figura 4.1.

Dimensiones (mm) de la cámara de congelación y distribución de las gavetas

40

Figura 4.2.

Diagrama de Gantt para la obtención de concentrado de maracuyá

43

Figura 4.3.

Diagrama de bloques (BPD) para la producción de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica

47

Figura 4.4.

Diagrama de flujo (PFD) para la producción de concentrado de maracuyá

49

Figura 4.5.

Layout con flujos de la planta procesadora de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica

52

Figura 4.6.

Layout de la planta procesadora de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica con cortes

53

Figura 4.7.

Plano de elevación de la planta procesadora de concentrado de maracuyá primera parte

54

Figura 4.8.

Plano de elevación de la planta procesadora de concentrado de maracuyá segunda parte

55

Figura 4.9.

Nomenclatura para las tuberías en el diagrama P&ID

56

Figura 4.10.

Diagrama de tuberías para la obtención de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica

58

Figura 5.1.

Punto de equilibrio del proyecto

62

ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO I Norma técnica ecuatoriana NTE INEN 1971:2012 ANEXO II Resumen de cálculos de la conductividad térmica y densidad de la pulpa y el concentrado de maracuyá

71

76

ANEXO III Ejemplo de cálculo para de número de módulos y tiempo de residencia en MFT

77

ANEXO IV Ejemplo de cálculo para de número de módulos y tiempo de residencia en EO

78

ANEXO V Predicción del tiempo de congelación del concentrado y retenido de maracuyá

79

ANEXO VI Catálogo técnico Taver® para cámaras de refrigeración

81

ANEXO VII Propiedades del aire seco a presión atmosférica

82

ANEXO VIII Cartas psicrométricas

83

ANEXO IX Balance de masa

85

ANEXO X Hojas de especificación de los equipos principales para el procesamiento de concentrado de maracuyá

92

ANEXO XI Calculo de diseño de tanques pulmón

105

ANEXO XII Tablas de vapor saturado

107

ANEXO XIII Cálculos de balance de energía

108

ANEXO XIV Cálculos para determinar la potencia de las bombas

109

ANEXO XV Flujo de caja del proyecto

111

I

RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo el diseño de una planta para la elaboración de concentrado de maracuyá mediante evaporación osmótica con una capacidad de procesamiento de 5,5 toneladas de maracuyá fresca por día. La planta estará localizada en la Provincia de Santa Elena y producirá concentrado de maracuyá congelada en envases de 250 g y pulpa de maracuyá congelada en una presentación de 500 g. El proceso de obtención del concentrado incluye como operaciones principales la microfiltración tangencial y la evaporación osmótica. Como subproducto de la microfiltración tangencial se obtiene pulpa de maracuyá. Los criterios de diseño considerados incluyeron porcentaje de pérdidas durante la clasificación, concentración de cloro y consumo de agua para lavado de fruta, porcentajes de corteza, semilla y almidones para el despulpado y la centrifugación, concentración de cóctel enzimático y temperatura para la hidrólisis enzimática, velocidad de flujo de permeado y el factor de retención volumétrica para la microfiltración tangencial y de manera análoga velocidad de flujo de agua evaporada en la evaporación osmótica. Los datos fueron tomados de los trabajos realizados por Villarreal (1999), Vasco (2000) hasta microfiltración tangencial de pulpa de maracuyá, para el procesamiento de evaporación osmótica se tomaron en cuenta los datos proporcionados por Vaillant et. al. (2001), dichos trabajos fueron realizados a escala piloto.

El rendimiento de concentrado de maracuyá es de 5,07 % de acuerdo al balance de masa, sin embargo como un sub producto del proceso se puede obtener un 11,07 % de pulpa de maracuyá que sale como retenido del proceso de microfiltración que puede ser comercializado después de pasteurizarlo. De acuerdo al balance de energía realizado, el mayor consumo energético se produce durante la congelación y almacenamiento del producto terminado.

La planta trabajará 5 días a la semana durante 24 horas en 3 turnos, y diariamente producirá dos lotes a partir del proceso de despulpado.

Finalmente, se realizó el análisis de factibilidad económica con la información obtenida a lo largo del diseño para un periodo de 10 años, el cual indica una tasa interna de retorno (TIR) de 9 % y un valor actual neto (VAN) de 122 501,75 USD.

1

1. JUSTIFICACIÓN La tendencia hacia el consumo de jugos de frutas se ha incrementado debido a que se consideran fuente de vitaminas, antioxidantes entre otros compuestos que son beneficiosos para la salud. Así mismo, el mercado de alimentos y bebidas, a nivel mundial, se ha visto dinamizado por una tendencia hacia el consumo de productos saludables, de agradable sabor y aroma y que no contengan aditivos artificiales. En el caso de la industria de jugos y bebidas naturales, el ingrediente principal de la producción constituyen los concentrados de fruta (Jácome y Gualavisí, 2011, p. 7). La concentración de jugos de frutas consiste en la remoción de agua de su contenido para facilitar el almacenamiento y transporte además de alargar la vida útil del producto. Este proceso se realiza procurando mantener las características organolépticas y nutritivas del producto inicial (Jiao et. al. 2003, p. 304).

1.1. ANÁLISIS DE LA PRODUCCION DE MARACUYÁ El maracuyá (Passiflora edulis) es una fruta tropical que se consume en una amplia diversidad de preparaciones, tales como: jugos, batidos, postres y helados. Debido a sus características organolépticas, se utiliza en mayor proporción en la industria que para consumo directo (Ayala y Cevallos, 2013, p. 3). El maracuyá está categorizado como una de las materias primas más importantes para las procesadoras de jugos y conservas después del banano y la piña (Jácome y Gualavisí, 2011, p. 9) La producción de concentrados de frutas en el Ecuador ocupa un 55,4 % en la industria de jugos y conservas. De este porcentaje, el concentrado de maracuyá se destaca con un 40 % de participación en este segmento de mercado (Jácome y Gualavisí, 2011, p. 11). Se estima que la demanda del maracuyá en el mundo alcanza las 45 000 y 50 000 toneladas de jugo simple, los países que tienen el 90 % del mercado son Ecuador, Colombia, Brasil y Perú. De las exportaciones de jugo y concentrado en

2

el Ecuador, el concentrado alcanza el 88 % de estos dos rubros, convirtiendo a ese sector agrícola en uno de los más importantes en el país (Ayala y Cevallos, 2013, p. 16). De acuerdo a las cifras mencionadas en el segundo concejo consultivo del maracuyá (2016) en el año 2015 se exportaron 221 toneladas de fruta congelada o cocida entre las que se encuentra el concentrado. Las principales empresas productoras se detallan en la Tabla 1.1. Una encuesta realizada a las empresas mencionadas indica que el 95 % de la producción se destina al mercado internacional, mientras que el restante 5 % es consumido localmente (González y Álvarez, 2009, p. 97).

Tabla 1.1. Ubicación de las empresas productoras de concentrado de maracuyá a nivel nacional Empresa

Ubicación

ECUAPLANTATION

Guayaquil

AGPASA

Guayaquil

EXOFRUT

Guayaquil

FRUTA DE LA PASION

Guayaquil

QUICORNAC S.A.

Vinces

TROPIFRUTAS

Quevedo

(González y Álvarez, 2009, p.30)

Para abastecer diferentes mercados, el Ecuador cuenta con un total de 12 554 hectáreas plantadas con maracuyá que se distribuyen en varias provincias, como se observa en la Figura 1.1, destacándose Santo Domingo, Esmeraldas y Manabí como las de mayor producción. 9,38 CHIMBORAZO 9,88 CAÑAR 217,1 PICHINCHA 258,82 LOJA 339,59 EL ORO 424,09 SANTA ELENA GUAYAS LOS RÍOS SANTO DOMINGO DE LOS… ESMERALDAS MANABÍ 0

1000

1364,6 1519,87 2120,81 2881,33 3408,67 2000

3000

4000

Hectáreas

Figura 1.1. Superficie plantada de maracuyá por provincia (INEC, 2015)

3

En la Tabla 1.2 se presentan los datos de producción de maracuyá a nivel nacional, reportados por el Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuacultura y Pesca a través del Sistema de Información Nacional (reportes dinámicos ESPAC).

Tabla 1.2. Superficie plantada y producción de maracuyá en Ecuador

AÑO 2011 2012 2013 2014 2015

SUPERFICIE PLANTADA (ha) 8316 3696 3173 11464 9464

Producción (t/año) 43223 10473 6370 40801 43378

(INEC-ESPAC, 2017)

Se observa que la producción de maracuyá tuvo un descenso importante en los años 2012 y 2013, según la Federación de Productores de Maracuyá de Manabí (Feproma) debido a la disminución de los precios de la fruta (Revista Líderes, 2015); sin embargo a partir del año 2014 incrementa notablemente debido a los incentivos dados tanto por los entidades gubernamentales como por ejemplo el Ministerio de Comercio Exterior a través de ProEcuador: Instituto de Promoción de Exportaciones e Inversiones.

1.2. TECNOLOGÍA

EMPLEADA

EN

LA

PRODUCCIÓN

DE

CONCENTRADO DE MARACUYÁ En Ecuador las empresas procesadoras de concentrado de maracuyá emplean tecnologías basadas en la aplicación de calor mediante vapor, sometiendo el jugo o pulpa a temperaturas entre 55 – 60 °C con el fin de obtener un producto con 50 °Brix. La aplicación de calor se da en varias etapas del procesamiento que incluyen tratamientos enzimáticos, pasteurización y la evaporación del agua, en estas dos últimas etapas los tratamientos térmicos tienen un mayor tiempo de exposición a temperaturas elevadas (Alvarado, 2001, pp. 24-30).

4

Si bien el producto final obtenido por evaporación térmica cumple con la función de brindar sabor a una bebida al ser reconstituido, se ha evidenciado que el uso de temperaturas superiores a 34 °C tiene como efecto la pérdida de sustancias nutritivas como vitamina C además de compuestos volátiles responsables del aroma y sabor (Villarreal, 1999, p. 106). La evaporación térmica es un proceso que tarda entre 12 a 36 horas, lo que demanda un alto consumo energético y el consecuente incremento de los costos de producción (Ávila y Bullón, 2013, p. 67). Debido a la pérdida de compuestos y aromas en la evaporación térmica, en la última década se ha incursionado en la evaporación osmótica que, mediante un diferencial de presión de vapor generado por una solución fuertemente concentrada, permite la transferencia de agua solo en forma de vapor a través de una membrana microporosa de naturaleza hidrófoba (Forero y Vélez, 2013, pp. 90-91). La evaporación osmótica se ha empleado ampliamente en la concentración de leche, vegetales, café instantáneo y té. No obstante, la implementación en la concentración de jugos de frutas es relativamente nueva y poco explorada (Jiao et al., 2004). Sheng et al. (1991) analizaron el efecto de las condiciones de operación – tasa de flujo de jugo, concentración de jugo y temperatura – en la evaporación osmótica para concentración de jugos de manzana, naranja y uva; encontraron que a temperatura ambiental se logran las condiciones óptimas de operación. Vaillant et al. (2001) evaluaron las condiciones de operación adecuadas para la obtención de concentrado de maracuyá adaptando evaporación osmótica con microfiltración tangencial para alcanzar un contenido de sólidos solubles de 60 g/100 g en el concentrado, además de un contenido importante de vitamina C ya que con evaporación osmótica la pérdida de vitamina C alcanza apenas el 1,5 % mientras que por vía térmica la pérdida llega al 80 %. Entre las ventajas de esta tecnología se pueden mencionar que es un proceso simple, de un costo energético menor comparado con la evaporación térmica, trabaja con condiciones moderadas de temperatura y presión, permite la conservación de aromas y sustancias nutritivas además de la versatilidad de

5

trabajar con varios productos en el mismo módulo. De esta forma, la evaporación osmótica se convierte en una alternativa tecnología útil y eficiente que permite mejorar la calidad del producto final sin el uso de aditivos (Ávila y Bullón, 2013, pp. 68-71; Jiao et al., 2004, p. 310-311).

1.3. MERCADO De acuerdo al proyecto desarrollado por Pita (2013), existe un mercado insatisfecho de concentrado de maracuyá de nueve toneladas en la zona urbana de la provincia de Santa Elena. Por otro lado, el mercado de concentrado de maracuyá se extiende internacionalmente.

De acuerdo a datos proporcionados por la Secretaría

Nacional de Aduanas en el año 2016 las exportaciones de esta fruta y sus productos superan los 41 millones de dólares con una constante demanda especialmente por países Europeos.

1.4. TAMAÑO Y LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA La determinación del tamaño de la planta y su localización se basó en el trabajo realizado por Pita (2013). Se consideró una superficie de cultivo de maracuyá de 100 hectáreas, en Santa Elena (Pita 2013, pp. 64). En Colombia el rendimiento de maracuyá se encuentra entre las 17 y 20 t/ha, por año (Miranda, et. al. 2009, pg. 309). Sin embargo el rendimiento reportado por Pita (2013) es de 14 t/ha, dato que se toma en cuenta para el cálculo de la capacidad de procesamiento de la planta. Finalmente, se consideró que la planta procesadora operará 22 días por mes. Con estas consideraciones, se estima una capacidad de procesamiento aproximada de 5,5 toneladas de maracuyá diarias según la relación 1.1.: 100 Ha*

14 ton 1 año 1 mes ton maracuyá * * ≅ 5,5 día 1 Ha ∙ año 12 meses 22 días

[ 1.1]

6

En cuanto a la localización, la planta de concentrado de maracuyá se situará en la provincia de Santa Elena (Figura 1.2), ubicada en la región costa del Ecuador. Después de la selección por un método cualitativo por puntos Pita, (2013) establece como micro-localización de la planta el Recinto Cerezal de Bellavista por tener la mayor ponderación. Entre los factores tomados en cuenta se encuentran: disponibilidad de materia prima, cercanía del mercado, medios y costes de transporte, disponibilidad de mano de obra y disponibilidad de suministros eléctricos y de agua potable como se muestra en la Tabla 1.3. Además en esta zona cuentan con aproximadamente 200 hectáreas de cultivos de maracuyá, donde se puede hacer convenios con los productores a fin de garantizar la disponibilidad de la materia prima durante todo el año (Pita, 2013, p. 64).

Figura 1.2. Ubicación geográfica de la planta en la provincia de Santa Elena

Tabla 1.3. Método de selección de la micro localización de la planta Comuna Recinto Las Manantial de Balsas Guangala CALIF. POND. CALIF. POND. CALIF. POND. Recinto Cerezal Bellavista

FACTOR Materia prima disponible (Calidad/Precio) Cercanía mercado Medios y costes de transporte

PESO 45

8

3,6

5

2,25

7

3,15

20

9

1,8

8

1,6

8

1,6

15

7

1,05

5

0,75

5

0,75

7

Tabla 1.3. Método de selección de la micro localización de la planta (continuación…) Comuna Recinto Las Manantial de Balsas Guangala CALIF. POND. CALIF. POND. CALIF. POND. 9 0,45 4 0,2 6 0,3 Recinto Cerezal Bellavista

FACTOR Clima Disponibilidad y costo de M.O Disponibilidad de agua, energía y otros suministros Totales (Pita, 2013, p. 68.)

