UNIVERSIDAD A U T ~ N O M A

Texto completo

(1)

UNIVERSIDAD A U T ~ N O M A

METROPOLITANA

UNIDAD

IZTAPALAPA

If

DESHIDRATACIóN DE NOPAL,

POR

FLUIDIZACION"

P R O Y E C T O

que

para obtener

el título

de

INGENIERO

QUÍMICO

p

r

e

s

e

n

t

u

n

LUIS A VILA GARCIA.

ROSA MARIA CORONA NAVA.

JUAN CARLOS FERNANDEZ CABRERA.

A s e s o r :

Dr. Mario Vizcarra Mendoza.

R e s p o n s a b l e :

Ing. Uriel Arechiga Viramontes.

(2)

INDICE.

PROLOGO,

4

SUMARIO,

5

P L A N E A C I ~ N

Y DESARROLLO DEL PROYECTO,

MARCO HISTORICO, ECONOMIC0 Y SOCIAL, Antecedentes Históricos,

Clasificación Taxonómica..

Localización de las zonas de producción en México.,

Uso

Medicinal.,

PARTE I . MATERIA PRIMA,

l .

1

Producción

y

Comercialización del Nopal.,

1.2

Composición química del Nopal.,

PARTE 11. PRODUCTO., 2.1 Prespectivas del mercado., 2.2 Principales centros de consumo., 2.3 Composición química del producto,

PARTE 111. PROCESO., 3.1 Procesos de obtención., 3.2 Opciones Tecnológicas.,

3.3 Selección del tipo de secador de lecho fluidizado empleado., 3.4 Secuencia del proceso.,

PARTE IV.

TRABAJO

EXPERIMENTAL.,

4.1 Experimentación.,

PARTE V.

DISEÑO

DE

LA PLANTA.,

5.1 Ubicación.,

5.2 Capacidad de la planta.,

5.4 Tablas enlistando equipos, especificaciones

y

costos aproxim,

5.5

Apreciaciones económicas, 5.6 Conclusiones y observaciones,

(3)

ÍNDICE DE CUADROS.

Cuadro 1 Zonas Nopaleras, 9 Cuadro 2 Produccion por hectarea del nopal, 1989, 15

Cuadro 3 Valor de la produccion del nopal, 1989, 15 Cuadro 4 Producción por hectarea del nopal, 1990, 16

Cuadro 5 Producción por hectarea del nopal, 199 1, 16 Cuadro 6 Valor de la producción del nopal, 1991, 17

Cuadro 7 Exportación del nopal temporada 1989- 1990, 17

Cuadro

8

Porcentaje de humedad de diversas plantas alimenticias., 18 Cuadro 9 Contenido de sales minerales en algunas especies de nopal., 19 Cuadro 10. Valores de celulosa de seis especies de Opuntia., 20

Cuadro

1

l . Contenido de Nitrógeno

y

aminoácidos de nopalitos

y

otros alimentos.,

20

Cuadro 12. Contenido de proteína

y

Aminoácidos indispensables., 21

Cuadro 13 Análisis bromatológicos de diferentes especies

y

variedades del nopal., 21 Cuadro 14 Análisis bromatológico del nopal verdura., 22

Cuadro 15 Contenido de vitamina C en cinco especies de nopal., 22 Cuadro 16. Resultados de la corrección de la curva de secado., 41

ÍNDICE

DE FIGURAS.

Figura

1

..

Escudo de la Gran México-Tenochtitlán., Figura

2.

Zonas de producción en México.,

Figura 3 Secuencia del proceso para la deshidratación del nopal.,

figura 4. Diagrama cualitativo del proceso para la deshidratación del nopal., Figura

5.

Equipo piloto empleado durante el trabajo experimental.,

Figura 6. Estirnacion de la velocidad mínima de fluidización.,

Figura 7. Contenido de humedad vs tiempo a diferentes temperaturas., Figura

8.

Contenido de humedad vs tiempo a 70°C,

Figura 9. Curva de humedad vs tiempo considerando desde el inicio un periodo constante.,

Figura

10.

Curva de humedades al equilibrio a diferentes temperaturas., Figura

1

l .

Cinética de secado del nopal a temperatura del lecho constante.,

7 8 29 31 33 34 35 36 37 38 42

BIBLIOGRAFIA, 56

APENDICE l . NOMENCLATURA.,

APENDICE 2. HOJAS DE ESPECIFICACIONES..

(4)

PROLOG0

A medida que la población aumenta existe una creciente demanda por los alimentos, medicinas y otros bienes de consumo.

Desde el punto de vista tecnológico, para un país como México con las condiciones socioeconómicas que en el prevalecen, abundancia de mano de obra y recursos limitados de capital, el problema de la producción de alimentos y la obtención de recursos naturales renovables debe ser atacado empleando técnicas y métodos mas eficientes. Estas técnicas deben de ser desarrolladas por grupos científico-técnicos de areas de investigación multidisciplinarias que planteen nuevos enfoques y criterios.

Es por esto que un grupo de Ingenieros Químicos se decide a trabajar en un proyecto que si bien involucra directamente un problema de ingeniería Química también debe

complementarse con otras muchas areas de conocimiento.

El nopal. ampliamente distribuido a lo largo del territorio nacional presenta un recurso que puede ser explotado para crear nuevas fuentes de trabajo, y estamos ciertos de colaborar con una pequeiia parte a forjar un México más sólido.

