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Universidad Politecnica del Valle de Toluca
DISEÑO DE PROCESO DE ELABORACIÓN DE MERMELADA DE KIWI
Operaciones unitarias Alumnos: García de la Rosa Emmanuel Gil Soto Alejandro Garduño Viverio Diana Laura Lara Escalona Ariadna Alexia Moreno Gonzalez Elizabeth Olin Romero Diana Laura Solis Suarez Jose Carlos
Profesora:
30-6-2015
Chávez Velázquez Aryana
CONTENIDO INTRODUCCION ....................................................................................................................... 2 JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................ 3 OBJETIVO ................................................................................................................................. 4 RECETA .................................................................................................................................... 5 DIAGRAMA DE EQUIPOS Y PROCESO PROCESO ................................................................................... 6 PROCESO A NIVEL INDUSTRIAL ...........................................................................................12 Diagrama...............................................................................................................................13 Materia prima ........................................................................................................................14 Equipo...................................................................................................................................17 Descripción del proceso ........................................................................................................18 BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA .........................................................................................................................22
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INTRODUCCION La mermelada es una conserva de fruta cocida en azúcar. Aunque la proporción de fruta y azúcar varía en función del: •
Tipo de mermelada
•
Punto de maduración de la fruta
•
pH
•
Otros factores
El punto de partida habitual es que sea en proporción 1:1 en peso. Cuando la mezcla alcanza los 104 °C, el ácido y la pectina de la fruta reaccionan con el azúcar haciendo que al enfriarse quede sólida la mezcla. Para que se forme la mermelada es importante que la fruta contenga pectina. Algunas frutas que tienen pectina son: las manzanas, los cítricos, y numerosas frutas del bosque, exceptuando las fresas y las zarzamoras, por ejemplo. Para elaborar mermelada de estas frutas la industria añade pectina pura, pero el método casero consistía en añadir otra fruta con abundante pectina al dos por ciento (manzanas o jugo de limón, por ejemplo). Para las mermeladas vendidas envasadas, la legislación de la Unión Europea establece que deberán contener un mínimo de 35% de fruta (25% para algunas frutas rojas y el membrillo). Para la calidad "extra", estos porcentajes se elevan respectivamente a 45% y 35%. Las mermeladas de cítricos tienen que contener un mínimo de 20% de fruta del que un 75% deberá proceder de la piel.
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JUSTIFICACIÓN El siguiente trabajo es una investigación del proceso industrial en la elaboración de la mermelada, un proceso industrial se define como una serie de pasos ordenados y sistematizados efectuados de forma alternativa, análoga o simultánea con el único fin de obtener un producto de forma efectiva y rápida, Enfocados en un análisis de operaciones unitarias el trabajo tiene el fin mostrar el manejo y dominio de los diagramas de flujo aplicados tanto en el proceso general de su producción partiendo desde la obtención de materia prima hasta su envasado hasta la contención de los equipos y operaciones unitarias llevadas a cabo en las maquinarias utilizadas. El desarrollar un ejercicio como el que se mostrara a continuación tiene como objetivo preparar a él alumno en la industria, ya que en muchas ocasiones es más viable por razones de tiempo leer y comprender un diagrama de proceso que los manuales del equipo, otro fin que se busca con la elaboración del siguiente documento darse cuenta que se puede reprocesar y dar utilidad a todas los metabolitos o productos secundarias obtenidos del proceso. Pensando en desarrollarnos de una forma visionaria y competitiva al mercado, cambiamos la utilización de los frutos típicos de la mermelada por nuevos, en este caso al kiwi debido a su alto contenido de magnesio y fibra que previene el estreñimiento y mejora el tránsito intestinal y por su contenido de ácido fólico que reduce el riesgo cardiovascular y de espina bífida durante el embarazo.
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OBJETIVO Identificar el proceso de produccion de mermelada de kiwi así como diseñar un diagrama de flujo para la produccion industrial de la misma correlacionando cada etapa con las operaciones unitarias pertinentes
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RECETA
Ilustración 1 Flujograma produccion de mermelada de kiwi
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DIAGRAMA DE EQUIPOS Y PROCESO
En este diseño se definen las variables operacionales del proceso y se establecen los parámetros de control de las operaciones del diagrama de flujo. En el procesamiento de productos alimenticios, se recomienda usar equipos y utensilios de color blanco y de materiales fáciles de lavar y no sean de materiales que absorben fácilmente la humedad.