PESO 5 10

9

0,9

4

0,4

6

0,6

5

7

0,35

3

0,15

4

0,2

100

8,15

5,35

6,6

8

2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

2.1. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO El producto final es un concentrado congelado de maracuyá sin aditivos alimenticios envasado en bolsas flexibles de polietileno de 250 gramos. Durante el procesamiento, también se obtiene como subproducto pulpa congelada de maracuyá proveniente de la microfiltración y comercializada en bolsas flexibles de polietileno de 500 g. Las propiedades físicas referentes a grados Brix, densidad y viscosidad tanto del concentrado como de la pulpa se detallan en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Propiedades físicas del producto y subproducto de la planta Propiedad Física

Pulpa de maracuyá

Concentrado de maracuyá

Grados Brix

16

60

Densidad (kg/cm )

1 049

1 300

Viscosidad dinámica (cP)

3,38

15,0

3

(Vaillant et. al., 2001, p. 201; Villarreal, 1999, p. 95)

2.2. MATERIA PRIMA El fruto de maracuyá es una baya de forma ovoide con un diámetro de 4 – 8 cm y de 6 – 8 cm de largo, la base y el ápice son redondeados, la corteza es de color amarillo y consistencia dura. El pericarpio es grueso, contiene de 200 – 300 semillas, la misma que está rodeada de una membrana mucilaginosa en donde se encuentra el jugo que por su naturaleza es aromático (García, 2006, p. 55). Los valores promedio de las propiedades físicas de la fruta durante su recolección se reportan en la Tabla 2.2. La norma técnica ecuatoriana NTE INEN 1971:2012 (Anexo I) para el maracuyá que se destina para el consumo fresco y para procesamiento industrial muestra los defectos tolerables y no tolerables del maracuyá. Se ha tomado un 5 % de rechazo del maracuyá al momento de la clasificación (Vasco, 2000, p. 94).

9

Tabla 2.2. Propiedades físicas del maracuyá durante su recolección Propiedad

Promedio ± sd

Diámetro (cm)

6,51 ± 0,479

Grados Brix

13,864 ± 1,535

Humedad (%)

74,62 ± 0,1185

Longitud (cm)

7,544 ± 0,706

Peso (g)

140,69 ± 35,890

(Ortega, 2015, p. 51)

La Figura 2.1 junto con la Tabla 2.3, explican los diferentes grados de madurez que presenta el maracuyá. De acuerdo a este criterio, la fruta para consumir en fresco está entre la coloración 4 y 5 mientras que para industrialización la coloración 3, 4 y 5 son las adecuadas. Se ha verificado que el grado de madurez está directamente relacionado con los grados Brix en la fruta (Romero y González, 2012, p. 26).

Figura 2.1. Grados de madurez de maracuyá (Romero y González, 2012, p. 26)

Tabla 2.3. Color del fruto en relación a la madurez Color del fruto 0 1 2 3 4

Características Fruto de color verde oscuro bien desarrollado El color verde pierde intensidad y aparecen leves tonalidades amarillas Aumenta el color amarillo en la zona central del fruto y permanece el color verde en las zonas cercanas al pedúnculo y a la base El color amarillo se hace más intenso, y se mantiene el verde en las zonas más cercanas al pedúnculo y a la base El color amarillo ocupa casi toda la superficie del fruto, excepto en pequeñas áreas verdes cercanas al pedúnculo y a la base

5

El fruto es totalmente amarillo

6

El fruto presenta una coloración amarilla intensa ("sobre madurez")

(Romero y González, 2012, p.26)

10

2.3. ESQUEMA DEL PROCESO En formal general, el procesamiento de concentrado congelado de maracuyá a partir de 5,5 toneladas de fruta fresca diaria inicia con la recepción, clasificación, lavado y desinfección de la fruta para posteriormente realizar el despulpado. Una vez obtenida la pulpa sin semillas se procede a la centrifugación que permitirá acondicionar el producto para el proceso de microfiltración. El jugo clarificado resultante de la microfiltración ingresa a la evaporación osmótica a fin de obtener un concentrado de maracuyá con 60 °Brix, que posteriormente es envasado en fundas de polietileno para finalmente ser almacenado en congelación a -20 °C hasta su distribución. Es importante mencionar que para la obtención de concentrado de maracuyá no se contemplan procesos de pasteurización ya que el uso de microfiltración tangencial garantiza la ausencia de microorganismos en el clarificado debido al reducido diámetro de poro que presentan las membranas. Como subproducto del proceso de microfiltración, se obtiene la pulpa de maracuyá que representa el retenido del proceso. La pulpa es pasteurizada a través de un pasteurizados tubular y posteriormente empacada en fundas de polietileno y finalmente almacenada en congelación a -20 °C hasta su distribución. La Figura 2.2 presenta el esquema del proceso empleado en este trabajo.

11

Maracuyá fruta

RECEPCIÓN

Agua clorada 50 ppm

CLASIFICACIÓN

Fruta no apta

LAVADO Y DESINFECCIÓN

Agua clorada 50 ppm mas impurezas

Maracuyá lavada Cáscaras, semillas

DESPULPADO

Pulpa de maracuyá CENTRIFUGACIÓN

Almidones

Pulpa centrifugada de maracuyá Coctel enzimático 1000 ppm

HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA Pulpa hidrolizada de maracuyá

MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL Clarificado de maracuyá

Retenido/Pulpa

Salmuera regenerada Agua evaporada

REGENERACIÓN DE SALMUERA

EVAPORACIÓN OSMÓTICA

PASTEURIZACIÓN

Salmuera hidratada Concentrado de maracuyá Retenido/Pulpa pasteurizada ENVASADO

CONGELACIÓN

ALMACENAMIENTO

Concentrado envasado Retenido/Pulpa de maracuyá envasada de maracuyá

Figura 2.2. Esquema del proceso de obtención de concentrado de maracuyá

a) RECEPCIÓN Y CLASIFICACIÓN En esta etapa se realiza la cuantificación de la materia prima que entra al proceso y se clasifica la misma con base en el control de las características físicas y organolépticas deseadas.

12

b) LAVADO Y DESINFECCIÓN Remueve las impurezas superficiales adheridas a la fruta.

c) DESPULPADO Permite separar la pulpa o parte comestible de la fruta, de las cáscaras, semillas y otros residuos, hasta obtener un producto líquido para continuar con el procesamiento (Díaz, 2015, p. 11).

d) CENTRIFUGACIÓN Elimina los almidones presentes en la pulpa para evitar un taponamiento de las membranas de microfiltración posteriores (Vasco, 2001, p. 40).

e) HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA La pulpa centrifugada es sometida a un pre tratamiento que tiene la finalidad de disminuir la colmatación o taponamiento de poros en la membrana, e incrementar el flujo de permeado durante la microfiltración (VillaRreal, 1999, p. 21). Este taponamiento se produce porque el retenido de jugo de maracuyá está compuesto por pectina (34,6 %), sacarosa (21,6 %), glucosa (20,4 %), fructosa (10,8 %), ácido cítrico (1,2 %), celulosa (3,5 %) y hemicelulosa (1,5 %) (Huang y Ran, 1987). VillaRreal (1999) y Vasco (2000) consideraron el uso de un coctel enzimático que ayude a degradar los compuestos que provocan un mayor taponamiento de los poros de la membrana, encontraron que el coctel enzimático Pomaliq 2F® dio los mejores resultados. Para este estudio se consideró el mismo coctel enzimático, cuya composición se muestra en la Tabla 2.4. Tabla 2.4. Composición del coctel enzimático

Proteína

Actividad (µmol/mg∙min) 78,9 mg/mL

Pectinliasa (PL)

0,60

Enzima

13

Tabla 2.4. Composición del coctel enzimático (continuación…)

Exocelulasa (CI)

Actividad (µmol/mg∙min) 0,33

Pectinesterasa (PE)

5,91

Exoarabinosidas (EXO)

0,03

Enzima

f) MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL Es una técnica de separación donde la pulpa centrifugada atraviesa una membrana de forma tangencial, en el interior y por la acción de la presión transmembranaria las partículas más grandes no pasan a través de la membrana formándose un retenido. Esta técnica se emplea para clasificar o purificar una solución, donde el diámetro de partícula se encuentra en un rango de 0,1 y 10 µm (Vasco, 2000, p. 12) El principio de funcionamiento se muestra en la Figura 2.3.

El mecanismo de separación consiste en permitir el paso del líquido a través de una membrana semipermeable, las partículas de tamaño mayor al poro se retendrán, dividiendo de esta forma a la corriente en retenido y permeado. El paso de la solución se da debido a una diferencia de presión entre las dos fases. El material que atraviesa la membrana constituye el jugo de maracuyá clarificado o permeado mientras que el retenido es el sub-producto es considerado como pulpa la cual tiene una alta concentración de sólidos (Vaillant, 2016, p. 15).

14

Figura 2.3. Sistema de funcionamiento de la MFT (Vaillant, 2016, p. 20.)

Entre las ventajas de la microfiltración se pueden mencionar: ·

Retiene microorganismos (bacterias, esporas, etc.), consiguiendo una esterilización sin el uso de calor.

·

·

Mantiene atributos de calidad como aromas y compuestos nutricionales.

·

Condiciones de operación (temperatura y presión) moderadas.

·

Fácil limpieza y mantenimiento.

Pre tratamiento para otros procesos.

g) PASTEURIZACIÓN La pasteurización se aplica a la pulpa o retenido del proceso de microfiltración tangencial, ya que este subproducto tiene una alta carga microbiológica. Debido a que el pH de la pulpa de maracuyá es menor a 4,5; el proceso de pasteurización requerido tiene como objetivo eliminar células viables de microorganismos patógenos, este proceso es de baja intensidad calórica con temperaturas menores a los 100 ºC (Casp y Abril, 2003, p. 163.).

15

h) EVAPORACIÓN OSMÓTICA Es una técnica que consiste en el uso de membranas hidrófobas, donde mediante un diferencial de presión parcial, producido por una solución de extracción fuertemente concentrada (salmuera CaCl2 5,3 M) y por el jugo clarificado, se transfiere agua solo en forma de vapor a través de la membrana obteniéndose el concentrado de maracuyá (Forero, 2011, p. 90).

La diferencia de actividad de agua entre las dos soluciones (jugo-salmuera) genera un diferencial de presiones de vapor, facilitando el transporte del agua a través de los poros en forma de vapor (Forero y Velez, 2013).

La evaporación osmótica se lleva a cabo acondiciones de baja temperatura, por ello algunas de sus ventajas son: ·

Mantener las características del producto que se procesa.

·

Es un proceso simple que no implica de altos costos energéticos.

El esquema del funcionamiento de la evaporación osmótica a escala piloto se observa en la Figura 2.4.

Una sub etapa importante de este proceso es la regeneración de la salmuera.

Figura 2.4. Esquema de funcionamiento de la evaporación osmótica (Vaillant, et. al., 2000, p. 197.)

16

Durante el proceso de evaporación osmótica la salmuera ingresa a una concentración alta con la finalidad de captar el agua que se encuentra en el jugo, por ello al salir del sistema de evaporación osmótica sale como salmuera diluida o hidratada. Esta salmuera debe alcanzar su concentración inicial a fin de re ingresar al sistema, por ello es necesario evaporar térmicamente el agua que ha sido captada para que esta recircule por el sistema una y otra vez. Este proceso de regeneración de la salmuera se realiza en un evaporador de película descendente.

i) ENVASADO El concentrado y la pulpa de maracuyá se envasa en fundas de polietileno de baja densidad LDPE (Santacruz y Suarez, 2007, p. 29).

j) CONGELACIÓN La pulpa y el concentrado son almacenados en cámaras a de congelación a -35 ºC en donde se da dicho proceso de una manera relativamente rápida, ya que el producto es dispuesto en gavetas separadas de tal manera que circule el aire frío entre cada gaveta y cada funda de producto. Una vez congelado, se apila en gavetas de mayor capacidad. Esta operación permite aumentar el tiempo de vida útil del producto terminado (Sharma et al., 2003, p. 130).

k) ALMACENAMIENTO Una vez congelado el producto, pasa a cámaras de almacenamiento a -20 °C a fin de mantener el producto hasta su despacho.

17

3. CRITERIOS DE DISEÑO Los criterios de diseño considerados en este trabajo incluyen las propiedades termofísicas del jugo de maracuyá, las mismas que se presentan inicialmente. Posteriormente se describen los criterios empleados para cada una de las etapas.

3.1. PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DEL JUGO DE MARACUYÁ EN LAS DISTINTAS ETAPAS DEL PROCESO Durante las distintas etapas del proceso se utilizaron las propiedades termo físicas del jugo de maracuyá que se presentan en la Tabla 3.1, ciertas características fueron tomadas de bibliografía y otras fueron calculadas a partir de fórmulas empíricas o modelos reportados bibliográficamente. Tabla 3.1. Características termo físicas del jugo y concentrado de maracuyá Característica

Jugo despulpado

Concentrado

Densidad (kg/m3)

1 049,00a

1 300,00b

Grados Brix

15,90a

60,00b

Densidad al congelar ρf (kg/m3)c

990,17c

1 225,74c

Cu (antes de congelar) (J/kg∙K)c

3 652,67

2 176,20

1 893,29

1 339,40

2,03

1,28

0,05

0,06

Cf (bajo la congelación) (J/kg∙K)

c

Conductividad térmica k (W/m∙°C) Número de Biot

NBic

c

a (Villarreal, 1999, p. 95) b (Vaillant, 2001, p. 201) c Calculadas a partir de fórmulas o modelos empíricos

Para el cálculo de la densidad del alimento congelado se considera la ecuación sugerida por Ibarz y Barbosa-Cánovas (2005) (p. 552): 1 X%&'% X(ó)-./( X3-6)/ = + + ρ$ ρ%&'% ρ(ó)-./( ρ3-6)/

[ 3.1]

Donde: X%&'% :

Fracción de agua no congelada, se tomó como referencia que el jugo de naranja a -20 °C presenta un 8 % de agua no congelada (Orrego, 2003, p. 77)

18 X(ó)-./( :

Fracción de sólidos, se toma en cuenta los grados Brix ya sea del

ρ(ó)-./(:

Se calcula de acuerdo a la ecuación de los carbohidratos de la

ρ3-6)/ :

concentrado o de la pulpa

Tabla 3.2 Se calcula de acuerdo a la ecuación de la Tabla 3.2 para el hielo

Para lo cual se realiza el cálculo mediante las ecuaciones de la Tabla 3.2 y 3.3 para la conductividad térmica y densidad de los materiales: Tabla 3.2. Ecuaciones para el cálculo de densidades (kg/m3) Material Agua Hielo

Ecuación ρ = 997,18 + 0,0031439T − 0,0037574T > ρ = 916,89 − 0,13071T ρ = 1559,1 − 0,31046T

Carbohidratos (Orrego, 2003) Entre -40 y 150 °C

Tabla 3.3. Ecuaciones para el cálculo de conductividad térmica (W/m∙K) Material Agua Hielo Carbohidratos (Choi y Oikos, 1986) Entre -40 y 50 °C

Ecuación k = 0,571 + 1,76x10@A T − 6,7x10@B T >

k = 2,2196 − 6,25x10@A T + 1,02x10@C T > k = 0,201 + 1,39x10@A T − 4,33x10@B T >

Berk (2013), calcula la capacidad calorífica (kJ/kg∙°C) para temperaturas sobre congelación mediante la ecuación [3.3] y para temperaturas por debajo de la congelación con la ecuación [3.4]: c' = 0,837 + 3,348X%&'% c$ = 0,837 + 1,256X%&'%

[ 3.2] [ 3.3]

La conductividad térmica k se calcula mediante: k = D V- k Donde: Vi: Fracción volumétrica

[ 3.4]

19 XE%F6G-%) ρE%F6G-%) V- = X ∑ E%F6G-%)6( ρE%F6G-%)6(

[ 3.5]

X: fracción másica Las densidades se calculan con las ecuaciones de la Tabla 3.2, el cuadro de resumen de cálculos se presenta en el Anexo II. El número de Biot se calcula mediante la ecuación [3.6]: NJ- =

hdK k

[ 3.6]

Donde:

dK : Dimensión característica (m)

h: Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m 2∙K) se considera un valor de 10 para cámara con débil corriente de aire (Casp y Abril, 2003, p. 302) k:

Conductividad térmica del producto congelado (W/m∙K):

3.2. RECEPCIÓN Y CLASIFICACIÓN Una vez pesada la materia prima, mediante la clasificación se descarta el producto que se considera no tolerable para el procesamiento, pese a establecer parámetros de recepción con el productor durante el transporte, la fruta puede sufrir golpes que afecten la calidad. Además, se categoriza como fruta no apta aquella con coloración verde que no se encuentra en su estado de madurez adecuado (grados 1 y 2) ya que influye en el contenido de los grados Brix de la pulpa a procesar. Se tomó en cuenta un 5 % en pérdidas de materia prima no apta para el procesamiento (Vasco, 2000) y un peso promedio de 140,69 g por cada fruta recolectada (Ortega, 2015). Para la determinación de los tiempos de clasificación, se consideró que a lo largo de la banda transportadora están 4 personas clasificando la fruta a razón de un

20

segundo por persona por fruta, de tal manera que el tiempo de esta etapa se obtuvo de la siguiente expresión: 1s 1h 5 500 kg fruta 1 000 g 1 maracuyá x x x x 1 kg 140,69 g 4 maracuyá 3 600 s día = 2,72

horas en clasificar día

[ 3.7]

3.3. LAVADO Y DESINFECCIÓN El lavado se realiza con inyección de agua clorada con una concentración de 50 mg/kg, donde las frutas deberán permanecer en movimiento para facilitar la remoción de contaminantes (Díaz, 2015, p. 10). De acuerdo con la guía de buenas prácticas para el sector alimentos del departamento técnico administrativo de medio ambiente de Bogotá, (2004), la cantidad de agua empleada durante el lavado en la industria de conservas de frutas es de 2,5 L/kg de fruta (p. 48). Este dato se utilizó para determinar el consumo de agua en esta etapa del proceso.