I :

1

,

(5)

SUMARIO

Aún que la técnica de fluidización ha sido empleada desde 1948, y actualmente goza de amplia popularidad para secar diversos materiales industriales es poco utilizada cuando se aplica a productos con gran contenido de humedad y/o pegajosos, en la presente investigación se demuestra experimentalmente que la técnica es aplicable al caso particular del nopal cuyo contenido de humedad varía entre 90-94Yó en peso obteniendo un producto con las características de color y humedad demandadas por el mercado actual.

La importancia de la investigación radica en la validez de la técnica, ya que a partir del aprovechamiento del nopal pueden establecerse alternativas y estrategias de desarrollo rural en diversos estados de la republica, dado que las cactáceas constituyen uno de los recursos naturales más vastos del país.

t

(6)

PLANEACI~N

Y

DESARROLLO DEL PROYECTO (22)

PRODUCTO

Usos, calidad, presentación, cantidad

INVESTIGACIóN DE LABORATORIO

Resumen de la Investigación del Producto Busqueda de Datos Termodinámicos,

Propiedades Físicas y Químicas; Limitaciones y Características Físicas del Proceso como Presión, Temperatura, Tiempo, Flujo de Trabajo, Velocidad mínima de Fluidización,

Determinación de la Curva de Secado.

INVESTIGACI~N DE MERCADO

- Consumo Doméstico. Internacional. - Producción

Doméstica. Internacional. - Importaciones - Exportaciones - Consumidores - Empaque - Riesgos

EQUIPO

rip0 de Servicio.

Diseilo Estándar. Diserlo Especial. Especificaciones. Seleccicin. Accesorios Control. costos. INVESTIGACI~N

DE INGENIERÍA

Desarrollo del

-

Planta Piloto Proceso. Equipo de Servicio. Materias Primas. Condiciones de Materiales de Operación.

Construcción. Trabajo Preliminar.

Diagrama de Flujo. Investigación Balance de Materia. Preliminar. Balance de Energía

Cálculos Preliminares Comparaciones

CONDICIONES

DE SEGURIDAD

- Riesgos a los usuarios, empleados.

-

Desechos - Humo

-

Seguridad a la Comunidad Fuego. Explosión.

L.

*

I N G E N I E I ~ A DE

DISENO

DISTRIBUCIóN

Costo de

Materiales

Servicios.

Arreglo de

equipos.

Almacenamiento. rransporte. Expansión

SERVICIOS CONSTRUCCI~N O P E I W C I ~ N PERSONAL

Vapor. Disefio Frecuencia. Operadores.

Agua Potable. Servicios. Condiciones. Supervisores. Agua Tratada. Acomodamiento. Manual. Mantenimiento.

Aire-Gas. Protección. .4utomática. Oficinistas Electricidad. Costos. Pruebas.

Drenaje. Ventilación.

(7)

MARCO HISTORICO, ECONOMIC0 Y SOCIAL

Antecedentes Históricos.

Las tradiciones de nuestros pueblos que se han mantenido latentes hasta nuestros días, revelan la importancia que tribus prehispánicas dieron a las cactáceas. Este testimonio se observa en sus códices, monumentos, pinturas, cerámicas e incluso en los nombres con que las designaron. En la vida económica, social y religiosa de los Nahuas, por ejemplo, las cactáceas desempeñaron un papel relevante, a tal grado que el escudo de México- Tenochtitlán ostentaba airosamente un nopal, símbolo que aún se conserva plasmado en el escudo de nuestra patria.

Tenochtli o tuna de piedra. Tenochtli o tuna divina.

Escudo de la gran México-Tenochtitlán. Códice Mendocino (1 549).

Figura 1.

Así, estas plantas no solo intervinieron en las celebraciones religiosas, también se usaron con frecuencia en la magia, en la curación de enfermedades, influyeron en forma

determinante en la fundación de poblaciones y además se les tuvo en gran estima como plantas de ornato.

En lo que se refiere al uso específico de los nopales, se sabe que se les cultivaba tanto por la producción alimenticia que se obtenía de ellos, como por sus cualidades medicinales y

como fuente importante de un material mucilaginoso que servía de ligamento a los adobes en la construcción de las misiones y cotno aglutinante en las pinturas murales. Benson y

Walkington (1968) suponen que las especies más utilizadas correspondían a dos géneros muy emparentados (Opuntia ficus-indica y Opuntia megacantha), y que el nombre de opuntia ficus-indica derivó de la manera como se conocía en estas provincias al fruto de los nopales, "higo de los indios". Sahagun (1979), menciona el significado de la palabra nopalli como tuna o árbol que lleva tunas.

(8)

Clasificación Taxonómica.

Nopal, es el nombre que se aplica en México a todas las cactáceas de los géneros Opuntia

y Nopalea. Maximino Martinez (1 5), describe a los nopales como plantas cuyo tallo consta de segmentos aplanados, ovales u orbiculares (pencas) que solamente cuando están tiernas presentan hojas, estas son carnosas y ligeramente cónicas; su superficie posee casi siempre grupos de espinas, las flores aparecen en los bordes, y los frutos (tunas) son bayas con muchas semillas y pulpa acuosa, en muchos casos dulce y comestible. Helia Bravo Hollins

(3,4), en sus claves para la identificación de las cactáceas en México, clasifica a los nopales de la siguiente manera:

Familia: Cactaceae Subfamilia: Opuntioideae Tribu: Opuntieae

Genero: Opuntia

Subgénero: Opuntia

Serie XV: Ficus-indicae Serie XVI: Streptacanthae

(9)

El presente trabajo hace referencia a dos especies de cactáceas en particular por las características que presentan, su composición química y por las múltiples aplicaciones que les ha dado el pueblo mexicano. Estas son Opuntia Ficus-indica de la serie Ficus-indicae y

Opuntia Streptacantha de la serie Streptacanthae, vulgarmente estas especies son conocidas como nopal verdura.