Ilustración 2 Pasos para produccion de mermelada
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Selección
La selección se debe de realizar en base a las CARACTERÍSTICAS DE LAS MATERIAS PRIMAS E INSUMOS. 1.
se hace una selección de acuerdo a características externas
2.
se seleccionan un lote de kiwis para realizar la medición de pH y grados Brix. Para las mediciones de los grados Brix en el kiwi se necesita un refractómetro de baja (hasta 18 °Brix). En el caso de las mediciones del pH, es conveniente un pH-metro digital de mano.
3.
Pesado de materia prima: Para determinar el rendimiento del proceso, se pesa la cantidad a procesar de kiwis en una báscula digital de capacidad máxima de 100 kg.
Ilustración 3 Selección y pesado de materia prima
Lavado (desinfección y enjuague):
El lavado se realiza con el propósito de retirar toda la suciedad que el kiwi haya adquirido durante: pos-cosecha, transporte o traslado. El lavado se hace en base a una desinfección con agua clorada a una concentración de 200mg/l durante 5 minutos. En dicho tiempo, los kiwis se cepillan para remover la suciedad presente. Para el lavado y enjuague se utilizan piletas de concreto revestida de azulejos con dos compartimientos o de acero inox. , cada uno con dimensiones: 1 m de largo x 1m de ancho x 1.5 m de alto. En la primera pileta se realiza el cepillado de los kiwis sumergidos en agua clorada, en una segunda pileta la desinfección de las mismas. En
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una pileta de enjuague, los kiwis se rocían con abundante agua para retirar todo el cloro remanente
Ilustración 4 Equipo de Lavado
Pelado/Cortado:
En esta etapa se separa la cáscara de la pulpa del kiwi. Para facilitar la operación se utiliza una peladora automática ORKI. Con esta peladora se pueden procesar a su vez cítricos y kiwis. Después, las frutas solamente tienen que ser cortadas en trozos o segmentos. Después de la selección de la fruta a procesar, la determinación del tamaño de la fruta y del espesor de la cáscara en la pantalla, la máquina puede procesar cada fruta (diámetro del producto: 60 – 120 mm) con el pre-ajuste del diámetro correspondiente. Para obtener un resultado óptimo con cítricos hay que tener cuidado con el espesor de la cáscara. En caso de un sistema unitario la descarga del producto se efectúa en cajas, en caso de dos máquinas conectadas, el transporte de las cáscaras y del producto se realiza a través de bandas transportadoras.
Ilustración 5 Peladora Automatica
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Reducción de tamaño (trituración)
Esta etapa de trituración de la pulpa se realiza en una licuadora semi-industrial de acero inoxidable (capacidad: 25 litros). El traslado de la pulpa hacia la licuadora se realiza en baldes plásticos con agarraderos (capacidad: 22 litros); ya depositada la pulpa en el recipiente de la licuadora se realiza una trituración gruesa (no es necesario agregar agua, solamente se debe evitar obstruir las aspas de la licuadora). Posterior a ello, el jugo se deposita en el mismo recipiente y se procede a pesar el contenido.
Ilustración 6 Trituradora
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Ilustración 7 Diagrama de Proceso con equipos
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PROCESO A NIVEL INDUSTRIAL Para la elaboración de mermelada de kiwi a nivel industrial es necesario realizar un escalamiento del proceso artesanal, pero en este caso es necesario conocer específicamente los equipos, materia prima y secuencia de operaciones para obtener un mayor rendimiento y a su vez reducir los costos de produccion, con este objetivo es que a continuación se presenta un diagrama de produccion de mermelada de forma industrial, posteriormente se identifican mediante una imagen la descripción de corrientes, funcionamiento de válvulas incluidas, así como la descripción del proceso.