3.4. DESPULPADO Se consideró que el porcentaje de cáscaras y semillas que se separan de la pulpa es de 64 % de acuerdo a lo reportado por Vasco (2000).

3.5. CENTRIFUGACIÓN Este proceso que separa los almidones de la pulpa se lleva a cabo en un decantador centrífugo a 6 000 rpm. El porcentaje de almidones se definió en 3 % de acuerdo a lo reportado por Vasco (2000).

3.6. HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA Para la hidrólisis enzimática se consideró una temperatura de operación de 32,5 °C por 1 hora y una concentración de 1 000 ppm de coctel enzimático, equivalente a 1 mL de coctel enzimático por kg de jugo (Vasco, 2000 y Villarreal, 1999).

21

Debido a que la planta está ubicada en la provincia de Santa Elena se consideró una temperatura ambiente promedio de 24,1 °C (Climate Data, 2017).

3.7. MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL (MFT) Para definir esta operación se aplicó un procedimiento de escalado simple a partir de datos a escala piloto obtenidos por Vasco, (2000) y Villarreal, (1999); esto consiste en estimar el tiempo de residencia del producto en el equipo de microfiltración tangencial en función del número de módulos a emplear a fin de obtener un jugo clarificado. Para ello se tomó en cuenta: ·

El factor de retención volumétrica (FRV): 3 (Vasco, 2000, p. 104) que corresponde a una relación de permeado 66,65 % y retenido 33,35 % del total de producto ingresado a la microfiltración tangencial (Vasco, 2000, p. 104)

·

Flux de permeado: 12 L/h·m2 obtenido por extrapolación de los datos tomados de Villarreal (1999) para un FRV de 3.

·

un área efectiva de 5,07 m2, que es proporcionado por el fabricante de los módulos.

·

Temperatura de operación: 34 °C

Como datos adicionales para el diseño, están las características de las membranas a usarse en los módulos de microfiltración tangencial las cuales son: ·

Diámetro de poro: 100 nm (0,1 µm)

·

Material: Cerámica

Para cada lote o parada de microfiltración se consideró 1 hora de acondicionamiento al inicio y 2 horas posteriores para la limpieza (GE, 2014). El sistema de limpieza (CIP) de acuerdo a información del fabricante está incorporado en el equipo. Además, se consideró: Flujo de permeado = Flux ∙ n ∙ Área efectiva de cada membrana n: Número de membranas

[ 3.8]

22

La Figura 3.1 muestra el procedimiento de escalado simple que se efectuó a fin de determinar el número de membranas por módulo para MFT. Este procedimiento parte de la velocidad de flujo de permeado y el área efectiva, la cual es definida por el fabricante, un ejemplo de cálculo se encuentra en el Anexo III. MFT Tasa de flujo de permeado 12 L/h∙m2

Área efectiva de un módulo (membranas de cerámica)

Define el número de módulos

NO

Cálculo de tiempo de residencia en función de la velocidad de flujo de permeado diario

Tiempo < 24 horas

SI Número de membranas y tiempo de residencia finales

Figura 3.1. Procedimiento de escalado simple para establecer el número de membranas por módulo de MFT

3.8. PASTEURIZACIÓN Se tomaron en cuenta los resultados obtenido por Flores (2004) donde obtuvo un proceso de pasteurización adecuado a una temperatura de 90 °C durante 14 min. Se estimó en 8 °C la temperatura de salida de la pulpa al finalizar la pasteurización.

23

3.9. EVAPORACIÓN OSMÓTICA De manera análoga a la microfiltración, se aplicó un escalado simple tomando en cuenta los siguientes criterios a escala piloto obtenidos por Vaillant et al. (2001): ·

Tasa de agua evaporada que es de 0,6 kg/h·m2 ,y;

·

Área efectiva de la membrana de 14 m2 la cual es proporcionada por el fabricante.

·

Temperatura de operación: 31 °C

·

La relación entre concentrado y agua evaporada: concentrado final 23 % y agua evaporada 77 % respecto a la alimentación inicial.

Las características de la membrana para evaporación osmótica son: ·

Diámetro de poro: interno 1,8 mm y externo 2,6 mm

·

Material: hidrofóbica de polipropileno de fibra hueca

3.9.1. NÚMERO

DE

MÓDULOS

Y

TIEMPO

DE

RESIDENCIA

PARA

EVAPORACIÓN OSMÓTICA Para de determinar el número de membranas para EO se consideró el flux de agua evaporada proporcionada por Vaillant (2001): Tasa de agua evaporada = 0,6

kg h. m>

Adicionalmente, se consideró: Flujo de agua evaporada = Tasa de agua evaporada ∙ n ∙ Área efectiva

[ 3.9]

Donde: n: Número de membranas La Figura 3.2 muestra el procedimiento de escalado simple que se efectuó a fin de determinar el número de membranas por módulo para EO, el Anexo IV muestra un ejemplo de cálculo. Este procedimiento parte de la velocidad de flujo de agua evaporada y el área efectiva, la cual es igual a 14 m2 según la ficha técnica proporcionada por el fabricante.

24

EO Tasa de flujo de agua evaporada 0,6 kg/h∙m2 Área efectiva de un módulo (membranas hidrófobas de polipropileno)

Define el número de módulos

NO

Cálculo de tiempo de residencia en función de la velocidad de flujo de agua evaporada diaria

Tiempo < 24 horas

SI Número de membranas y tiempo de residencia finales

Figura 3.2. Procedimiento de escalado simple para establecer el número de membranas por módulo de EO

3.9.2. REGENERACIÓN DE LA SALMUERA El proceso de evaporación osmótica requiere un sistema de regeneración de salmuera, que para este caso es una solución de cloruro de calcio 5,3 M, escogida por su baja toxicidad, baja actividad de agua y fácil disponibilidad en el mercado. La salmuera ingresa al sistema de evaporación osmótica a una temperatura de 28 °C y abandona el sistema como una solución hidratada que se regenera continuamente mediante evaporación del agua captada (Vaillant et al., 2001). La densidad de la salmuera a la concentración de 45 % P/V es de 1 043 kg/m 3 a la entrada al proceso (Dow, 2003). Los caudales de salmuera y de jugo clarificado, 242 mL/min y 146 mL/min respectivamente

(Forero y Vélez, 2013) permitieron establecer la relación

25

volumétrica y así conocer el flujo de salmuera para jugo permeado que se va a manejar en este diseño. A medida que la salmuera va saliendo hidratada del módulo de evaporación osmótica, se debe someter a una evaporación térmica a fin de eliminar el agua captada del jugo; por ello, se consideró el uso de un evaporador de flujo descendente a que a medida que va saliendo las salmuera hidratada esta pueda regenerarse y volver a emplearse en el sistema. El equipo requerido en esta operación unitaria se determina con base en el balance de masa. En este proceso se consideró el empleo de vapor requerido según especificaciones del fabricante del equipo.

3.10. ENVASADO Lo usual en el caso de pulpas naturales, es envasar en fundas de polietileno de baja densidad, aunque también el uso de laminados constituye una opción atractiva para el buen manejo del producto congelado (Díaz, 2015, p.12). Para este caso, se consideraron empaques de polietileno flexible de 250 gramos para el concentrado y de 500 gramos para la pulpa.

3.11. CONGELACIÓN 3.11.1. PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN Se consideró que el producto envasado se almacena en cámaras de congelación a -35 °C (Vasco, 2000, p. 104).

Para estimar el tiempo de congelación del

concentrado, inicialmente se definieron las dimensiones del empaque final mediante el volumen ocupado por el producto al considerar una densidad de 1 300 kg/m3 (Vaillant, 2001, p. 201) y las dimensiones de las fundas de polietileno especificadas por el proveedor. Luego, se aplicó el método de Pham de acuerdo con las ecuaciones desde la [3.10] a la [3.22] (Singh y Heldman, 2001, p. 427): t=

dK ∆HR ∆H> NJP + S U1 + W E$ h ∆TR ∆T> 2

Donde: dK :

Dimensión característica (m)

[ 3.10]

26 E:

Factor de forma

∆H" : Cambio en la entalpía volumétrica en el periodo de pre enfriamiento (J/m3) ∆H#: Cambio en la entalpía volumétrica en el periodo después del enfriamiento (J/m3) N%& : Numero de Biot h:

Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2∙K), se ha considerado un h=10 que corresponde a congelación en cámara con débil corriente de aire (Casp y Abril, 2003, p. 302).

Factor de forma '( = )" + )# '" + )# '#

[ 3.11]

G1, G2 y G3 es igual a 1 cada uno según Singh y Heldman (2001) para una forma de ladrillo rectangular. E" =

0,73 X" + (1 + X" ) #,/ β" β"

E# =

0,73 X# + (1 + X# ) #,/ β# β"

β" =

segunda dimensión menor del objeto dimensión menor

β# =

[ 3.12]

[ 3.13]

[ 3.14]

dimensión mayor del objeto dimensión menor

[ 3.15]

Para los cálculos de β1 y β2 se establecieron las dimensiones de los empaques para pulpa y concentrado como se muestran en la Tabla 3.4. Tabla 3.4. Dimensiones de las fundas de concentrado y pulpa Concentrado

Pulpa/Retenido

Espesor (cm)

1,45

2,05

Alto (cm)

12,5

9,4

Largo (cm)

10,6

25

27

X" = X# =

(2N%& (2N%&

2,32β" 4",55

)",68

+ 2,32β"

2,32β# 4",55

)",68

4",55

+ 2,32β#

4",55

T 9 = 1,8 + 0,263T> + 0,105T@

[ 3.16]

[ 3.17] [ 3.18]

Donde: T 9 : Temperatura media de congelación T> : Temperatura final en el centro igual a -20 °C T@ : Temperatura del medio de congelación igual a -35 °C ∆H" = ρB cB (T& − T 9 )

[ 3.19]

Donde: cB : Capacidad calorífica del material no congelado (J/kg∙°C) T& : Temperatura inicial del material (°C) ρB : Densidad del alimento no congelado (kg/m3) ∆H# = ρ [L +c (T 9 − T> )]

[ 3.20]

Donde: c:

Capacidad calorífica del material congelado (J/kg∙°C)

L:

Calor latente de fusión del alimento (J/kg)

ρ:

Densidad del alimento congelado (kg/m3), la cual se determina mediante la ecuación [3.1] expresada anteriormente.

Para calcular los gradientes de temperatura se usaron las ecuaciones [3.21] y [3.22]: T& + T 9 ∆T" = D F − T@ 2 ∆T# = T 9 − T@

[ 3.21] [ 3.22]

28

Para el caso del retenido se tomaron los resultados de densidad y grados Brix reportados por Villarreal (1999, p. 95) iguales a 1 049 kg/m3 y 15,9 respectivamente. Los detalles de la predicción del tiempo de congelado se presentan en el Anexo V.

3.11.2. DIMENSIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE CONGELACIÓN

Para dimensionar la cámara de congelación se consideró que el producto envasado se distribuye en gavetas como las de la Figura 3.3. En cada gaveta se distribuyen 12 fundas de concentrado de 250 gramos, o 6 fundas de pulpa de 500 gramos para llevarlas a congelación.

Las dimensiones de las fundas se

mencionan en la Tabla 3.4 y las dimensiones de las gavetas están definidas por el fabricante. Se consideró un apilamiento máximo de 15 gavetas las cuales están sobre una base con ruedas, mostrada en la Figura 3.4, para ser transportadas del área de envasado a la cámara de congelación.

Figura 3.3. Gaveta empleada para producto terminado

29

Figura 3.4. Base con ruedas

Las dimensiones de las gavetas y de la base se especifican en la Tabla 3.5. Así como también las dimensiones que se consideraron para el dimensionamiento de la cámara. Tabla 3.5. Dimensiones para el diseño de la cámara de congelación

Altura de apilamiento (máximo 15 gavetas)

Dimensión (mm) 1 827

Separación entre base y paredes laterales

500

Separación entre base y parede posterior

600

Separación entre bases

600

Separación entre bases y pared de entrada

600

Separación entre ultima gaveta y techo

500

Condición

Gaveta

a

Base con ruedas

328x500x111 a

402x602x162

Ancho de la puerta

1 000

Alto de la puerta

2 000

a (ficha técnica Daplast y Equitienda)

La pulpa representa la mayor carga a ingresar en la cámara de congelación, por tal motivo las dimensiones de la cámara se calcularon con base en la cantidad de pulpa ingresada.

30

3.11.3. CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS

3.11.3.1.

Por congelación del alimento (Qa)

Esta dada por la expresión [3.23]: Q% = Q%R + Q%> + Q%A

[ 3.23]

Donde la carga térmica para disminuir la temperatura hasta la congelación (Q%R )

está dada por la ecuación [3.24] (Toledo,2007, pp. 402): Q%R = mC' ∆T

[ 3.24]

Donde: m: Masa del alimento a congelar (kg) Cu: Capacidad calorífica antes de la congelación (J/kg∙°C) ∆T: Variación de la temperatura (°C) Carga térmica invertida en la congelación (Q%> ), ecuación [3.25]: Q%> = mX%&'% L%&'%

[ 3.25]

Donde: L:

Calor latente del agua (334 000 J/kg)

Xagua: Fracción de agua en el alimento La ecuación [3.26] muestra el cálculo de la carga térmica al congelar (Q%A ): Q%A = mC$ ∆T

Donde: c$ :

Capacidad calorífica del material congelado (J/kg∙°C)

∆T:

Variación de la temperatura (°C)

[ 3.26]

31

Para la variación de la temperatura se considera que la pulpa se congela a -2 °C y el concentrado a -6 °C, tomando como referencia los puntos de congelación de los zumos de pera, manzana y melocotón en relación al aumento de los grados Brix (Auleda et al., 2008, p. 6).

3.11.3.2.

Carga debido a pérdidas por paredes y techo (Qb)

Esta expresada con la ecuación [3.27] (Torres, 2014, p. 48): Q\ = U ∙ S ∙ ∆T

[ 3.27]

Donde: U: Coeficiente de transferencia de calor de la pared o techo (W/m2∙K), se ha considerado un valor de 0,13 dado por el fabricante de los paneles de la cámara de congelación para un espesor de 180 mm (recomendado para cámaras a

-20 °C) el catálogo se muestra en el Anexo VI (Taver®,

2016). S: Superficie del cerramiento (m2) ∆T: Variación de la temperatura (°C) entre el exterior y el interior de la cámara

3.11.3.3.