Localización de las zonas de producción en México.

La familia de las cactáceas es originaria de América y, la mayoría de sus géneros se encuentran en alguno de sus dos centros de diversificación, situados al Norte y al Sur del continente. por ser el nopal una planta ampliamente distribuida en nuestro país, a México se le ha considerado como el centro de diversificación y domesticación de estas especies (3). En el género opuntia por ejemplo tienen mas de 110 especies y múltiples variedades distribuidas principalmente en las zonas Bridas y semiáridas.

Dependiendo del tipo del suelo de las regiones se encuentran distribuidas las diversas especies de nopales, se reconocen cuatro grandes zonas nopaleras (29) especificadas en el

cuadro 1 :

Cuadro 1

Centro-sur

(1)

Estado de Mexico, Morelos, Puebla, Juerétaro y Oaxaca Zonas Nopaleras

I

-

( - " L Ficus-indica, Megacantha, Arnyclaea, Tornentosa

Nopales de porte

alto y productores

de verdura y fruta,

forraje en segundo

t i m i n o .

I

Zacatecas y San Luis Potosí, en

menor proporción Aguascalientes, Durango, Jalisco y

Guanajuato

Streptacantha, Leucotricha,

Robusta. Cantabriglensis, Rastrera, Ficus-

indica, Megacantha, Arnyclaea

Nopales de porte arboreo, arbustivo y

en menor densidad

rastreras. Gran

importancia econ6rnica para la

región es la especie Streptacantha.

Desierto Chihuahuense

I

Streptacantha, Robusta. Ficus-

indica,

Amyclaea, Cantabrigiensis,

Phaeacantha; Lindheimeri

Desarrolla en forma

natural el nopal forrajero, de porte arbustivo y rastrero.

Planicie Costera del Golfo (IV)

Noreste del estado de Coahuila, parte

de Nuevo Le6n y

Tamaulipas

Lindheimeri

(10)

Uso Medicinal.

Diversos códices prehispanicos relatan que las pencas del nopal se usaban para mitigar el dolor y curar inflamaciones. Durante el México independiente en el antiplano potosino por ejemplo el nopal también fue, y sigue siendo, utilizado en la preparación de remedios medicinales; la utilización de estas plantas se enfoca principalmente a usos antipiréticos, antiinflamatorios, analgésicos, antiespasmódicos, de aplicación tópica y cataplasmodica, tanto en personas como animales. (28)

El uso del nopal como recurso de la medicina popular para aliviar la sintomatología del diabético, es un fenómeno cultural reciente y resulta difícil establecer con exactitud el origen de esta práctica. Su empleo como "antidiabético", es una manifestación de la etnobotánica2 actual que abarca, solo las últimas dos o tres décadas.

Según la variada información popular el paciente diabético ve mejorada su

sintomatología ingiriendo nopal preparado de diversas maneras y por periodos prolongados de tiempo. lo que ha sugerido que este producto modifique ventajosamente sus elevados niveles de glucosa sanguínea. Investigadores modernos han descrito el uso de esta planta con pacientes diabéticos en Australia, México y Sudáfrica (30,3 1).

Estudios realizados por el Instituto Mexicano del Seguro Social han mostrado que la administración en ayunas de nopal a pacientes diabéticos causa disminución de glucosa y en los individuos sanos produce menor elevación de esta y de la insulina sanguínea (27).

Se ha comprobado que el uso del nopal es de algún valor en casos ligeros de diabetes, aunque es importante aclarar que no libera al paciente de este padecimiento ni de las restricciones diabéticas que debe de seguir. Las especies de nopal que han sido estudiadas y que se ha comprobado que producen algún efecto hipoglucemiante son Opuntia Streptacantha y Opuntia ficus-indica.

En 1970 se registró una patente Francesa de un medicamento para el tratamiento de diabetes. el cual contiene coubar, flores de limón amargo y frutos de Opuntia. El análisis de la composición química de u n extracto antidiabético preparado con extractos de las especies Opuntia ficus-indica y Opuntia vulgaris, reveló que consistía de azúcares reductores, principalmente glucosa. Esto es sorprendente debido a que la glucosa esta estrechamente asociada con esta enfermedad. Trabajos más recientes parecen indicar que el factor "antidiabético" activo en cactáceas, y otras xerofitas, es un compuesto que presenta características y propiedades de una saponina.

!

i

*

(11)

de los conocimientos empíricos sobre la acción de muchas plantas medicinales, entre ellas el nopal, sin embargo solamente unas cuantas se han estudiado exhaustivamente y aunque un

alto porcentaje de fármacos útiles han sido el resultado de seguimientos científicos de plantas conocidas en la herbolaria, a la fecha no se ha encontrado ninguna sustancia biologicamente activa que tenga aplicación como antidiabético en el caso del nopal.