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Diagrama
Ilustración 8 Diagrama de Producción industrial de Mermelada de Kiwi
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Materia prima
Además de la fruta, mermelada contiene azúcar u otros edulcorantes, pectina, ácido y agua. El azúcar y el ácido causan la pectina de someterse a un cambio físico, cuando las condiciones son las adecuadas, la formación de un gel en el que se suspende la fruta. La acidez activa (pH) debe ser cuidadosamente controlado para obtener una formación de gel. Las mermeladas pueden prepararse a partir de frutas frescas, congeladas o enlatadas o pulpa de SO2. Sólo fruta completamente madura de color característico, sabor y textura debe ser utilizado. La fruta fresca y congelada producir la mejor mermelada de calidad. KIWI VERDE “Hayward’. (Actinidia deliciosa) Es la especie más ampliamente cultivada
en el mundo. Como su nombre indica, tiene una pulpa de color verde brillante y un sabor acidulado, que suele tener de 12 a 14º Brix en el momento de consumo. Tiene unas propiedades nutricionales excepcionales, con contenidos en minerales y vitaminas muy altos, siendo una de las frutas con mayor contenido en vitamina C. Tiene un pH entre 3.1 y 3.96. Agentes edulcorantes Los principales agentes edulcorantes utilizados en mermelada son la caña y el azúcar de remolacha (sacarosa), azúcar de maíz (dextrosa), jarabe de maíz (glucosa), el azúcar invertido (dextrosa y levulosa) y miel. Difieren en solubilidad y en sus efectos sobre el color y el sabor de las mermeladas de una combinación de sacarosa y azúcar invertido es por lo general el mejor edulcorante para el fabricante de mermelada sin experiencia para su uso. Técnicamente, el azúcar invertido es una mezcla de partes iguales de dextrosa y levulosa y se forma cuando la sacarosa se descompone por ácidos o ciertas enzimas. Este proceso se denomina inversión. Dextrosa y levulosa también se llaman simple, o reducir, los azúcares. Una mermelada de fruta contiene estos dos azúcares en diferentes proporciones, así como otros azucares simples Glucosa 14
Algunos fabricantes utilizan glucosa (jarabe de maíz) para el 5 y el 15 por ciento del azúcar en una mermelada, porque sienten que mejora la calidad. La glucosa es un poco menos dulce que la sacarosa, tiene una alta viscosidad. También retarda la cristalización de la sacarosa. Cuando se sustituye la glucosa para la parte de la sacarosa en una mermelada, se debe proporcionar una cantidad igual de sólidos de azúcar. Por ejemplo, si la glucosa contiene 60 por ciento de sólidos de azúcar 100, se usa
libras de glucosa
por libra de sacarosa. Pectina Todas las frutas contienen algo de pectina, pero la cantidad y la calidad varían con la fruta, su madurez y las condiciones en que se cultiva. Por esta razón por lo general es necesario añadir pectina comercial para obtener mermeladas de consistencia uniforme. La pectina se puede comprar por grado, ya sea en forma de polvo o líquido. Grado no se refiere a la calidad, sino que indica el número de libras de azúcar 1 libra de pectina pondré en una gelatina de azúcar pectina estándar en condiciones específicas. Hay dos tipos de pectina se utilizan en la fabricación de mermelada: juego rápido y juego de lento. Con pectina rápida establecer la mermelada espesa poco después se añade el ácido. Esto ayuda a mantener piezas de fruta distribuidos uniformemente en toda la mermelada en lugar de flotar a la cima. Normalmente los contenedores están llenos de calor, por encima de 185° F., y se enfrían sin agitación. La pectina puede ser añadida a la mermelada ya sea como un polvo seco o en solución. La pectina debe estar completamente disuelto para contribuir a la gelificación. La pectina se disuelve mejor si los sólidos de azúcar están a menos de 20 por ciento. Por lo tanto, si la pectina en polvo se añade directamente a la mermelada debe ser mezclado con parte del azúcar y se añade al comienzo de la ebullición, antes de añadir el grueso de la azúcar. Las frutas contienen ácidos naturales, pero muchos de ellos no tienen suficiente para un conjunto o gel satisfactorio. Para compensar esta deficiencia, y añadir acidez y
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mejorar el sabor, tales como ácidos cítrico y tartárico se incluyen normalmente en las fórmulas de mermelada. El pH (acidez activo) se debe determinar con un medidor de pH o eléctrico operado por batería. En una mermelada de 68 a 70 por ciento de sólidos solubles totales, mantener el pH entre 3,2 y 3,4. No gel se formará por encima de un pH de aproximadamente 3,6, mientras que por debajo de 3,0 la mermelada tiende a sudar, causando llanto excesivo o sangrado después. Para llevar a cabo un sabor a fruta característico, a menudo era necesario en nuestros estudios que utilizan un pH ligeramente mayor o menor que el ideal teórico. Esto significaba que teníamos que usar un poco más de pectina o posiblemente aceptar un conjunto más ligero, pero la mejora en la calidad era a menudo vale la pena el cambio. Teníamos que tener cuidado, sin embargo, para mantener el pH dentro de los límites necesarios para la formación de gel satisfactorio.