Por renovación de aire (Qc)

Es la pérdida que se considera por el ingreso de aire cuando ingresa o sale producto de la cámara, depende de las condiciones externas de la cámara que se muestran en la Tabla 3.6 y que sirven para realizar los cálculos respectivos con la ecuación [3.28] (Torres, 2014, p. 48): QK = V ∙ ρ%-G6 ∙ N ∙ ∆h

Donde: V:

Volumen de la cámara (m3)

[ 3.28]

32 ρ%-G6 : Densidad del aire (Anexo VII. Tabla de propiedades del aire seco a presión atmosférica) (kg/m3)

N:

Renovaciones de aire (dependiendo del número de veces que ingrese el producto)

∆h:

Variación de la entalpía. La entalpía del exterior y del interior se toma de las cartas psicrométricas del Anexo VIII, por lo tanto: Tabla 3.6. Condiciones del producto a congelar Parámetro

Valor

Temperatura media anual del exterior

24,1 °C

Temperatura del interior de la cámara

-35 °C

Humedad relativa exterior

a

80 %

Humedad relativa interior Densidad del aire

90 %

b

1.18 kg/m3

a (INAMHI, 2013) b (Coronel et. al., 2016, p.9)

h6_F6G-/G = 63

kg %-G6 (6K/

h-qF6G-/G = −18,5

3.11.3.4.

kJ

kJ

kg %-G6 (6K/

Por personas que ingresan (Qd)

Para estimar el calor por persona, Orrego (2003), asigna un valor de 293 W por persona, y calcula mediante la ecuación [3.29]: Q. = Calor por persona ∙ N ∙ t Donde: N: Número de personas que ingresan t: Tiempo medio de permanencia

[ 3.29]

33

Se consideró que para estibar y mover las pilas se requiere el ingreso de 1 persona por un tiempo de dos minutos por cada ingreso de la persona a la cámara.

3.11.3.5.

Por iluminación (Qe)

Se tomó en cuenta que se usa una iluminación de 12 W/m 2, y para ello la ecuación [3.30] la determina (Orrego, 2003, p. 236): Q6 = n ∙ P ∙ t

[ 3.30]

Donde: n: Número de focos P: Potencia de los focos (W) t: Tiempo de funcionamiento de los focos, se considera dos minutos al realizar el ingreso a la cámara de congelación, al pasar de congelación a almacenamiento se considera 7 minutos por cada ingreso a la cámara ya que deben apilar mayor cantidad de fundas de concentrado o pulpa congelada por gaveta.

3.11.3.6.

Por apertura de puertas (Qf)

Toledo (2007), calcula la carga térmica por apertura de puertas (W) mediante la ecuación [3.31]: Q$ = 2126We{,{C|C∆} HR,~R W:

ancho de la puerta (m)

H:

alto de la puerta (m)

[ 3.31]

∆T: variación de temperatura del exterior de la cámara respecto al interior de la cámara.

34

3.11.3.7.

Cálculo de la carga total

La carga total se determina con la ecuación [3.32] y representa la sumatoria de las cargas térmicas calculadas, más un 15% de factor de seguridad Q} = 1,15 (Q% + Q\ +QK + Q. + Q6 + Q$

[ 3.32]

3.12. ALMACENAMIENTO Una vez congeladas las fundas de pulpa y concentrado son apiladas una sobre otras en las gavetas, el almacenamiento se lo realiza en cámaras separadas para el concentrado y para las pulpas. Para el caso de la pulpa se consideró un almacenamiento de 24 fundas por gaveta, y para el concentrado de 60 fundas por gaveta. Una vez apiladas se trasladan a una cámara de almacenamiento a -20 °C hasta el momento de su despacho. Se consideró un almacenamiento de hasta dos días de producción. La carga frigorífica se calculó con las mismas expresiones del numeral 3.11 descritas en este capítulo con excepción de la carga para congelar el producto.

3.13. TANQUES PULMÓN Se consideró el diseño de tanques verticales que permiten almacenar los productos de determinadas operaciones unitarias con el fin de recolectar el producto saliente hasta conseguir un determinado volumen y poder abastecer la siguiente operación unitaria. Se consideró colocar tanques pulmón después del proceso de despulpado, hidrolisis enzimática, microfiltración tangencial, pasteurización y evaporación osmótica. De acuerdo con Páez (2013), los tanques diseñados son atmosféricos con una relación altura:diámetro de 2:1, la altura se calcula mediante la ecuación [3.33]:

35 H = 2D

[ 3.33]

Donde: H: Altura (m) D: Diámetro (m) Para determinar el diámetro se empleó la ecuación [3.34] D= ‚ „

2V π

[ 3.34]

Donde: V: Volumen (m3) Se diseñaron los tanques de acuerdo a la capacidad de almacenamiento requerida tomando en cuenta un 15 % de sobredimensionamiento y acero inoxidable 304 como material de construcción. Para calcular el espesor de la tapa se tomó en cuenta el tipo elipsoidal 2:1, y se empleó la ecuación [3.35] (Páez, 2013, p.32): t=

P. D 2S ∗ E − 0,2P

Donde:

P: Presión de diseño (1 atm) S: Esfuerzo del material

E: Eficiencia de la soldadura

D: Diámetro interno del tanque

[ 3.35]

36

4. DISEÑO DE PLANTA

4.1. BALANCE DE MASA En la Tabla 4.1 se muestran los resultados del balance de masa en cada etapa del proceso. Los cálculos para cada etapa se presentan en el Anexo IX.

Tabla 4.1. Resultados del balance de masa para la obtención de concentrado de maracuyá No Corriente

Descripción

Flujo másico (kg/día)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Maracuyá fresca Maracuyá pesada Maracuyá rechazada Maracuyá clasificada Agua clorada Agua con impurezas Maracuyá lavada Cáscaras y semillas Pulpa de maracuyá Almidones Pulpa centrifugada Coctel enzimático Pulpa hidrolizada Retenido/ Pulpa (sub-producto) Permeado Concentrado de maracuyá Salmuera 5,3 M Agua evaporada Salmuera hidratada Concentrado envasado Pulpa pasteurizada envasada

5 500,00 5 500,00 275,00 5 225,00 13 715,63 13 715,63 5 225,00 3 344,00 1 881,00 56,43 1 824,57 1,91 1 826,48 609,13 1 217,35 284,05 2 843,18 933,30 3 776,50 284,05 609,13

4.2. DIMENSIONAMIENTO

Y

ESPECIFICACIONES

DE

LOS

EQUIPOS PROPUESTOS De acuerdo a la información proporcionada en el diagrama BPD y los criterios de diseño se seleccionaron los equipos vía catálogo según la capacidad de cada

37

operación unitaria. En la Tabla 4.2 se describen los equipos principales para cada etapa del proceso así como los tanques pulmón requeridos junto con la respectiva capacidad de procesamiento.

Tabla 4.2. Requerimiento de equipos para la obtención de concentrado de maracuyá

Balanza Banda trasportadora

Capacidad de Procesamiento 1 500 kg máx. 4 m de largo

Número de unidades 1 1

Lavadora de frutas

1 000 kg/h

1

Despulpadora Tanque pulmón Decantadora centrífuga Tanque enchaquetado Tanque pulmón

500 kg/h 1082 L

2 1

2 500 L/h

1

1 000 L 1050 L 4,32 m2 área efectiva 702 L 351 L 600 L/h 351 L 14 m2 área efectiva 163 L

1 1

500 kg/h máx.

1

1 800 bolsas/h

1

32,62 m3

1

32,62 m3

3

Proceso

Equipo

Recepción y clasificación Lavado y desinfección Despulpado Centrifugación Hidrólisis enzimática

Módulo de MFT Microfiltración

Pasteurización Evaporación Osmótica Regeneración de Salmuera Envasado Congelación Almacenamiento

Tanque pulmón Tanque pulmón Pasteurizador tubular Tanque pulmón Módulo de EO Tanque pulmón Evaporador de película descendente Llenadora Cámara de congelación Cámara de congelación

1 1 1 1 1 1 1

Las hojas de especificaciones de los equipos principales de la planta procesadora se detallan en el Anexo X. Las especificaciones se presentan de acuerdo a la información proporcionada en los catálogos de los fabricantes.

4.2.1. MÓDULO DE MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL (MFT)

Después de varias estimaciones con el número de módulos de acuerdo al tiempo de procesamiento y procurando que no sobrepasen las 24 horas se determinó un

38

número de módulos = 2. Con este número de módulos y dividiendo la producción en dos lotes se puede hacer un uso eficiente de los mismos. El área efectiva por módulo = 4,56 m2 (dato del fabricante) Al reemplazar los datos en la ecuación 3.8 se obtiene: Flujo de permeado =

13,33 L L kg kg ∗ 2 ∗ 4,56 m> = 121,57 ∗ 1,049 = 127,52 > h. m h L h

Para hacer uso eficiente del equipo se consideran dos cargas al módulo con la mitad de la producción diaria cada una, por lo tanto: Flujo másico de permeado = 1 217,35 Mitad de la carga = 608,68

608,68

kg día

kg día ∙ batch

kg de permeado 1h horas ∗ ≅5 día ∙ batch 127,52 kg de permeado batch ∙ día

Cada carga tardará 5 horas en procesar 913,24 kg de pulpa hidrolizada para obtener 608,68 kg de jugo clarificado por día. Adicionalmente se tomó en cuenta las dos horas de limpieza del equipo.

4.2.2. MÓDULO DE EVAPORACIÓN OSMÓTICA (EO) Se conoce: Velocidad de flujo de agua evaporada (Flux) = 0,6

Al reemplazar en el Ecuación 3.9:

ˆ&

3.E‰

Número de módulos = 6 y área efectiva por módulo = 14 m 2 (dato del fabricante) Flujo de agua evaporada = 0,6

kg kg > ∗ 6 ∗ 14m = 50,4 h. m> h

Se consideran dos cargas diarias al módulo: Flujo másico de agua evaporada = 937,35

kg día

39 Mitad de la carga = 468,7

kg día ∙ batch

1h horas 468,7 kg ∗ = 9,3 batch ∙ día día ∙ batch 50,4 kg de agua evaporada Cada carga en evaporación osmótica tardará 9,3 horas en procesar 618,68 kg de jugo clarificado de maracuyá hasta alcanzar una concentración de 60 °Brix.

4.2.3. TANQUES PULMÓN

La Tabla 4.3 muestra las dimensiones de los tanques de almacenamiento utilizados en todo el proceso. Los cálculos de diseño se detallan en el Anexo XI.

Tabla 4.3. Dimensiones de los tanques pulmón

Producto Pulpa Pulpa hidrolizada Jugo clarificado Retenido/pulpa Pulpa Pasteurizada Concentrado

Capacidad de Capacidad Diámetro almacenamiento de diseño (m) (kg) (kg)

Altura (m)

Espesor de la tapa (mm)

940,5

1082

0,87

1,74

0,62

913,24

1050

0,86

1,72

0,31

610

702

0,75

1,50

0,27

305

351

0,58

1,17

0,21

305

351

0,58

1,17

0,21

142

163

0,46

0,93

0,16

4.2.4. CÁMARAS DE CONGELACIÓN

4.2.4.1.

Predicción del tiempo de congelación

Los cálculos de los tiempos de congelación se muestran en el Anexo V, donde los tiempos de congelación para el retenido o pulpa y para el concentrado son de 1,48 horas y 1,57 horas respectivamente.

40

4.2.4.2.

Dimensionamiento de la cámara de congelación

Como se mencionó en los criterios de diseño las dimensiones de la cámara fueron tomadas de acuerdo al ingreso de la pulpa por ser el producto de mayor flujo a congelar. De tal forma que las dimensiones se muestran en la Tabla 4.4.

Tabla 4.4. Dimensiones internas de la cámara de congelación Medida

Unidades

Altura

2,33

m

Ancho

2,80

m

Largo

4,61

m

Área del piso y techo

12,91

m2

Área de paredes (ancho)

6,52

m2

Área de paredes (largo)

10,74

m2

Volumen

30,01

m3

La figura 4.1 muestra las dimensiones y la distribución de las torres de gavetas en la cámara de congelación tomando en cuenta los criterios de diseño anteriormente mencionados.

Figura 4.1. Dimensiones (mm) de la cámara de congelación y distribución de las gavetas

41

4.2.5. CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS

De acuerdo a los datos proporcionados en los criterios de diseño, se reemplaza en cada una de las ecuaciones para calcular las diferentes cargas térmicas. La Tabla 4.5 muestra el resumen de las cargas en kW calculadas para el congelamiento de pulpa y concentrado.

Tabla 4.5. Resumen de las cargas térmicas en la congelación de pulpa y concentrado de maracuyá Qa Pulpa Concentrado

Qb

20,08

0,23

5,47

0,23

Qc 3,79 1,53

Qd 0,05 0,02

Qe

Qf

Qtotal

Qtotal

1,8x10

-3

121,51 145,65

167,50

7,6x10

-4

121,51 128,76

148,08

4.3. PLANIFICACIÓN DE LA PRODUCCIÓN Conocidos los flujos a procesar y las capacidades de los equipos se estableció la planificación de la producción mediante el diagrama de Gantt que se muestra en la Figura 4.2. La planta opera 24 horas en tres turnos con la finalidad de cumplir los tiempos de residencia en los módulos de microfiltración tangencial y evaporación osmótica. Se consideraron 22 días laborables por cada mes durante el año ya que la producción de maracuyá es constante, la producción diaria se dividió en dos lotes una vez concluido el proceso de lavado de la fruta. La Tabla 4.6 indica la duración de cada operación unitaria y se identificó con colores a los lotes.

Tabla 4.6. Duración de cada operación unitaria en el proceso productivo por día Operación Unitaria

Horas

Comienzo

Fin

Clasificación

2,71

8:00

10:43

Lavado

5,23

8:15

13:29

Despulpado

2,62

8:40

11:17

42

Tabla 4.6. Duración de cada operación unitaria en el proceso productivo por día (continuación…) Operación Unitaria

Horas

Comienzo

Fin

Centrifugación

0,38

11:17

11:40

Hidrólisis

1

11:40

12:40

Microfiltración

5

12:40

17:40

Pasteurización

1

17:40

18:40

Envasado pulpa

0,33

18:40

19:00

Congelación pulpa

1,48

19:00

20:29

Evaporación osmótica

9,3

17:40

2:58

Envasado concentrado

0,27

2:50

3:06

Congelación concentrado

1,57

3:06

4:40

Despulpado

2,62

19:30

22:07

Centrifugación

0,38

22:07

22:30

Hidrólisis

1

22:41

23:41

Microfiltración

5

23:41

4:41

Pasteurización

1

4:41

5:41

Envasado de la pulpa

0,34

5:41

6:01

Congelación de la pulpa

1,48

6:01

7:30

Evaporación osmótica

9,3

5:00

14:18

Envasado concentrado

0,27

14:20

14:36

Congelación concentrado

1,57

14:36

16:10

Primer lote Segundo lote Los dos lotes unidos

Operación Unitaria Clasificación Lavado Despulpado Centrifugación Hidrólisis Microfiltración Pasteurización Envasado retenido Evaporación osmótica Envasado concentrado Congelación

Primer lote

4:00

5:00

7:00

Segundo lote

6:00

8:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

Figura 4.2. Diagrama de Gantt para la obtención de concentrado de maracuyá

Un solo lote

9:00

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

43

44

4.4. BALANCE DE ENERGÍA 4.4.1. CONSUMO

DE

VAPOR

EN

HIDRÓLISIS

ENZIMÁTICA

Y

MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL

Únicamente la hidrólisis enzimática y la microfiltración tangencial requieren acondicionamiento

de

temperatura

utilizando

tanques

con

sistema

de

calentamiento mediante vapor saturado. La presión a la que se encuentra Santa Elena es de 1 bar. En estos procesos, se plantea el balance de energía para un sistema abierto de acuerdo a la ecuación [4.1]: Q̇&%q%./ = −Q̇‹6G.-./

[ 4.1]

Donde:

Q̇&%q%./ : Flujo calórico ganado por el jugo de maracuyá

Q̇‹6G.-./ : Flujo calórico cedido por el vapor saturado a 1 bar

Al reemplazar los flujos calóricos sensible y latente se obtiene la ecuación [4.2]: ṁŒ'&/ C‹Œ'&/ ∆T = −ṁ%‹/G Lp%‹/G

[ 4.2]

Donde:

Lp%‹/G : Calor latente de vaporización (kJ/kg), se encuentra en las tablas de vapor saturado (Anexo XII)

Para el cálculo se emplearon los datos de la Tabla 3.1 de las propiedades termo físicas para el jugo y concentrado de maracuyá. Los cálculos realizados se muestran en el Anexo XIII.