(12)

PARTE

I

(13)

1.1 Producción y Comercialización del Nopal.

Como zonas de producción explotadas actualmente, son significativas Milpa Alta D.F., los alrededores de San Luis Potosí y Morelos que cuentan con 65 de las especies de opuntias. Milpa Alta, delegación política del Distrito Federal ubicada al sur de la ciudad, se destaca como principal zona del país productora de nopal como verdura para consumo humano. Prácticamente los nueve pueblos que la componen producen la cactácea aunque en proporciones contrastantes, tanto en lo que toca a volúmenes de producción como a

superficie cultivada. Los pueblos que principalmente producen nopal son Villa Milpa Alta y San Lorenzo Tlacoyucan con 2,200 y 600 hectáreas cultivadas (24).

SUBDELEGACION: SUPERFICIE (Ha):

Santa Ana Tlacotenco San Juan Tepenahuac Villa Milpa Alta

San Lorenzo Tlacoyucan San Pedro Actopan San Jerónimo Miacatlán San Francisco Tecoxpa San Agustin Ohtenco San Antonio Tecomitl

I80

1 O0

2,200 600

50

1 O0

48 90

12

Total: 3,380

La S.A.R.H. calculo en 3,380 hectáreas la superficie cultivada de nopal en Milpa Alta, lo cual arrojó una producción de 206,824 toneladas anuales en 1986. Datos más actualizados de la producción por hectárea y costos de la materia prima se especifican en los cuadros 2, 3, 4, 5, 6 y 7 .

El tamaño y la forma de la planta puede variar entre árboles, arbustos y rastreras, aunque generalmente se presenta como una planta arbustiva de 1 a 5 m de altura. Durante todo el año, puede cortarse producto en una nopalera, pero la producción no es uniforme, sino que depende fundamentalmente tanto de las labores dedicadas en el cuidado del cultivo como de las estaciones del año. L a planta es severamente afectada por la estación del año, así se tiene que la producción alta-media la encontramos entre los meses de marzo y noviembre, meses que debido a estaciones calurosas del año (primavera-verano-otoño) y a la precipitación pluvial que les es característica, hay abundante producción de nopal. La estación invernal inicia la temporada de baja producción que se ubica en los meses restantes.

Aunque se sabe que la producción de nopal en los últimos años se ha incrementado, no existen estudios formales al respecto que lo constaten, sin embargo varias instituciones a raíz de la creciente demanda por el nopal están recopilando información y datos estadísticos. También se tiene información por grupos productores y comercializadores de Nopal en la Central de Abastos (CEDA) de que el nopal del estado de Morelos está actualmente

compitiendo en volumen con el de Milpa Alta. Del total de la producción anual en Milpa Alta entre un 50% y un 60% tiene como destino la CEDA del D.F. y entre un 15% y un 20% se comercializa en el mercado de la Merced. El resto se dirige en proporciones mas o menos semejantes a Santa Escuela, Xochimilco y Milpa Alta.

C.

E

i

(14)

La presentación comercial mayormente utilizada en los grandes mercados es la paca, que se forma al ir apilando en forma circular los nopales con ayuda de un molde de lámina galvanizada, cuyo diámetro varia de acuerdo al tamaño del nopal a empacar; así se

encuentran moldes de 70, 75 y 80 cm de diámetro. Las pacas generalmente tienen un peso de 350-400 kg con aproximadamente 3,000 nopales cuando estos son medianos. También

dentro de los principales mercados de venta pueden encontrarse la venta de nopal a menudeo en canastos de 30 a 40 kg.

Se calcula que en la temporada baja (enero) se levantan dos pacas a la semana (aproximadamente 3.2 Ton/,,,). mientras en temporada de producción abundante (mayo- junio) se alcanzan a levantar hasta 40 pacas al mes (16 Ton/,es). Cabe hacer una aclaración

en cuanto a los rendimientos pues existe extrema dificultad en la determinación de los mismos, dado que el componente fundamental del nopal es el agua y esta varía en las temporadas del año y por tanto varía el volumen absorbido por el producto.

En la Merced es difícil encontrar a un productQr vendiendo directamente su producto al público. Este traído por transportistas se entrega en las primeras horas del día a comerciantes establecidos en la Merced. quienes a su vez "revenden" el producto al público, ya sea limpio

o con espina, al menudeo o por pacas al mayoreo. En estos mercados los compradores usuales son los tianguis. mercados sobre ruedas y mercados públicos.

En los mercados de Milpa Alta y Xochimilco se establecen los productores denominados "poquiteros" o pequeños productores quienes no cultivan mas de una "yunta" (aproximadamente 7.000 m2) y producen entre una y dos pacas a la semana aun en épocas de producción alta.

A la CEDA del Distrito Federal llegan los productores mas grandes de Milpa Alta, productores que Ilcgan a cortar hasta 8 Toneladas de nopal por semana. La mayoría de los

cuales dirigen dircct;lmente su producción al anden de subasta. Entre los grupos que llegan al Anden de Subasta \e da la división por zonas:

I ) Zona Ponicntc (Villa Milpa Alta)

2) Zona Oriente ( S a n Lorenzo)

3) Productore5 dcl Estado de Morelos (Tlanepantla)

Puede decirse que en el andén se manifiestan todas las formas de venta. pues aún siendo el mercado de venta al mayoreo por excelencia, también se menudea el nopal con espina o

limpio, por ciento o por cuartos a la vez que también se presenta la entrega del producto a comerciantes establecidos en el andén. Se tiene el hecho de que no todo el productor que llega al anden de subasta de CEDA comercializa únicamente su producción, sino que también comercialira producción ajena. Este es el giro en el cual se asienta la estructura del poder económico e intluencia social en la localidad de Milpa Alta.