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Equipo Tanques
de
almacenamiento:
los tanques TK-101 y TK-102, que -
respectivamente- sirven para cargar pulpa de fruta y el azúcar.
Ilustración 9 Tanques de almacenamiento
Marmita: Para la produccion de mermelada se utilizará una marmita que en el diagrama
se identifica con el código MA-100. Una marmita es una olla de metal cubierta con una tapa que queda totalmente ajustada se utiliza generalmente a nivel industrial para procesar alimentos nutritivos tales como: mermelada, jalea, chocolate, dulces. Dependiendo de sus componente existen diferentes tipos de marmita tales como: marmita de vapor chaquetea, de refrigeración con chaquetea, con agitador, al vacío, con agitador de moción doble, de gas y marmita con calentador eléctrico
Ilustración 10 Marmita Industrial
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Ilustración 11 Lista de componentes de la instrumentación
Descripción del proceso El proceso propuesto corresponde a un proceso tipo Bach, que se compone de los siguientes sub-procesos: 1)
ALIMENTACIÓN DE MATERIAS PRIMAS A LA MARMITA;
2) PRODUCCIÓN DE MERMELADA EN LA MARMITA, Y CAPTACIÓN Y CONDENSACIÓN DEL VAPOR QUE SE PRODUCE EN ELLA.
1) Alimentación de materias primas a la marmita
Este subproceso está constituido por los tanques TK-101 y TK-102, que respectivamente- sirven para cargar pulpa de fruta y el azúcar a la marmita MA-100 de producción de mermelada. La instrumentación de este sub-proceso consta de los controladores de presión PIC155, PIC-160, cuyo propósito es mantener una presión positiva de descarga en los tanques que alimentan la marmita. La instrumentación consta, así mismo, de las válvulas neumáticas de control FCV-110, FCV-115; de las válvulas solenoide SV-120, SV-130, que sirven para la descarga de las materias primas a la marmita; de las 18
alarmas LAH-190 y LAL-192, LAH-194 y LAL-196, ubicadas en los tanques de carga. También forman parte de la instrumentación los strain gages SG1 y SG2; las válvulas solenoide SV-122, y SV-124, que manejan el suministro de aire a los controladores de presión de acción directa, y sirven para activar o desactivar su funcionamiento.
Ilustración 12 El funcionamiento del TK-101
En el primero de estos gráficos describe la variación en el nivel de la pulpa en el tanque TK-101, desde que empieza a llenarse hasta que se vacía. En el segundo gráfico se puede apreciar la variación de la presión en el tanque. En el tercer gráfico puede apreciarse una representación de lo que podrían ser los flujos de descarga hacia la marmita MA-100; y del flujo de trasiego, que pasa por la válvula SV-129, constituyendo la corriente 13, como se puede apreciar en el diagrama de produccion. El conjunto de estos gráficos permite que se aprecie la relación entre el nivel, la presión, y los flujos de descarga, y de trasiego, del tanque TK-101. 19
La lógica de la operación de carga-descarga de los tanques TK-101, y TK-102 se basa en el cumplimiento de los niveles bajos y altos en los tanques TK-101, y TK-102, y en el disparo de las respectivas alarmas LAL y LAH; al comenzar el ciclo, la válvula SV-122 que maneja el aire de suministro del controlador de presión está cerrada, implicando con ello que el controlador, que es de acción directa, no envía señal alguna a la válvula FCV-110, que siendo aire para abrir (ATO), se mantiene cerrada, causando que la línea respectiva no transporte aire de presurización hacia el TK-101, lo que implicará que la presión en ese tanque tenga el valor de la presión atmosférica. La válvula SV-120, que permite la descarga de TK-101, se mantiene cerrada; que la válvula SV-198 de venteo del tanque TK-101 se mantiene abierta; que la válvula SV-123, de carga de TK-101, está abierta. Según el grafico, las condiciones descritas se mantienen hasta que el nivel de pulpa iguala el valor de disparo de LAH, debido a que el tanque TK-101 se está llenando. Cuando el nivel de la pulpa ha