4.4.2. CONSUMO DE VAPOR EN LA REGENERACIÓN DE SALMUERA

La regeneración de salmuera, proceso complementario a la evaporación osmótica, requiere la remoción de agua continuamente empleando un evaporador de película descendente. El catálogo de este equipo indica que es necesario

45 1,25 kg de vapor de 105 °C a 1,2 bar por kg de agua evaporada. En la Tabla 4.7 se resumen el flujo diario de vapor requerido en cada proceso.

Tabla 4.7. Consumo de vapor diario en la planta de concentrado de maracuyá Proceso

Equipo

Flujo de vapor (kg/día)

Porcentaje %

Hidrólisis enzimática

Tanque enchaquetado

12,40

2,58

Módulo de MFT Evaporador de película descendente TOTAL

2,22

0,46

466,65

96,96

481,27

100

Microfiltración tangencial Regeneración de salmuera

Más un factor de seguridad del 15 %: 553,46 kg/día El mayor consumo de vapor se da en la regeneración de la salmuera, en la que aproximadamente trabaja el evaporador por 9 horas como máximo, que es el tiempo que dura la evaporación osmótica. Al dividir la cantidad de vapor para las 9 horas, se determinó la necesidad de un calderín con la capacidad de generar vapor de 61,5 kg/h. Las especificaciones del equipo se encuentran en el Anexo X junto con los otros equipos anteriormente mencionados. Los cálculos se detallan en el Anexo XIII.

4.4.3.

CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Los requerimientos de energía eléctrica global en la planta se determinaron de acuerdo a la potencia especificada en cada equipo, el número de unidades requeridas y el tiempo de operación diario establecido en la planificación de la producción. En la Tabla 4.8 se sintetiza el consumo de energía eléctrica diario por proceso. En los procesos de microfiltración tangencial así como de evaporación osmótica se requiere de un sistema de limpieza en el lugar denominado CIP por sus siglas en inglés (Clean in place), este sistema está incluido en el equipo de MFT y EO;

46 este proceso se demora dos horas una vez finalizado cada lote. A su vez implica consumo de energía para poner en funcionamiento el sistema.

Tabla 4.8. Consumo de energía eléctrica diario en la planta de concentrado de maracuyá Equipo

Lavadora Despulpadoras Decantador centrífugo Módulos MFT Pasteurizador tubular Módulos EO

Envasadora

Congelación

Componente

Potencia (kW/h)

bomba motorreductor motor

1,12 0,90 5,59

motor principal

5,50

Tiempo de operación diario (h) 5,23 5,23

Consumo de energía eléctrica diario (kW/día) 5,85 4,70 58,42 4,14

0,75 motor limpiador

0,18

módulo CIP sistema de calentamiento módulo CIP motor

23,00 23,00

10,00 4,00

230,00 92,00

55,00

1,02

56,10

23,00 23,00 0,37

18,60 4,00

427,80 92,00 0,45

sellador vertical

0,30

sellador horizontal

1,00

lámpara de esterilización UV equipo de enfriamiento

0,14

0,36 1,22

15,00 1,51

1,22 18,30

24,00

36,24

TOTAL

1027,72

4.5. DIAGRAMA DE BLOQUES (BPD) Los resultados del balance de masa permiten la elaboración del diagrama de bloques (BPD) que se muestra en la Figura 4.3, donde se observa el cambio de los flujos másicos diariamente a través del proceso productivo, que a su vez derivan en un rendimiento global de 16,23 %.

RECEPCIÓN

CONGELACIÓN

CLASIFICACIÓN

Fruta no apta 275 Kg/día

Maracuyá clasificada 5225 kg/día

ENVASADO

Agua evaporada 937,35 kg/día

Pulpa de Maracuyá 1 881 kg/día

Retenido/Pulpa pasteurizada 609,13 kg/día

REGENERACIÓN DE SALMUERA

Salmuera regenerada 2843,18 kg/día

Clarificado de maracuyá 1 217,35 kg/día

Coctel enzimático 1,91 kg/día

Cáscaras, semillas 3 344 kg/día

DESPULPADO

EVAPORACIÓN OSMÓTICA

Salmuera hidratada 3 780,53 kg/día

Concentrado De maracuyá 284,05 kg/día

Agua clorada 50 ppm mas impurezas 13 715,6 kg/día

LAVADO Y DESINFECCIÓN

Maracuyá Lavada 5225 kg/día

PASTEURIZACIÓN

Retenido/Pulpa 609,10 kg/día

MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL

Pulpa hidrolizada de maracuyá 1826,48 kg/día

HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA

Pulpa centrifugada de maracuyá 1 824,57 kg/día

CENTRIFUGACIÓN

Figura 4.3. Diagrama de bloques (BPD) para la producción de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica

609,13 Kg/día de Retenido de maracuyá

284,05 Kg/día de Concentrado de maracuyá

Maracuyá fruta 5 500 kg/día

Agua clorada 50 ppm 13 715,6 kg/día

Almidones 56,43 kg/día

47

48

4.6. DIAGRAMA DE FLUJO (PFD) La Figura 4.4 muestra el diagrama de flujo (PFD) para la obtención de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica. La simbología empleada para la representación de los equipos está de acuerdo a la norma ANSI /ISA-S5.5 y la nomenclatura se describe en la Tabla 4.9, donde las letras constituyen las siglas de identificación del equipo, el primer número el área de ubicación en planta y los últimos números el orden de acuerdo a la secuencia de operaciones unitarias en el proceso.

Tabla 4.9. Nomenclatura utilizada en el diagrama de flujo del proceso (PFD) Área 1

2

Proceso Recepción Clasificación Lavado Despulpado Centrifugado Hidrólisis enzimática Microfiltración Pasteurización

3 Evaporación osmótica 4

Envasado

Equipo Balanza Banda transportadora Lavadora Despulpadora Decantadora centrifuga Tanque enchaquetado Módulo de MFT Pasteurizador Módulo de EO Evaporador Tanque de enfriamiento Envasadora

Codificación BA-101 BT-102 LA-103 DP-201 DC-203 TC-204 MF-302 PA-309 EO-304 EV-305 TE-306 EN-401

Los tanques de almacenamiento tienen como nomenclatura las letras TA seguidas del número de acuerdo al orden presentado en el diagrama de flujo PFD.

5 500,00

Flujo másico (Kg/día)

3

275,00

Maracuyá rechazada

14''

5 225,00

5

28

13 715,00

Agua clorada

TE-306

Maracuyá clasificada

4

3

Vapor de agua

16'

Fruta no apta

2

19

13 715,00

Agua con impurezas

6

TA-310

18

4

5 225,00

Maracuyá lavada

7

TA-307

8

17

LA-103

3 344,00

9

PA-309

1 881,00

Pulpa de maracuyá

19'

16

7

14'

12

56,43

1 824,57

16

937,35

1_150

2 843,18

18 Agua evaporada

ESTHELA FLORES S.

284,05

17 Salmuera hidratada

Escala:

1 217,35

13'

TA-301

11

DC-203

Elaborado por:

8 609,13

15

Clarificado de Concentrado de maracuyá maracuyá

MF-302

9'

Fecha: 10 de Marzo del 2017

1 826,40

Pulpa

14

14

34

TA-202

Nombre del Proyecto: DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE CONCENTRADO CONGELADO DE MARACUYA POR EVAPORACIÓN OSMOTICA

1,91

Pulpa hidrolizada

13

15

Cáscaras y semillas

TA-308

TA-303

DP-201

9

Figura 4.4. Diagrama de flujo PFD para la planta procesadora de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIAL

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

11

15'

8

Coctél Pulpa Almidones centrifugada enzimático

10

EO-304

31

Agua clorada mas impurezas A

Cáscaras y semillas

14'' 14' '

EV-305

6

5

Nota: La nomenclatura de las corrientes con apostrofe corresponden a flujos provenientes de tanques pulmón

5 500,00

2

Maracuyá pesada

1

EN-401

Maracuyá fresca

21

20

BA-101

Descripción de la corriente

1

Número de la corriente

Pulpa de maracuyá envasada

Concentrado Concentrado de de maracuyá maracuyá envasado

Maracuyá

BT-102

Agua clorada 50 ppm

3 780,53

Salmuera regenerada

19

13

32,5

10

284,04

Concentrado envasado

20

TC-204

Almidones

12

21

609,13

Paginas: 1 de 1

Pulpa envasada

Coctel enzimático

49

50

4.7. DISPOSICIÓN EN PLANTA Y PLANOS DE ELEVACIÓN De acuerdo a la naturaleza de las operaciones unitarias en el proceso, es decir, posible generación de desechos, uso de agua para limpieza y asepsia requerida se han considerado cuatro áreas principales en la distribución en planta: ·

Área sucia que abarca desde la recepción de fruta hasta la desinfección ( 1 ),

·

Área de tratamiento secundario de la fruta que culmina con la hidrólisis enzimática ( 2 ),

·

Área limpia que involucra los módulos de microfiltración y evaporación osmótica ( 3 )

·

Área de envasado y almacenamiento del producto terminado ( 4 )

Bajo esta clasificación y conocidas las dimensiones de cada equipo requerido en las diferentes operaciones unitarias se propone la disposición de equipos en planta (layout) que se presenta en la Figura 4.5. Esta distribución es del tipo “U” de manera que la zona de recepción de materia prima y la correspondiente a descarga del producto terminado se ubican en un mismo lado de la planta. El espaciamiento entre equipos para el movimiento de operarios y labores de mantenimiento se ha establecido de acuerdo al código ecuatoriano para la construcción CPE INEN 5 resultando en una planta con superficie total de 400,59 m2 repartida como se indica en la Tabla 4.10. Tabla 4.10. Superficie ocupada por los diferentes procesos en la planta Nombre del Área Clasificación y lavado Extracción de la pulpa Microfiltración y evaporación osmótica Regeneración de salmuera Envasado Cámaras de congelación Bodega de Insumos Baños, vestidores y área administrativa TOTAL

Superficie (m2) 41,74 73,76 25,67 19,47 16,46 46,59 41,22 135,68 400,59

51 Adicionalmente, se plantean tres cortes (A-A’, B-B’ y C-C’) (Figura 4.5) sobre el plano de distribución que a su vez dan origen a tres planos de elevación que se muestran en las Figuras 4.6, 4.7 y 4.8 donde se pueden observar de manera íntegra las dimensiones y espaciamiento entre todas las unidades de procesamiento en la planta.

Vestidores Mujeres

4

Bodega de Insumos

Regeneración Salmuera

Laboratorio de control de calidad

Área Administrativa

B' C'

Figura 4.5. Layout con flujos de personal operativo, materia prima y producto

1_170

3

A'

ESTHELA FLORES S.

Área de Producción

Escala:

Cámaras de congelación

Área de Empaque

2

Elaborado por:

Cámaras de almacenamiento de pulpa

Vestidores Hombres

Utileria

Fecha: 10 de Marzo del 2017

Color

Baños Hombres Área de carga y salida de producto terminado

Utileria

1

Baños Mujeres

Nombre del Proyecto: DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE CONCENTRADO CONGELADO DE MARACUYA POR EVAPORACIÓN OSMOTICA

Flujo de producto

Flujo de materia prima e insumos

Flujo de personal operativo

Flujo

Baños Mujeres

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIAL

Utileria

Ingreso Peatonal

Área de Clasificación y Lavado

Vestidores Hombres

Baños Hombres

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

ENTRADA

C

B

A

Ingreso de Materia Prima

Vestidores Mujeres

Exclusas

Cámara de almacenamiento de concentrado

Paginas: 1 de 1

52

Baños Mujeres

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

Vestidores Mujeres

EN-401

TC-204

EV-305

Bodega de Insumos

TE-306

Regeneración Salmuera

TA-308 MF-302

DC-203

PA-309 EO-304

TA-307

Área de Producción

TE-202

Laboratorio de control de calidad

Área Administrativa

Baños Hombres

1_160

Figura 4.6. Layout de la planta procesadora de concentrado de maracuya por evaporación osmótica con cortes

ESTHELA FLORES S.

Escala:

Cámaras de congelación

Área de Empaque

DP-201

Elaborado por:

Baños Hombres

Fecha: 10 de Marzo del 2017

Cámaras de almacenamiento de pulpa

Vestidores Hombres

Baños Mujeres

Nombre del Proyecto: DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE CONCENTRADO CONGELADO DE MARACUYA POR EVAPORACIÓN OSMOTICA

Utileria

LA-103

Utileria

Cámara de almacenamiento de concentrado

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIAL

C

Utileria

Ingreso Peatonal

BT-102

Área de Clasificación y Lavado

Vestidores Hombres

Exclusas

B

A

BA-101

Ingreso de Materia Prima

Vestidores Mujeres

Paginas: 1 de 1

C'

B'

A'

53

BA-101

Corte B-B'

EO-304

TA-308

MF-302

ESTHELA FLORES S.

DC-203

ESC. 1_80

TE-202

1_150

Escala:

TA-307

DP-201

Elaborado por:

EN-401

DP-201

Fecha: 10 de Marzo del 2017

LA-103

Nombre del Proyecto: DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE CONCENTRADO CONGELADO DE MARACUYA POR EVAPORACIÓN OSMOTICA

PRODUCTO EMPACADO

BT-102

Figura 4.7. Plano de elevación de la planta procesadora de concentrado de maracuyá primera parte

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIAL

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

Corte A-A'

TC-204

Paginas: 1 de 1

ESC. 1_120

54

55

Corte C-C'

EO-304

ESC. 1_50

TE-306

Nombre del Proyecto: DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE CONCENTRADO CONGELADO DE MARACUYA POR EVAPORACIÓN OSMOTICA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIAL Elaborado por:

Fecha:

Escala:

ESTHELA FLORES S.