Por otro lado tenernos que los recursos así como los medios necesarios para comercializar el nopal están aun en poder de los productores mas grandes y pudientes de la región. Estos productores cuentan con el transporte necesario para el acarreo del producto con capacidad de carga de hasta 30 penca4 listos productores, puede afirmarse que controlan los espacios de venta en los mercados prlnclpales del D.F.(26).

a

c

(15)

CICLO: CULTIVOS PERENNES 1989.

SEMBRADA COSECHADA

Fuente: Dirección General de Estadística S.A.R.H.

Cuadro 3

CULTIVO: NOPALITOS

CICLO: CULTIVOS PERENNES 1989.

,tal Nacional

Fuente: Dirección General de Estadística S.A.R.H.

c

(16)

Cuadro 4

CULTIVO: NOPALITOS

CICLO: CULTIVOS PERENNES 1990

Fuente: Dirección General de Estadística S.A.R.H.

CUADRO 5

CULTIVO: NOPALITOS

CICLO: CULTIVOS PERENNES 1991.

Fuente: Dirección General de Estadística S.A.R.H.

ia

t

t

(17)

CUADRO 6

CULTIVO: NOPALITOS

CICLO: CULTIVOS PERENNES 1991

Fuente: Dirección General de Estadística S.A.R.H.

CUADRO 7

REPUBLICA MEXICANA

EXPORTACION DE NOPAL CONTROLADA POR LA CNPH, POR PRODUCTOS Y MESES

TEMPORADA 1989-1990

Kilogramos Brutos

PRODUCT

75.897 1.740 1.332 3.43 1

1.829 1.301

2.817 42.192 8.642 4.694 2.701

1.440

3.778

NOPAL

O

TOTAL

SEP AGO

JUL J U N MAY

ABR

MAR

FEB ENE DIC

NOV OCT

(18)

1.2 Composición química del Nopal.

Análisis Bromatológicos realizados por diversos autores reportan las componentes básicos para diversas especies y variedades de nopal, citando en ocasiones componentes de otras plantas para tener una base comparativa sobre la riqueza nutritiva de cada uno de ellos. Las tablas que se presentan a continuación fueron extraídos de la recopilación de documentos de la biblioteca de la S A W . Los principales componentes químicos del nopal son:

A G U A

En lo que respecta a la planta del nopal, se han encontrado porcentajes de humedad muy variables; Cravioto y colaboradores ( 7 ) , en los trabajos del Instituto Nacional de Nutriología (Secretaría de Salubridad y Asistencia), encuentran los siguientes porcentajes de humedad en algunas plantas alimenticias (Cuadro 8).

Cuadro 8

Porcentaje de humedad en diversas plantas utilizadas en la alimentación

I

1

Nombre común Nombre Técnico Procedencia Humedad

I

V e r d u r a s

Nopalito Opuntia hyptiacanta México 92.5

Nopales Opuntia sp D.F. 90.1

Lechuga Lactuca sativa D.F. 93.4

Ejotes Phaseolus vulgaris D.F. 92.7

Jitomate Lycopersicum esculenturn D.F. 94.6

I

i

h

F

i

CONTENIDO MINERAL.

De acuerdo a la literatura consultada, los principales componentes minerales del nopal son el calcio y el potasio, presentándose también magnesio, sílice, sodio y pequeñas cantidades de fierro, aluminio y manganeso, predominando en forma de carbonatos y en

ocasiones como cloruros, sulfatos y en pequeñas cantidades de fosfatos (4). Fernandez Lander0 (10) en los análisis bromatológicos de seis especies de nopal del Valle de México, encuentra las siguientes cantidades de sales minerales (Cuadro 9);

!

(19)

Cuadro 9

Muestra SiO, CaO K,O

P205

CI- MgO N 2 0 COZ SO4=

Opuntia ficus-indica 1 16.02 42.55 11.06 1.25 2.84 6.05 1.28 39.08 2.95

Opuntia hyptiacanta 1.82 42.65 11.01 1.50 2.15 7.89 0.26 34.23 1.54

Opuntia Tormentosa 3.7 45.65 10.12 1 .O5 0.95 6.73 0.81 34.50 1.29

Opuntia Megacantha 1.24 46.35 8.13 1.26 0.99 5.92 0.36 38.63 1 .O3

Opuntia robusta 1.18 46.35 9.63 1.38 2.02 6.15 0.83 33.60 1.27

- ~ . .

contenido de sales minerales en algunas especies de nopal

-

Brauer y Flores V. ( 5 ) efectuaron, en la escuela Nacional de Agricultura de Chapingo, análisis mensuales de pencas terminales de Opuntia ficus-indica de tres a ocho meses de edad; en lo referente a sales minerales encontraron los siguientes porcentajes en base a

materia seca:

Edad de la penca (meses) % Cenizas -

14.10 15.29 18.29 19.07 17.70 16.70

Los componentes principales de las cenizas son calcio y potasio, encontrándose también algo de magnesio. silicio y pequeñas cantidades de fierro, aluminio y manganeso, predominando en torma de carbonatos, aunque tambien se encuentran como cloruros, sulfatos y pequeñas cantidades de fosfatos.