llegado a su valor alto (LAH), la válvula SV-122 debe abrirse, para activar el controlador PIC-155. Al mismo tiempo, la válvula SV-198 se cierra, permitiendo que el TK-101 empiece a presurizarse, la válvula FCV-110 empieza a modular, y la válvula SV123 se cierra, porque el tanque TK-101 ya se ha llenado. Cuando estos eventos han ocurrido, la presión dentro del tanque TK-101 comienza a elevarse hasta que el valor de la presión alcanza el valor de Pset. Cuando el tanque está presurizado a Pset, la válvula SV-120 debe abrirse para que comience la descarga de la pulpa contenida en TK-101 hacia la marmita MA-100. La descarga del tanque TK-101 debe continuar hasta que el nivel de pulpa alcance el valor de disparo de LAL-192. Cuando esto ocurra SV-120 debe cerrarse, y SV-129 debe abrirse para comenzar el trasiego de la pulpa residual hacia el tanque respectivo, que no se muestra en el P&ID. A partir de este momento, y hasta que el tanque TTK-101 se vacíe, lo que se comprueba mediante la respectiva señal de SG1, la pulpa se trasiega hasta que su nivel (señal de peso) sea cero. Cuando esto ocurra la válvula SV-198 debe abrirse para liberar la presión; al mismo tiempo SV-122 debe cerrarse, cerrando FCV-110; y SV-129 debe cerrarse, por haberse terminado el trasiego. A partir de este momento (tanque vacío) lo único que se requiere para que el ciclo de cargadescarga termine es que la presión manométrica en el tanque TK-101 llegue a cero. 20
2) Producción de mermelada en la marmita
El objeto de este sub-proceso consiste en el aumento del porcentaje de sólidos en base a la evaporación del agua de la mezcla formada por la pulpa y el azúcar, y en la respectiva cocción de la misma. Este sub-proceso se realiza en la marmita MA-100, que es el corazón de la planta. La estructura de control está constituida por un control de retroalimentación simple que modula el flujo de vapor a la chaqueta y por una estructura de control en cascada que controla el vacío en la marmita, que termodinámicamente está ligado a la temperatura a la que se desea evaporar el agua, para lograr llegar a la concentración de sólidos deseada. El valor del vacío se fija por medio de un set point remoto (RSP) generado por el controlador maestro del lazo cascada, TIC-161. El algoritmo para la generación de este set point remoto se basa en la respectiva curva de presión de vapor de equilibrio entre el agua líquida y su vapor, a la presión de interés. La temperatura de la marmita se regula mediante el controlador TIC-165, que comparte el set point de temperatura con el TIC-161, máster del controlador PIC-163, que ajusta el valor de a presión en la marmita Ma-100 de manera que corresponda a la presión y temperatura de evaporación del agua de la mezcla. Como la condición termodinámica manejada por los controladores TIC-165, TIC-161, y PIC-163 permite la evaporación del agua de la mezcla, esta continúa evaporándose hasta que el nivel de la mezcla en la marmita llega dispara la alarma LAL-175. Cuando esta alarma se dispara, la válvula SV-135 se cierra bloqueando el flujo de vapor a la chaqueta; la válvula SV-174 se abre restituyendo la presión atmosférica a la marmita MA-100, la válvula SV-150 se abre descargándose el producto, y la válvula SV-172 se abre, descargando el condensado del tanque TK-103, terminándose así la ejecución del Bach.
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BIBLIOGRAFIA BARTHOLOMAI, A. (1.991), “Fábrica de alimentos: procesos, equipamientos, costos”. Editorial
Acribia, Zaragoza. FENNEMA, O. R. (2.000), “Química de los alimentos”. 2ª ed., Editorial Acribia, Zaragoza
GARCÍA-VAQUERO, E. (1.993), “Diseño y construcción de industrias agroalimentarias”. Edición Mundiprensa, Madrid. GIANOLA, C. (1.987), “La industria de la fruta seca, en almíbar y confitada”. Editorial Paraninfo. SOUTHGATE, D. (1992), “Conservación de frutas y hortalizas”. Editorial Acribia, Zaragoza.
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