10 de Marzo del 2017

1_150

Paginas: 1 de 1

Figura 4.8. Plano de elevación de la planta procesadora de concentrado de maracuyá segunda parte

56

4.8. DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (P&ID)

En concordancia con el diagrama de flujo del proceso (PFD) y la distribución de equipos en la planta se establece el diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) que se muestra en la Figura 4.10. La caracterización de las tuberías se realiza de acuerdo a nomenclatura PDVSA que se describe a continuación en la Figura 4.9: 12 – AB – 012 – CS SA Código del material Número de corriente Código de fluido Diámetro nominal

Figura 4.9. Nomenclatura para las tuberías en el diagrama P&ID Dada la naturaleza de los fluidos a transportarse a lo largo del proceso, se considera tuberías de acero inoxidable 304 y de igual manera para los accesorios involucrados en la conducción (codos, ensanchamiento y reducciones, divisores de flujo y válvulas manuales). Además, se ha definido el uso de bombas centrífugas en todo el proceso, cuya potencia teórica se determinó aplicando un balance de energía mecánica expresado a través de la ecuación

[4.3] de

Bernoulli: PR VR > P> V> > + ZR + + H E = + Z> + + h$} + h$‘ γ 2g γ 2g

Donde:

PR, P>: Presión absoluta en la entrada y salida

ZR , Z> : Diferencia de nivel entre la entrada y salida VR , V> : Velocidad del fluido a través de la tubería

γ:

HE :

Gravedad específica del fluido Altura manométrica de la bomba

[ 4.3]

57 h$} , h$‘ : Pérdidas por fricción en la tubería y en accesorios respectivamente Un ejemplo de cálculo de potencia se presenta en el Anexo XIV y las especificaciones principales de las bombas centrífugas se muestran en la Tabla 4.11, la Figura 4.10 muestra el diagrama de tuberías P&ID para la planta. Tabla 4.11. Especificaciones principales de las bombas empleadas en el proceso Nomenclatura B-01 B-02 B-03 B-04 B-05 B-06 B-07 B-08 B-09 B-10 B-11 B-12 B-13 B-14 B-15

Caudal (m3/h) 0,35 4,72 4,58 4,58 0,11 0,05 0,11 0,01 0,29 0,18 0,18 0,01 0,05 0,05 0,05

Altura manométrica (m) 11,19 11,46 11,42 13,91 12,09 10,94 12,09 11,64 16,39 11,24 11,41 11,49 11,67 10,96 11,67

Potencia teórica (hp) 0,15 2,06 2,17 2,43 0,05 0,02 0,05 0,01 0,19 0,08 0,08 0,01 0,02 0,02 0,02

B-09

B-12 B-08

VM-09

VM-12

B-10

VM-10

B-07

VM-08

VM-0

B-1

Figura 4.10. Diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) para la planta procesadora de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica

S/E

B-13

B-14

VM-13

ESTHELA FLORES S.

Agua evaporada

VM-16

B-15

VM-14

Escala:



Empaques

VM-15

B-02

Elaborado por:



  
  ,  


 

Empaques

VM-02

Fecha: 10 de Marzo del 2017

   $ $ $  $ $ ,  




Retenido envasado

Concentrado envasado

Agua con impurezas

B-01

VM-01

Cáscaras y semillas

Nombre del Proyecto: DISEÑO DE PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE CONCENTRADO CONGELADO DE MARACUYA POR EVAPORACIÓN OSMOTICA



  
  ,  




FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIAL

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL





              !    % '              #)    + !  - +   + +


 








"
#
%"
&
(
$





&** ,  

Maracuyá no apta

Agua clorada

Paginas: 1 de 1

58

59

5. ESTUDIO DE PRE FACTIBILIDAD ECONÓMICA

Los resultados obtenidos a través de las diferentes etapas del diseño de la planta procesadora de concentrado de maracuyá por evaporación osmótica permiten establecer rubros referidos a inversión y costos preliminares a la instalación de la planta. Dichos montos facilitan el estudio de pre factibilidad económica que se presenta en las siguientes secciones.

5.1. INVERSIÓN La Tabla 5.1 muestra los montos que se han tomado en cuenta para la instalación de la planta junto con el desglose de la inversión fija y capital de operación que se indica en las Tablas 5.2 a 5.4.

Tabla 5.1. Inversiones para la instalación de la planta Inversiones

Valor (Dólares)

%

Inversión fija

524 709,00

32,58

Capital de operaciones

1 085 798,00

67,42

INVERSIÓN TOTAL

1 610 508,00

100,00

Tabla 5.2. Detalle de la inversión fija Denominación

Valor (dólares)

%

Terrenos y construcciones

82 700,00

15,76

Maquinaria y equipo

374 560,00

71,38

Otros activos

42 463,00

8,09

SUBTOTAL

499 723,00

95,24

Imprevistos de la inversión fija (5%)

24 986,15

4,76

TOTAL

524 709,15

100

60 Tabla 5.3. Costo de maquinaria y equipos Denominación

Valor (dólares)

Equipo de producción

304 560

Gastos de instalación y montaje

20 000

Camión y vehículos de trabajo

50 000

TOTAL

374 560

Tabla 5.4. Detalle del capital de operación

Denominación

Tiempo (meses)

Valor (dólares)

Materiales directos

12

657 948

Mano de obra directa

12

76 841

Carga fabril

12

320 227

Gastos de administración

12

20 767

Gastos de venta

12

10 014 1 085 798

TOTAL

5.2. VENTAS NETAS La Tabla 5.5 refleja la posibilidad de alcanzar ventas aproximadas de 1 395 240 USD, donde el mayor aporte de ingresos representa la pulpa como subproducto dentro de este proyecto. El precio unitario del concentrado de maracuyá obtenido mediante evaporación osmótica se mantiene en el límite inferior dentro del rango de la competencia que emplea evaporación térmica convencional.

Tabla 5.5. Ventas netas anuales Producto

Cantidad (kg)

Valor Unitario (dólares)

Valor Total (dólares)

Concentrado

73 920

8,00

591 360

Retenido/Pulpa

160 776

5,00

803 880

TOTAL

1 395 240

61

5.3. COSTOS Y GASTOS La Tabla 5.6 muestra los costos y gastos correspondientes a materiales directos, mano de obra directa y carga fabril.

Tabla 5.6. Costos y gastos anuales Denominación

Valor (dólares)

%

Materiales directos

657 948

59,35

Mano de obra directa

76 841

6,93

8535

0,77

10 000

0,90

c) Depreciación

50 957,3

4,6

e) Suministros

284 209

25,64

d) Reparación y mantenimiento

4 573

0,41

f) Seguros

4 573

0,41

g) Imprevistos

10 885

0,98

1 108 522

100

Carga fabril a) Mano de obra indirecta b) Materiales indirectos

TOTAL

5.4. PUNTO DE EQUILIBRIO La Figura 5.1 muestra que el proyecto para obtención de concentrado de maracuyá alcanza su punto de equilibrio económico cuando el 64 % de la capacidad es utilizada con un monto total de ingresos de 1 395 240 USD. Los parámetros considerados para calcular el punto de equilibrio se detallan en la Tabla 5.7. Tabla 5.7. Parámetros para calcular el punto de equilibrio Costos Fijos (Dólares) Materiales Directos Mano de Obra Directa Carga Fabril Mano de obra indirecta Materiales indirectos Depreciación Suministros

8.535,20 10.000,00 50.957,30 284.209,32

Costos Variables Totales (Dólares) 657.948,41 76.841,28

62 Tabla 5.8. Parámetros para calcular el punto de equilibrio (continuación…)

Reparaciones y mantenimiento Seguros Imprevistos Gastos de ventas Gastos administración, generales TOTAL

Costos Fijos (Dólares) 4 572,60 4 572,60 10 885,41 10 014,48 25 847,03 409 593,95

Costos Variables Totales (Dólares)

734 789,69

S/1.600.000 S/1.400.000 S/1.200.000 S/1.000.000 S/800.000 S/600.000 S/400.000 S/200.000 S/0

20

40

60

80

100

120

% Capacidad Utilizada Costos Fijos

Costos Variables

Costos Totales

Ingresos

Figura 5.1. Punto de equilibrio del proyecto

5.5. INDICADORES FINANCIEROS TIR Y VAN Para determinar los indicadores financieros se determina el flujo de caja para 10 años, donde se considera el desembolso de inversión en el año cero, de manera que el flujo resultante es negativo. Los ingresos por ventas se contemplan desde el primer año con un crecimiento anual del 5 % y una depreciación lineal. El flujo de caja desarrollado se presenta en el Anexo XV.

63 En este sentido, el valor actual neto (VAN) se ha estimado en 122 501,75 USD y la tasa interna de retorno (TIR) en 8,7 % calculado considerando una tasa de interés esperada del 6,5 % (BAN ECUADOR, 2017), que representa el interés de mantener el dinero en una cuenta ganado el interés bancario.

64

6. CONCLUSIONES 1. De acuerdo al balance de masa se prevé que el rendimiento de concentrado respecto a la fruta que ingresa es de 16,3 %. 2. De acuerdo al escalado simple realizado en microfiltración tangencial, es necesaria la adquisición de dos membranas con las especificaciones señaladas, y 6 membranas para el módulo de evaporación osmótica, de igual manera con las características expuestas en los criterios de diseño. 3. En la predicción del tiempo de congelación de la pulpa y el concentrado los resultados fueron de 1,57 horas para el concentrado y 1,48 horas para la pulpa, pese a que la funda de concentrado tiene menor espesor que la de la funda; sin embargo, hay que tomar en cuenta que la pulpa sale de un proceso de pasteurización ya fría (8 °C), en cambio el concentrado se envasa a la temperatura ambiente (24,1 °C). 4. De acuerdo a los requerimientos de vapor calculados en el balance de energía, se evidenció que la mayor cantidad de vapor se usa en la regeneración de salmuera (96,96 %), ya que en las operaciones unitarias previas el requerimiento de vapor es bajo en comparación con la usada en la evaporación térmica para renovar la salmuera. 5. Los indicadores financieros TIR y VAN de 9 % y 122 501,75 USD respectivamente reflejan la factibilidad económica de implementar evaporación osmótica con todos los procesos que ello implica para obtener concentrado de maracuyá.

65

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICA 1. Alvarado, R. (2001). Calculo se sistema de vapor para la industria de concentrado de maracuya. Tesis de grado para la obtención del titulo de ingeniero mecanico. Escuela Politecnica del Litoral. Guayaquil, Ecuador. 2. Auleda, J., Hernández, E., y Raventós, M. (2008). Modelo para la predicción de los puntos de congelación de zumos. II Congreso Iberoamericano Sobre Seguridad Alimentaria, 1-8. 3. Ávila, R., y Bullón, J. (2013). La concentración de jugos de fruta: Aspectos básicos de los procesos sin y con membrana.Revista de la Facultad de Ingeniería. Revista de la Facultad de Ingeniería, 28(3), 65-76. 4. Ayala, A.,

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Lideres:

http://www.revistalideres.ec/lideres/cultivo-maracuya-produccion-ecuador.html 35. Taver. (2016). Catálogo Técnico. Recuperado el Marzo de 2017, de http://instaclack.com/pdf/catalogo_tecnico2.pdf 36. Toledo, R. (2007). Fundamentals of food process engineering (Tercera ed.). Springer Science y Business Media. 37. Torres, D. (2014). Diseño de cámara para la congelacion y almacenamiento de pan. (Tesis para optar al título de Ingeniero Técnico Industrial). Universidad Carlos III.Madrid. 38. Vaillant, F. (2016). Procesos innovadores de obtención de alimentos funcionales y bioactivos a pequeña y mediana escala. Recuperado el Marzo de 2017, de http://www.ue-inti.gob.ar/pdf/publicaciones/cuadernillo24.pdf 39. Vaillant, F. J. (2001). Concentration of passion fruit juice on an industrial pilot scale using osmotic evaporation. Journal of Food Engineering, 47(3), págs. 195-202.

69 40. Vasco, M. (2000). Influencia del proceso de microfiltración tangencial sobre el contenido de carbohidratos y polifenoles en la clarificación de maracuyá. (Tesis para optar al título de Ingeniero Químico). Escuela Politécnica Nacional. Quito, Ecuador. 41. Villarreal, L. (1999). Estudio de las condiciones de operación para la clarificación

de

jugo

de

maracuya

microfiltración tangencial. . Quito, Ecuador.

(Passiflora

Flavicarpa)

mediante

70

ANEXOS

71

ANEXO I NORMA TÉCNICA ECUATORIANA NTE INEN 1971:2012 1. OBJETO 1.1 Esta norma establece los requisitos generales que debe cumplir el maracuyá para ser consumido en estado fresco, incluído aquellos destinados al procesamiento industrial. 2. DEFINICIONES 2.1 Maracuyá. Fruto que pertenece a la familia Passiflorácea, género Passiflora, especie edulis, variedad flavicarpa degener (amarilla), variedad púrpura sims (morada), y se le conoce también con el nombre de Fruta de la Pasión. 2.2 Tipo de maracuyá. Para objeto de esta norma, es el carácter dimensional del maracuyá lo que permite clasificarlo por su tamaño. 2.3 Grado de maracuyá. Es el valor porcentual de defectos admitidos para un mismo tipo de maracuyá. 2.4 Maracuyá fuera de norma. Es aquel que no cumple con los requisitos establecidos por esta norma. 2.5Madurez de cosecha. Fruto que ha completado su desarrollo fisiológico dándole una consistencia firme y que conserva las características propias de la variedad, permitiendo su manipulación y transporte. 2.6Madurez uniforme. Estado de desarrollo homogéneo que alcanzará el maracuyá como resultado del proceso de maduración. 2.7 Sobremadurez. Estado que alcanza el fruto en el proceso de maduración, luego de completar su desarrollo fisiológico y se caracteriza por tener el mesocarpo arrugado por deshidratación. 2.8 Maracuyá fresca. Fruto que luego de la recolección, no sufre ningún cambio que afecte su maduración natural. 2.9 Maracuyá pintón. Cuando el fruto no ha alcanzado la madurez de cosecha y el color característico de la variedad, no se extiende en toda la superficie del fruto; el mesocarpio es parcialmente verde, duro e intensamente brillante. 2.10 Maracuyá defectuoso. Fruto con uno o más defectos que afecten su calidad comercial. 2.11Defectos tolerables. (Que no afecten la aptitud de consumo). Pequeñas manchas, rajaduras, magulladuras, decoloraciones, daños físicos o mecánicos que afecten superficialmente la presentación del maracuyá. 2.12 Defectos no tolerables. (Que afectan la aptitud de consumo). Lesiones causadas por microorganismos, hongos, bacterias, etc. insectos y otros; grietas, cortes, perforaciones, rajaduras y magulladuras profundas que afecten la presentación externa e interna del maracuyá. 3. CLASIFICACIÓN 3.1 El maracuyá, en función de su tamaño, según el diámetro ecuatorial, se clasifica como se indica en la tabla 1.