GLUCIDOS (CAHBOHIDRATOS)

Villareal y colaboradores ( 1963 ), mediante el método propuesto por Viles y colaboradores con algunas modificaciones, encontraron los siguientes valores en celulosa en pencas de las siguientes especies ( Cuadro 10 ).

d

B

(20)

Cuadro 9

Contenido de sales minerales en algunas especies de nopal

Muestra Si02 CaO K2O P205 C1- MgO N20 CO2 SO,=

Opuntia ficus-indica 116.02 42.55 11.06 1.25 2.84 6.05 1.28 39.08 2.95

Opuntia hyptiacanta 1 .82 42.65 11 .O1 1 .SO 2.15 7.89 0.26 34.23 1.54

Opuntia Tormentosa 3.7 45.65 10.12 1.05 0.95 6.73 0.81 34.50 1.29

Opuntia Megacantha 1.24 46.35 8.13 1.26 0.99 5.92 0.36 38.63 1 .O3

Opuntia robusta 1.18 46.35 9.63 1.38 2.02 6.15 0.83 33.60 1.27

Brauer y Flores V. (5) efectuaron, en la escuela Nacional de Agricultura de Chapingo, análisis mensuales de pencas terminales de Opuntia ficus-indica de tres a ocho meses de edad; en lo referente a sales minerales encontraron los siguientes porcentajes en base a materia seca:

Edad de la penca (meses) % Cenizas

3 14.10

4 15.29

5 18.29

6 19.07

7 17.70

8 16.70

. ~.

Los componentes principales de las cenizas son calcio y potasio, encontrándose también algo de magnesio. silicio y pequeñas cantidades de fierro, aluminio y manganeso,

predominando en torma de carbonatos, aunque también se encuentran como cloruros, sulfatos y pequeñas cantidades de fosfatos.

GLUCIDOS (CAHBOHIDRATOS)

Villareal y colaboradores ( 1963 ), mediante el método propuesto por Viles y colaboradores con algunas modificaciones, encontraron los siguientes valores en celulosa en pencas de las siguientes especies ( Cuadro IO ).

w

(21)

Cuadro 10.

VALORES DE CELULOSA DE SEIS ESPECIES DE OPUNTIA

Muestra Nombre científico % Base Humeda % Base Seca

Apastillada O. ficus-indica 11.38 81 .S8

Fafayuca O. amyclaea 9.20 63.01

Amarilla 0.Megacanta 8.54 50.10

Camuesa O.robusta 5.72 46.93

Verde O. ficus-indica 5.20 39.63

Cardona Ostreptacantha 2.73 18.57

COMPONENTES NITROGENADOS

Suárez y Colaboradores (1954), en las investigaciones del Instituto Nacional de Nutrioiugía, han puesto especial interés en estudiar el contenido de aminoácidos indispensables de varios de nuestros alimentos en los que encontramos los tan comunes nopalitos ( Cuadro 1 1 y 12 ).

Cuadro 1 1.

CONTENIDO DE NITROGEN0 Y AMINOACIDOS DE NOPALITOS Y OTROS

PRODUCTOS UTILIZADOS EN LA ALIMENTACION.

LOS RESULTADOS SE EXPRESAN EN GRAMOS POR CIENTO DEL MATERIAL

DESECADO Y EN GRAMOS POR CIENTO DE LA PROTEINA (Nx 6.25))*

Muestra N2 Proteína Arginina Histidina Lisina

M P M P M P

Nopales 1.96 12.25 0.35 2.86 0.18 1.47 0.49

4.00

Frijol nuevo - 12.40

Alegría 2.38 14.88 0.82 5.51 0.33 2.22 0.64 4.30

Acelgas 4.24 26.48 0.67 2.53 0.34 1.28 0.75 2.83

*Tomado de Suárez y colaboradores, 1954. M: en Muestra, P: en Proteína

r:

b

(22)

Cuadro 12.

CONTENIDO DE PROTEINA Y AMINOACIDOS INDISPENSABLES.

DE LAS MUESTRAS ANALIZADAS. LOS DATOS SE EXPRESAN EN PORCIENTO

DEL MATERIAL HUMEDO*

Muestra Humedad Proteínas Argina Histidina Lisina Metionina Treonina

Nopales 91 2 5 1.07 0.03 1 0.016 0.043 0.008 0.052

Alegría 10.46 13.32 0.734 0.296 0.573 0.214 0.670

Acelgas 91.75 2.18 0.055 0.028 0.062 0.013 0.090

Chile 91.50 1 .O1 0.020 0.012 0.030 0.006 0.045

(Jalapeño)

*

Tomado de Suárez y colaboradores, 1954.

En lo concerniente a la evaluación de los compuestos nitrogenados dentro de las especies forrajeras de nopal, se han desarrollado diversos estudios dentro de los cuales destacan los siguientes (Cuadro 13).

Cuadro 13

ANALISIS BROMATOLOGICO DE DIFERENTES ESPECIES Y VARIEDADES DE

NOPAL

(PORCENTAJE EN BASE A MATERIA SECA)

Muestra Proteína cruda Autor

O. chrysacantha O. megacantha 0.streptacantha 0.ficus-indica

var.amarilla oro

1969

var.oaxaca var.forrajera var.tapona

3.54 4.42 3.17

3.1 1

4 .O4 6.88

Palomo, 1963

Palomo, 1963

Griffiths y Hare, 1906

3.80 Bauer y Flores,

Bauer y Flores, 1969

Bauer y Flores, 1969

(23)

VITAMINAS

Sotelo A. y colaboradores (1964), en la determinacion de la vitamina ""C" en plantas mexicanas comestibles, encontraron los siguientes valores en nopal para verdura (Cuadro

14).