72 TABLA 1. Clasificación del maracuyá según su tamaño. TIPO I II III

Diámetro en mm Grande Más de 60 Mediano 50 - 59 Pequeño 40 - 49

TAMAÑO

3.2 Para cada tipo se establecen los grados de calidad, como se indica en la tabla 2. TABLA 2. Grados de calidad del maracuyá CARACTERÍSTICAS

Defectos tolerables % Diferencia de tamaño %

GRADO 1 MÁXIMO

GRADO 2 MÁXIMO

5

10

10

10

por defecto, por unidad de empaque en % de masa (peso)

4. DISPOSICIONES GENERALES 4.1 El maracuyá en cualquiera de los tipos de selección, debe presentar caracteres de forma, tamaño, color de pulpa y epidermis (cáscara) que caracterizan a la variedad. 4.2 La madurez de cosecha deberá permitir la conservación adecuada del producto en condiciones normales de manipuleo, almacenamiento y transporte. 5. REQUISITOS 5.1 El maracuyá para su consumo debe estar fisiológicamente bien desarrollado, limpio, entero, libre de daños ocasionados por ataque de insectos, enfermedades, magulladuras, podredumbre, cicatrices, cortaduras, sin humedad exterior anormal, con el aroma y sabor ácido agradable, jugoso, típico de la variedad. 5.2 Hasta que se expidan las Normas INEN correspondientes, para los límites máximos de residuos de plaguicidas y productos afines en alimentos, se adoptarán las recomendaciones del Códex Alimentarius. 5.3 Requisitos complementarios. La comercialización de este producto debe sujetarse con lo dispuesto en la Ley de Pesas y Medidas y las Regulaciones correspondientes. (Continúa)

73 6. MUESTREO 6.1 El muestreo del maracuyá se efectuará de acuerdo con la Norma NTE INEN 1750. 7. INSPECCIÓN 7.1Si la muestra inspeccionada no cumple con uno o más de los requisitos y parámetros establecidos en esta Norma, se repetirá la inspección en otra muestra. Cualquier resultado no satisfactorio en este segundo caso será motivo para considerar el lote como fuera de Norma, quedando su comercialización sujeta al acuerdo de las partes interesadas. 7.2 Si la muestra inspeccionada no cumple con el tipo y grado declarado en el rótulo o etiqueta del envase o embalaje, el proveedor deberá rectificar la información suministrada previamente a su aceptación. 8. MÉTODOS DE ENSAYO 8.1 El proceso de verificación de los requisitos del tamaño del producto, así como sus defectos, se realizará de acuerdo al Anexo A, de esta Norma. 9. EMBALAJE Y ROTULADO 9.1 Embalaje. El maracuyá debe comercializarse al granel o en cajas rígidas de madera, cartón, plástico rígido o una combinación de éstos, de una capacidad máxima de 15 Kg, que reúna las condiciones de higiene, ventilación y resistencia a la humedad, manipulación y transporte, de manera que garantice una adecuada conservación del producto. No se permitirá el uso de ninguna clase de relleno. 9.2 Rotulado. Las inscripciones en el rótulo se harán en el empaque, en uno de sus ladod, en etiquetas o impresiones con caracteres legibles, en español, y colocados de tal forma que no desaparezcan bajo condiciones normales de almacenamiento y transporte, debiendo contener la información mínima siguiente: - Nombre del producto - Tipo y grado de calidad, (INEN 1 971) - Contenido neto en kilogramos (Kg) - Nombre y dirección del empacador y/o cultivador - Lugar de origen del producto - Fecha de empaque

74

ANEXO A A.1 Determinación del tipo o tamaño A.1.1 El maracuyá puede clasificarse manualmente, mediante el uso de calibradores fijos confeccionados en madera u otro material adecuado, tal como se aprecia en la figura siguiente:

A.1.1.1 El maracuyá debe separarse según su tamaño y registrarse el número de cada tipo. A.1.2 El maracuyá puede clasificarse mecánicamente, mediante el uso de máquinas adecuadas. A.2 Defectos tolerables o no tolerables. A.2.1 El maracuyá debe separarse según sus defectos y registrarse el número de cada grado.

75

APÉNDICE Z Z.1 DOCUMENTOS NORMATIVOS A CONSULTAR

INEN 1 750 Hortalizas y frutas frescas. Muestreo. INEN 1 751 Hortalizas y frutas frescas. Terminología y clasificación. Z.2 BASES DE ESTUDIO Norma Colombiana ICONTEC 1 267 “Maracuyá”. Instituto Colombiano de Normas Técnicas (Primera revisión). 1976. Memorias del Curso sobre “Cultivo, Procesamiento y Comercialización de Maracuyá”. Instituto Latinoamericano de Fomento Industrial. 1991.

76

ANEXO II RESUMEN DE CÁLCULOS DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Y DENSIDAD DE LA PULPA Y EL CONCENTRADO DE MARACUYÁ Tabla AII.1. Resumen de cálculos de k y ρ para la pulpa de maracuyá Fracción másica (X) agua 0,070 carbohidratos 0,160 hielo 0,770 1,000 ∑ Material

k

ρ

X/ρ

Vi

Vi∙k

0,532 0,171 2,385

995,614 1565,309 919,504

7,03E-05 1,02E-04 8,37E-04 1,01E-03

0,070 0,101 0,829 1,000

0,037 0,017 1,978 2,032

Tabla AII.2. Resumen de cálculos de k y ρ para el concentrado de maracuyá Fraccion masica (X) agua 0,030 carbohidratos 0,600 hielo 0,370 1,000 ∑ Material

k 0,532 0,171 2,385

ρ 995,614 1565,309 919,504

X/ρ 3,01E-05 3,83E-04 4,02E-04 8,16E-04

Vi 0,037 0,470 0,493 1,000

Vi∙k 0,020 0,081 1,176 1,277

77

ANEXO III EJEMPLO DE CÁLCULO PARA DE NÚMERO DE MÓDULOS Y TIEMPO DE RESIDENCIA EN MFT Reemplazando en la ecuación 3.8 el Flux y el área efectiva de la membrana, considerando el uso de dos modulos: flujo de permeado = 12

L L ∗ 2 ∗ 4,56m> = 121,68 > h h∙m

Multiplicando por la densidad: 121,68

kg 0,001 mA kg L ∗ 1049 A ∗ = 127,64 m h L h

Para el diseño se considera dividir la producción en dos batch: mitad de la carga = ∴ 608,68

1217 kg = 608,68 día ∙ batch 2

kg h ∗ = 4,7 ≈ 5 horas día ∙ batch 127,64 kg de permeado

A medida que aumenta el número de módulos el tiempo de operación disminuye.

78

ANEXO IV EJEMPLO DE CÁLCULO PARA DE NÚMERO DE MÓDULOS Y TIEMPO DE RESIDENCIA EN EO ”•–—˜ ™š ›œ–› š›ž˜Ÿ›™› = 0,6

 œ ™š ›œ–› š›ž˜Ÿ›™›  œ ∗ 6 ∗ 14 ¢> = 50,4 > ℎ ℎ∙¢

La carga de agua evaporada del balance de masa se divide para 2 batch: mitad de la carga = ∴ 468,7

kg 937,35 = 468,7 día ∙ batch 2

kg h ∗ = 9,3 ℎ˜Ÿ›£ día ∙ batch 50,4 kg de agua evaporada

79

ANEXO V PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN DEL CONCENTRADO Y RETENIDO DE MARACUYÁ

AV.1. Concentrado T$E = 1,8 + 0,263TK + 0,105T%

T$E = 1,8 + 0,263(−20) + 0,105(−35) T$E = −7,135 °C

∆HR = ρ' c' (T- − T$E )

¤¥ = ¦R + ¦> ¤R + ¦> ¤>

∆HR = 1 300 ∗ 2 176,2 ∗ §24,1 − (−7,135)¨ = 88 365 689,1 ∆H> = ρ$ [L$ +c$ (T$E − TK )]

J mA

∆H> = 1 225,74[133600 + 1 339,4(−7,135 − (−20))] = 184 880 040,9

∆TR = U

T- + T$E ∆TR = U W − T% 2

24,1 + (−7,135) W − (−35) = 43,48 2 ∆T> = T$E − T%

∆T> = (−7,135) − (−35) = 27,87

NJ- =

hdK 10(0,00725) = = 0,06 1,277 k E$ = 1,15

Reemplazando los cálculos anteriores en la ecuación de Pham: t=

NJdK ∆HR ∆H> P + S U1 + W E$ h ∆TR ∆T> 2

J mA

80 0,00725 ¬ 88 365 689,1 184 880 040,9 0,06 2 P + S U1 + W = 5 640,66 segundos t= 1,146 ∗ 10 43,48 27,865 2 «

t = 1,57 horas

AV.2. Retenido T$E = 1,8 + 0,263TK + 0,105T%

T$E = 1,8 + 0,263(−20) + 0,105(−35) T$E = −7,135 °C

∆HR = ρ' c' (T- − T$E )

∆HR = 1 049 ∗ 3 652,67 ∗ §24,1 − (−7,135)¨ = 57 992 003 ∆H> = ρ$ [L$ +c$ (T$E − TK )]

J mA

∆H> = 990,17[280 894 + 1893,29(−7,135 − (−20))] = 302 249 193 T- + T$E ∆TR = U W − T% 2

J mA

8 + (−7,135) W − (−35) = 35,43 ∆TR = U 2 ∆T> = T$E − T%

∆T> = (−7,135) − (−35) = 27,87

NJ- =

hdK 10(0,01025) = = 0,05 2,032 k

¤¥ = ¦R + ¦> ¤R + ¦> ¤> = 1,23

Reemplazando los cálculos anteriores en la ecuación de Pham: t=

dK ∆HR ∆H> NJP + S U1 + W E$ h ∆TR ∆T> 2

0,01025 « ¬ 57 992 003 302 249 193 0,05 2 P + S U1 + W = 5 333,68 segundos t= 35,43 27,865 2 1,23 ∗ 10 = 1,48 horas

81

ANEXO VI CATÁLOGO TÉCNICO TAVER® PARA CÁMARAS DE REFRIGERACIÓN

Figura AV.1. Catálogo técnico para paneles de refrigeración Taver®

82

ANEXO VII PROPIEDADES DEL AIRE SECO A PRESION ATMOSFÉRICA

83

ANEXO VIII CARTAS PSICROMÉTRICAS

84

85

ANEXO IX BALANCE DE MASA AIX.1 BALANCE DE MASA EN LA RECEPCIÓN

A

RECEPCIÓN

B

Figura AIX.1. Proceso de recepción Corriente 1: A = 5 500

kg de fruta fresca día

Corriente 2:

B = 5 500

A=B

kg de fruta pesada día

AIX.2 BALANCE DE MASA EN LA CLASIFICACIÓN

B

CLASIFICACIÓN

C

D Figura AIX.2. Proceso de clasificación B= C+D Corriente 3: D = 0,05 (5 5500) D = 275

kg de fruta de rechazo día

kg de fruta de rechazo día

86 Corriente 4: C=B−D

C = 5 500 − 275 = 5 225

kg de fruta clasificada día

AIX.3 BALANCE DE MASA EN EL LAVADO Y DESINFECCIÓN

D C

LAVADO Y DESINFECCIÓN

E

F Figura AIX.3. Proceso de lavado y desinfección C+D=E+F Corriente 5: Para el cálculo de la corriente 5 hay un sub proceso de cloración del agua

D2 D1

CLORACIÓN

D

Figura AIX.4. Proceso de cloración

D1 = 2,5

D1 + D2 = D

L de agua L de agua ∗ 5 225kg de fruta = 13 062 día kg de fruta × día

87 D2 = 50

1kg de cloro mg de cloro ∗ 13 062 kg de agua ∗ 1000mg de cloro kg de agua × día

= 653,13

kg de cloro día

D = 13 062 + 653,13 = 13 715

kg de agua clorada día

Corriente 6: D = F = 13 715

kg de agua con impurezas día

Corriente 7: C = E = 5 225

kg de fruta lavada día

AIX.4 BALANCE DE MASA EN EL DESPULPADO

E

DESPULPADO

F

G Figura AIX.5. Proceso de despulpado E= F+G Corriente 8: G=

5 225 kg de fruta lavada 64 kg cáscaras y semillas ∗ día 100 kg de fruta lavada = 3 344

kg de cáscaras y semillas día

Corriente 9: F = 5 225 − 3 344 = 1 881

kg de pulpa de maracuyá día

88 AIX.5 BALANCE DE MASA EN EL CENTRIFUGADO DE LA PULPA

F

CENTRIFUGADO

H

I Figura AIX.6. Proceso de centrifugado F=H+I Corriente 10: H = 1 881 kg de pulpa de maracuyá ∗ = 56,43

3 kg de almidones 100 kg de pulpa de maracuyá

kg de almidones día

Corriente 11: I = 1881 − 56,43 = 1 824,57

kg de pulpa centrifugada día

AIX.6 BALANCE DE MASA EN LA HIDROLISIS ENZIMÁTICA

J I

HIDROLISIS ENZIMATICA

K

Figura AIX.7. Proceso de hidrólisis enzimática I= J+K Corriente 12: J = 1824,57

kg de pulpa 1 ml de c. enzimático 1,049 g 1 kg ∗ ∗ ∗ 1 kg de pulpa ml 1000g día = 1,91 kg c. enzimático

89 Corriente 13: K = 1824,57 + 1,91 = 1 826,48

kg de pulpa hidrolizada día

AIX.7 BALANCE DE MASA EN LA MICROFILTRACIÓN

K

MICROFILTRACIÓN

M

L Figura AIX.8. Proceso de microfiltración K=L+M Corriente 14: L = 1 826,48

kg de pulpa hidrolizada 33,35 kg retenido ∗ día 100 kg de p. hidrolizada

= 609,13

kg de retenido día

Corriente 15: M = 1826,48 + 609,13 = 1 217,35

kg de permeado día

AIX.8 BALANCE DE MASA EN LA EVAPORACIÓN OSMÓTICA

N M

EVAPORACIÓN OSMÓTICA

P

O Figura AIX.9. Proceso de evaporación osmótica

90 N representa la salmuera, en el proceso de evaporación osmótica la salmuera no se mezcla con el jugo, consecuentemente en el balance general O representa la salida de agua del permeado. Por lo tanto: M= O+P Corriente 16: P = 1 217,35

kg de concentrado kg de permeado 23 kg concentrado ∗ = 280 100 kg de permeado día día

Corriente 17: En el proceso de evaporación osmótica se lleva a cabo un sub proceso de regeneración de salmuera, el agua que sale del permeado de maracuyá es absorbida por la salmuera, saliendo del sistema de evaporación osmótica una salmuera hidratada. Para calcular la salmuera se realiza una relación de flujos volumétricos: jugo permeado 146 = = 0,6 242 salmuera A partir del flujo de jugo permeado: 1 217,35

mA 1000 L L de permeado kg de permeado ∗ ∗ = 1 160,48 A m día día 1049 kg

Reemplazando en la relación de flujos volumétricos: 1 160,48 = 0,6 salmuera

flujo de salmuera = 1 934,13

L día

A partir de la densidad de la sal a la concentración establecida se puede conocer el flujo másico de salmuera necesario para el proceso: 1 934,13 L 1,470kg kg de CaCl2 ∗ = 2 843,18 (Solución 5,3 M) día L día Corriente 18:

91 O = 1 217,35

= 937,35

kg de permeado 77 kg agua evaporada ∗ 100 kg de permeado día

kg de agua evaporada día

Corriente 19: m(%)E'6G% 3-.G%F%.% = 937,35 + 2843,18 = 3780,53

kg de salmuera hidratada día

A partir del flujo másico de la salmuera 5,3 M, se determina cuanto de insumo de CaCl2 se requiere: m‘%‘)2 = 1 934,13

L 5,3 moles CaCl2 40,08 g CaCl2 1 kg deCaCl2 ∗ ∗ ∗ 1 mol CaCl2 1000 g CaCl2 día 1 L solución

= 410,86 kg de CaCl2

92

ANEXO X HOJAS DE ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS PRINCIPALES PARA EL PROCESAMIENTO DE CONCENTRADO DE MARACUYÁ Tabla AX.1. Hoja de especificación de la balanza industrial HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 1 Nombre del equipo: Balanza industrial Fabricante:

Mettler Toledo Dimensiones

Alto: Ancho: Profundidad:

90 mm 1 250 mm 1500 mm

Material: Acero inoxidable Numero en Planta: BA-101 Parámetros de diseño Capacidad: hasta 1500 kg

Principio de funcionamiento: Plataforma de pesaje de maracuyá de forma rápida con terminal digital. Modalidad de Operación: Batch Esquema del Equipo:

93 Tabla AX.2. Hoja de especificación de la banda transportadora HOJA DE ESPECIFICACIÓN NO. 2 Nombre del equipo: Banda transportadora Fabricante:

Vulcano

Dimensiones Alto: Ancho: Largo

800 mm 600 mm 4 500 mm

Material: Acero inoxidable Numero en Planta: BT-102 Parámetros de diseño Potencia: 1.12 kW

Principio de funcionamiento: Equipo para clasificación y transporte del maracuyá

Modalidad de Operación: Continua Esquema del Equipo:

94

Tabla AX.3. Hoja de especificación de la lavadora de frutas HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 3 Nombre del equipo: Lavadora de inmersión con aspersión Fabricante:

Citalsa

Dimensiones Alto: Ancho: Profundidad:

1 738 mm 1 028 mm 2 233 mm

Material: Inox Numero en Planta: LA-103 Parámetros de diseño Capacidad de procesamiento: hasta 1000 kg/ hora Potencia bomba: 1,12 kW Potencia motorreductor: 0,9 kW

Principio de funcionamiento: El equipo consta de un tanque donde se genera turbulencia, unas duchas de aspersión plana para lavar el producto que una vez lavado sube por un elevador.