Cuadro 14

ANALISIS BROMATOLOGICO DEL NOPAL PARA VERDURA*

Muestra

YO

Humedad Muestra fresca Vitamina C Muestra seca Vitamina C

Ac. Ac.Deh. Total Ac. Ac.Deh. Total Asc. Asc. Asc. Asc.

Nopal

0.tormentosa

Crudo 93.5 1.2 0.3 1.5 18.4 4.7 23.1

Cocido 0.8 0.2 1

.o

12.3 3.0 15.3

*

Los valores de ácido ascórbico (Ac.Asc.), ácido dehidroascórbico (Ac.Deh.Asc.) y

vitamina "C" total, corresponden a mg en muestra de 100 g.

I

El contenido de vitamina "C" en las pencas tiernas de las cinco especies de Opuntia estudiados por Fernández Lander0 (1949), se están expresando las vitaminas en

IOOg

de muestra fresca, (Cuadro 15).

Cuadro 15

CONTENIDO

DE

VITAMINA "C" EN CINCO ESPECIES DE NOPAL

Especie Ac.Asc6rbico (mg) Ac.Dehidroascórbico (mg)

Opuntia ficus-indica 4.60

Opuntiahyptiacantha 3.97

Opuntia tormentosa 3.93

Opuntia megacantha 3.8 1

Opuntia robusta 4.34

"_

0.92

0.47 0.37

"_

.). t '

(24)

PARTE

I1

(25)

2.1 Prespectivas del mercado.

Un estudio de mercado se realizó para determinar la factibilidad del proyecto. La deshidratación de alimentos tiene aproximadamente 80 afios de haberse creado industrialmente, pero no fué sino hasta 1944 cuando la industria deshidratadora tomó importancia. De ese tiempo a la fecha se han deshidratado una gran cantidad de alimentos por ejemplo leche, huevos, ciruelas, maíz, trigo, café, pollo, etc.

Sin embargo la práctica de deshidratación de nopal es relativamente joven tiene entre 10 y 15 años que se ha realizado de manera industrial, por lo mismo prácticamente no existe información registrada en institutos o secretarias pertenecientes al gobierno sobre antecedentes de la misma. Aún las mismas empresas dedicadas a este giro poseen poca o ninguna información al respecto por lo que el estudio se ha basado en testimonios de diversas personas que trabajan en el medio.

Se sabe que en estos últimos años el consumo de nopal deshidratado ha aumentado en México, debido a la tendencia a consumir productos naturales que existe y a las ferias realizadas para promover la gran diversidad de productos que de esta planta se pueden obtener.

Se tiene la expectativa de que en los subsiguientes años el consumo de nopal deshidratado se incremente aún más, principalmente por la creación de nuevos mercados tanto a nivel nacional como internacional.

Actualmente una de las principales compañías que emplean el nopal deshidratado "Golden Harvest" comienza a exportar sus productos a Canadá y Estados Unidos. Por otra parte "La Beneficiadora de Nopal del Carmen" tiene convenios de exportación de nopal deshidratado con Japbn y Finlandia. Así como estas empresas existen también otras que han realizado convenios fuera de nuestras fronteras y se sabe que otras compañías mexicanas y empresarios japonews intentarán asociarse con productores de nopal en el país con el propósito de indu\trlalizar el producto. También se pronostica que existan competidores de otros paises conlo s o n Chile e Italia.

2.2 Principales centros de consumo.

En México los principales centros de consumo se encuentran en las grandes ciudades Distrito Federal, Monterrey, Guadalajara ,Toluca y Estado de México. El

D.F.,

el más importante de ellos. consume la mayor parte de la producción total de nopal deshidratado además de contener el mayor número de empresas que se dedican a la elaboración del producto terminado en la siguiente variedad de presentaciones: cápsulas, comprimidos, perlas y tabletas.

Los principales consumidores del producto terminado son las personas con padecimientos de Diabetes Mellitus y obesidad. Sin embargo también los usan los deportistas como un complemento alimenticio a su dieta, y es recomendado por medicos naturistas para la regulación de los niveles de azúcar en la sangre y como un coadyuvante en los problemas digestivos. Esto significa que el mercado potencial en las ciudades es muy grande.

t:

I

(26)

La venta de nopal en polvo se realiza directamente de empresa a empresa, compañías como "Golden Harvest" y "Gelcaps" son de los principales consumidores de nopal deshidratado el cual procesan para su posterior distribución. La distribución del nopal deshidratado, ya en su presentación final, se realiza a través de las tiendas de autoservicio

,

farmacias, tiendas naturistas y mercados de alimentos. El producto se transporta vía terrestre a los diversos centros de distribución.

Existen otros productos naturistas en el mercado que puedieran ser sustitutos del nopal en el control de la diabetes como son el "Anti-Diabetikoo I' y el "Pancry- Xotla para el

control de la diabetes pero no gozan de tanto prestigio.