Modalidad de Operación: Continua Esquema del Equipo:

95 Tabla AX.4. Hoja de especificación de la despulpadora HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 4 Nombre del equipo: Despulpadora Fabricante:

Vulcano

Dimensiones Alto: Ancho: Profundidad:

1 600 mm 950 mm 1 800 mm

Material: Acero inoxidable AISI 304 Numero en Planta: DP-201 Parámetros de diseño Capacidad:500 kg/h Potencia: 5,59 kW

Principio de funcionamiento: Se basa en alimentar la tolva con fruta fresca, el equipo consta con una pre-cámara de proceso con cuchillas de corte que permite la separación de la cáscara con pulpa y las semillas, la misma que va a pasar por un tamiz provisto de paletas que empujan la pulpa contra el tamiz y separa el jugo de las semillas.

Modalidad de Operación: Batch

Esquema del Equipo:

96 Tabla AX.5. Hoja de especificación de la decantadora centrífuga HOJA DE ESPECIFICACIÓN NO. 5 Nombre del equipo: Decantadora centrifuga Fabricante:

Pieralisi

Dimensiones Alto: Ancho: Profundidad:

1 095 mm 825 mm 1 660 mm

Material: Acero inoxidable 304 Numero en Planta: DC-203 Parámetros de diseño Capacidad: 2500 L/h Potencia motor principal: 5,5 kW Potencia motor limpiador: 0,18 kW

Principio de funcionamiento: Se basa en la separación de componentes sólidos y líquidos mientras gira a gran velocidad (6000 rpm), en este caso va a separar los almidones contenidos en el jugo. Modalidad de Operación: Batch

Esquema del Equipo:

97 Tabla AX.6. Hoja de especificación del tanque enchaquetado HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 6 Nombre del equipo: Tanque enchaquetado Fabricante:

Packo

Material: Acero inoxidable 304 Numero en Planta: TC-204 Parámetros de diseño Capacidad: 1000

Dimensiones 2 050 mm L Alto (A): 1 700 mm Ancho (C): 1 620 mm Profundidad (B): Principio de funcionamiento: Consiste en el calentamiento de una chaqueta de vapor que rodea el equipo. El calentamiento se realiza haciendo circular el vapor a presión.

Modalidad de Operación: Batch

1.

ESQUEMA DEL EQUIPO:

B

98 Tabla AX.7. Hoja de especificación del módulo de microfiltración tangencial HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 7 Nombre del equipo: Modulo de microfiltración tangencial Material: Acero inoxidable 316 Numero en Planta: MF-302 Dimensiones Parámetros de diseño 2 800 mm Membrana: cerámica de 100 nm Alto: (0,1µm) de diámetro de poro 1 000 mm Ancho: Potencia 1 500 mm Profundidad: Area efectiva: 5,07 Principio de funcionamiento: Por acción de la presión transmembranaria permite la separación de partículas de mayor tamaño (retenido) y recolectándose el permeado en un tanque de almacenamiento. Fabricante:

Tia

Modalidad de Operación: Continua

Esquema del Equipo*:

*La imagen es referencial, ya que el modulo propuesto en este trabajo utiliza dos módulos de membranas de cerámica

99 Tabla AX.8. Hoja de especificación del pasteurizador tubular HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 8 Nombre del equipo: Pasteurizador tubular Fabricante:

Voran

Dimensiones Alto: Ancho: Profundidad:

1 827 mm 914 mm 1 617 mm

Material: Acero inoxidable Numero en Planta: PA-309 Parámetros de diseño Capacidad: 600 L/h Potencia del sistema de calefacción: 55 kW Carga conectada: 1,1 kW

Principio de funcionamiento: EL producto es sometido a un tratamiento controlado de aumento de temperatura seguido por un enfriamiento consiguiendo reducir la carga de microorganismos indeseables. Modalidad de Operación: Continua

Esquema del Equipo:

100 Tabla AX.9. Hoja de especificación del módulo de evaporación osmótica HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 9 Nombre del equipo: Evaporador Osmótico Fabricante:

Mycrodin

Dimensiones Alto: Ancho: Profundidad:

1330 mm 266 mm 266 mm

Material: Acero inoxidable 316 Numero en Planta: EO-304 Parámetros de diseño Área efectiva de membrana: 14 m2

Principio de funcionamiento: Por un diferencial de presión entre la salmuera y el jugo diluido, el agua del jugo se encapsula en forma de vapor en los poros de la membrana hidrofóbica, la salmuera capta el vapor hidratándose y el concentrado es depositado en un recipiente hermético. Modalidad de Operación: Continua

Esquema del Equipo:

101 Tabla AX.10. Hoja de especificación del evaporador de flujo descendente HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 10 Nombre del equipo: Evaporador de flujo descendente Fabricante:

SiccaDania

Dimensiones Alto: Ancho: Profundidad:

6000 mm 2000 mm 2000 mm

Material: Acero inoxidable Numero en Planta: EV-305 Parámetros de diseño Capacidad nominal de evaporación: 250 kg/h Consumo de vapor: 1 kg de vapor por kilogramo de agua evaporada

Principio de funcionamiento: Se alimenta por la parte superior el flujo a evaporar generando una caída descendente por un área provista de calor por vapor que permitirá la concentración del fluido, se recoge por la parte inferior el vapor y el producto concentrado.

Modalidad de Operación: Esquema del Equipo:

Continua

102

Tabla AX.11. Hoja de especificación de la envasadora de líquidos automática HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 11 Nombre del equipo: Envasadora de líquidos automática Material: Acero inoxidable Numero en Planta: EN-401 Dimensiones Parámetros de diseño 1 900 mm Capacidad: 1800 bolsas/hora Alto: Potencia del motor: 0,37 kW 750 mm Ancho: Potencia Sellador Vertical: 0,3 kW 850 mm Profundidad: Potencia Sellador Horizontal por impulso: 1 kW Potencia de la lámpara de esterilización ultravioleta: 15 kW Principio de funcionamiento: El producto es alimentado por la parte superior y el equipo envasa de acuerdo a las especificaciones previamente calibradas Fabricante:

Thor

Modalidad de Operación: Continuo Esquema del Equipo:

103 Tabla AX.12. Hoja de especificación de la cámara de congelación HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 12 Nombre del equipo: Cámara de congelación Material: Poliuretano Numero en Planta: Dimensiones Parámetros de diseño 2 500 mm Capacidad: 12,5 m3 Alto: Potencia de la cámara: 2 000 mm Ancho: 1,51 kW 2 500 mm Profundidad: Principio de funcionamiento: Es un área aislada térmicamente, consiste en extraer el calor que existe dentro de ella mediante un sistema de congelación o evaporador. Fabricante:

Modalidad de Operación: Batch Esquema del Equipo:

Intarcon

104

Tabla AX.13. Hoja de especificación del generador de vapor o calderín HOJA DE ESPECIFICACIÓN No. 13 Nombre del equipo: Generador de vapor o calderín

Fabricante:

Stritzel

Dimensiones Alto: Ancho: Profundidad:

950 mm 550 mm 1000 mm

Material: Acero inoxidable Numero en Planta: Parámetros de diseño Potencia: 60 kW

Principio de funcionamiento: Generador de vapor de agua por transferencia de calor mediante una superficie en contacto.

Modalidad de Operación: Continuo

Esquema del Equipo:

105

ANEXO XI CALCULO DE DISEÑO DE TANQUES PULMÓN Teniendo en cuenta la capacidad de almacenamiento que deben tener los tanques y con la densidad del flujo se calcula el volumen: µ=

¢ ¶

Donde: ¶·¸¹·º »¼½¾¿¹¼Àº½º = 1049 ¶·¸¹·º »¼½¾¿¹¼Àº½º = 1043

 œ ¢A  œ ¢A

Se toma los flujos másicos obtenidos en el balance de masa y se divide para dos ya que la producción se dividió en dos batch. µ·¸¹·º »¼½¾¿¹¼Àº½º = µ·Â¾Ãº½¿ = µ¾ÂÄÂż½¿ =

1 000 = 0,95¢A 1049

610 = 0,58¢A 1049

305 = 0,29¢A 1049

µÆ¿ÅÆÂÅľº½¿ =

285 = 0,27¢A 1043

Se considera un diseño de relación altura- diámetro de 2:1, por lo tanto: µ=

Ç Ç > È É = È> (2È) 4 4 „ 2µ È=‚ Ç

„ 2 ∗ 0,95 = 0,85 ¢ ∴ É = 1,69 ¢ È·¸¹·º »¼½¾¿¹¼Àº½º = ‚ Ç

106 ȷ¾Ãº½¿ = ‚ „

2 ∗ 0,58 = 0,72 ¢ ∴ É = 1,44 ¢ Ç

„ 2 ∗ 0,29 = 0,72 ¢ ∴ É = 1,14 ¢ ȾÂÄÂż½¿ = ‚ Ç „ 2 ∗ 0,27 = 0,56 ¢ ∴ É = 1,12 ¢ ÈÆ¿ÅÆÂÅľº½¿ = ‚ Ç

Para determinar el espesor: Ê=

Ë. È 2Ì ∗ ¤ − 0,2Ë

Donde la presión de diseño: Ë = 14,7 + 30 = 44,7 ËÌÍ S= 89 923,56 PSI E= 0,7 Ê·¸¹·º »¼½¾¿¹¼Àº½º =

ʷ¾Ãº½¿ = ʾÂÄÂż½¿ =

44,7 ∗ 0,85 ∗ 1000 = 0,30 ¢¢ 2 ∗ 89923,56 ∗ 0,7 − 0,2 ∗ 44,7

44,7 ∗ 0,72 ∗ 1000 = 0,25 ¢¢ 2 ∗ 89923,56 ∗ 0,7 − 0,2 ∗ 44,7

44,7 ∗ 0,57 ∗ 1000 = 0,20 ¢¢ 2 ∗ 89923,56 ∗ 0,7 − 0,2 ∗ 44,7

ÊÆ¿ÅÆÂÅľº½¿ =

44,7 ∗ 0,56 ∗ 1000 = 0,20 ¢¢ 2 ∗ 89923,56 ∗ 0,7 − 0,2 ∗ 44,7

107

ANEXO XII TABLAS DE VAPOR SATURADO

108

ANEXO XIII CALCULOS DE BALANCE DE ENERGÍA AXIII. Vapor necesario en hidrólisis enzimática Tomando en cuenta que: ¢Î¸Ï¿ зθϿ ∆Ñ = ¢Òº·¿¾ ӞҺ·¿¾ ¢Òº·¿¾ =

¢Î¸Ï¿ зθϿ ∆Ñ ÓžÒº·¿¾

∆Ñ = є − ј

∆Ñ = 32,5 − 24,1 = 8,4 °Ð Entonces, el vapor necesario para calentar 913,24 es: ¢Òº·¿¾ =

913,24 ∗ 3,652 ∗ 8,4 = 12,40  œ 2258

AXIII. Vapor necesario en microfiltración tangencial Tomando en cuenta que: ¢Òº·¿¾ =

¢Î¸Ï¿ зθϿ ∆Ñ ÓžÒº·¿¾

∆Ñ = є − ј

∆Ñ = 34 − 32,5 = 1,5 °Ð El calor específico del jugo de maracuyá en MFT:

¢Òº·¿¾ =

c‹ = 3,652 kJ/kg ∙ K

913,24 ∗ 3,652 ∗ 1,5 = 2,22  œ 2258

109

ANEXO XIV CALCULOS PARA DETERMINAR LA POTENCIA DE LAS BOMBAS Aplicando Bernoulli: Ë> Ö> > ËR ÖR > + + ØR + ÉÙ = + + Ø> + É¥ Õ 2œ Õ 2œ Donde: ÚÛ Ü

Ý

ډ Ü

: Se anulan ya que se trabaja a presión atmosférica

ÖR : Velocidad del fluido en el punto 1

Ö> : Velocidad del fluido en el punto 2

ØR Ý Ø> : Alturas en los puntos 1 y 2 respectivamente

ÉÙ : Altura de la bomba

É¥ : Perdidas por fricción ÖR =

Þ ¢/¶ =Ç ß Èà > 4

Ejemplo en la corriente 9: Se usará tubería de 1” con un diámetro interno de 30,1 mm 940,5/1048 ¢ ÖR = Ç = 0,135 £ 0,0301> 4 Además se calcula el número de Reynolds (Re) a fin de conocer si el flujo es laminar o turbulento. ⚠= Donde: Õ: Viscosidad cinemática

ÖÈà Õ

110 La viscosidad en esa corriente es igual a 6,87 cps ¢> ã 0,00687 @B = 6,55ä10 Õ= = 1048 £ ¶ ∴ ⚠=

0,135 ∗ 0,0301 = 618,18 6,55ä10@B

Re es menor a 2000 por lo tanto es un flujo laminar, por lo tanto el factor de fricción (f): ”=

64 64 = = 0,1034 ⚠618,18

Para determinar las perdidas por fricción se debe conocer cuántos codos y válvulas se utilizará en ese tramo de tubería. Para la corriente 9 se empleará 3 codos y 1 válvula de bola abierta. HJ = Z> − ZR + f HJ = 1,09 − 0,6 + 0,1034 PotenciaF6óG-K% =

Lϑ> + H$æççèéêëìêé Di ∗ 2g

2,29 ∗ 0,135> + 10,69 = 11,19 m 0,0301 ∗ 2 ∗ 9,81

QρgHJ 9,59x10@î ∗ 1048 ∗ 9,81 ∗ 11,19 = = 0,15 HP 75 75

0 0 0 0

Ingreso por ventas

Costos directos

Carga fabril

Gastos de ventas

Flujo descontado

Flujo Neto

Amortización del préstamo -1655054

0

Flujo de efectivo operacional

281590

241365

0

241365

50957

0

50957

Depreciaciones

0

Depreciaciones

68077

309443

190408

0

Impuestos (22%)

Utilidad Neta

0

Utilidad Marginal

1085797

76841

0 0

20767

10014

320227

657948

0

Costos totales

Gastos administrativos Mano de obra directa

1395240

Año 1

Año 0 -1655054

Concepto

Inversión inicial

276326

316366

0

316366

50957

265409

50957

89231

405598

1059404

80683

21805

10515

336238

690845

1465002

Año 2

271162

332185

0

332185

50957

281228

50957

93693

425878

1112375

84717

22896

11041

353050

725388

1538252

Año 3

266093

348794

0

348794

50957

297837

50957

98378

447171

1167993

88953

24040

11593

370703

761657

1615165

Año 4

261119

366233

0

366233

50957

315276

50957

103297

469530

1226393

93401

25242

12173

389238

799740

1695923

Año 5

256239

384545

0

384545

50957

333588

50957

108461

493007

1287713

98071

26505

12781

408700

839727

1780719

Año 6

Año 7

251449

403772

0

403772

50957

352815

50957

113885

517657

1352098

102974

27830

13420

429135

881713

1869755

FLUJO DE CAJA DEL PROYECTO

ANEXO XV

246749

423961

0

423961

50957

373004

50957

119579

543540

1419703

108123

29221

14091

450592

925799

1963243

Año 8

242137

445159

0

445159

50957

394202

50957

125558

570717

1490688

113529

30682

14796

473121

972089

2061405

Año 9

237611

467417

0

467417

50957

416460

50957

131836

599253

1565223

119206

32216

15536

496777

1020693

2164475

Año 10

111