2.3 Composición química del producto

Un análisis bromatológico del nopal deshidratado que se comercializa actualmente posee las siguientes características:

Determinación BASE ORIGINAL BASE SECA

Humedad Proteína Cenizas

Extracto etéreo Fibra cruda Extracto libre de Nitrógeno Calcio Fósforo

3.37 10.50 25 .O7 9.88 9.3 1 41.87

10.92 8.35

"" 10.86 25.94 10.22 9.63 43.35

P z

(27)

PARTE

I11

(28)

Esta

sección explica el proceso de deshidratación de nopal a gran escala. En base al estudio de mercado realizado, se deberán producir 5 toneladas de producto al mes para satisfacer la demanda actual, esta cuota se ha tomado como base para el posterior diseño de la planta.

3.1 Procesos de obtención.

Además de las formas tradicionales de consumir el nopal fresco, ahora se presenta la opción de consumir el nopal como un complemento a la dieta de la población, que es el nopal deshidratado. Este producto presenta múltiples ventajas como alimento procesado, ya que es mas sencillo de empacar, permite ser transportado a largas distancias, aumentar su periodo de almacén (vida útil) y puede ser vendido en épocas en que la producción sea escasa o que sea difícil de encontrar el producto en el mercado. La obtención de harinas y polvos de muchas hortalizas es una operación que cada día se hace mas común dentro de la industria alimentaria para su posterior comercialización como materia prima o bien como condimento para alimentos preparados.

La harina o polvo es el resultado de la eliminación, casi por completo, del contenido total de agua que originalmente posee el alimento fresco. Entre las ventajas que se obtienen al aplicar la operación de deshidratación a un alimento como el nopal, cuyo contenido de humedad varia entre 90-94 % en peso, se pueden mencionar las siguientes:

a) Reducción del peso y volumen del producto, facilitando de esta forma su manejo, empaque, almacenamiento y transporte.

b) Conservación. debido a la reducción de su actividad de agua se elimina el crecimiento microbiano y disminuye la velocidad de las reacciones químicas y enzimáticas. c) Disminucibn del tiempo de secado, control de las variables que pueden intervenir.

(29)

3.2 Opciones Tecnológicas.

Existen diversas técnicas factibles para el secado y deshidratado de los productos vegetales, entre las mas importantes y conocidas se pueden mencionar:

-

Liofilización. - Aspersión. - Fluidización. - Secado al sol.

- Secado en hornos

Homos secadores de charolas

Homos secadores de charolas al vacío

Homos secadores de tipo túnel

Desde luego, cada uno de los procesos de secado y deshidratado presentan ventajas y desventajas que deben de ser estudiadas y consideradas cuidadosamente por separado, dependiendo del uso específico que se le dará al producto. En este trabajo se ha considerado la opción de utilizar la técnica de secado por fluidización.

El secado por fluidización es un medio atractivo para disminuir el contenido de humedad de muchos productos granulares. La técnica ha sido empleada industrialmente desde 1948, y actualmente goza de amplia popularidad en el secado de minerales triturados, arena,

polímeros, fertilizantes, fármacos, y muchos otros materiales industriales. Las principales ventajas de su aplicación sobre otros métodos son:

a) El contacto eficiente entre gas y sólidos conlleva a unidades de proceso compactas, y a costos de capital relativamente bajos, además de que presenta una eficiencia térmica relativamente alta.

b) El manejo de las partículas es mas delicado comparado con otros tipos de secadores.

c) La inexistencia de partes en movimiento del equipo, (aparte de los mecanismos de alimentación y

descarga), mantienen alta seguridad y costos de mantenimiento bajos.

d) Por tratarse de un alimento para consumo humano el secado se hace en forma rápida evitando así cualquier tipo de contaminación.

3.3 Selección del tipo de secador de lecho fluidizado empleado.

Dentro de la opción tecnológica de secado por fluidización un usuario potencial tiene una amplia variedad de equipos entre los cuales debe seleccionar. La primera distinción se hace entre un secador por lotes y u n secador continuo. Debido a que un secador por lotes normalmente se usa para una producción pequeña y una gran variedad de productos, de acuerdo con el estudio de mercado presentado en este caso se sugiere el uso de un secador de

/.

(30)

tipo continuo.

Así mismo se eligió un secador multi-etapas por dos principales motivos:

a) Aplicar los procesos de secado y enfriado en un mismo equipo.

b) Combinar las posibilidades de tener un secador continuo "perfectamente mezclado''

que

maneje un material húmedo, con uno de "flujo pistón" que alcance un contenido de humedad uniforme a la salida del producto, diseñando una unidad de varias etapas que tenga una sección "perfectamente mezclada" seguida de una sección de "flujo pistón".

3.4 Secuencia del proceso.

Recepción de materia prima

Lavado con agua

Lavado de agua con cloro

LIJ

Cortado Secado

+

Molienda

Figura 3

Secuencia del proceso para la deshidratación del nopal.

(31)

RecepcMn de materia prima.

Los nopales que se reciban serán sometidos primeramente a un muestreo por atributos, dependiendo del tamaño de la muestra se suguiere utilizar el sistema de muestreo militar de Estados Unidos ( mld std. 105 D ) (35 ).

El muestreo se aplicará en dos partes:

a) Muestreo para microorganismos ( microorganismos y hongos ).

b) Muestreo para insectos.

Respetando estos criterios, cada raqueta muestreada no deberá de presentar:

- Más de 3 puntos visibles de descomposición como son los puntos obscuros, resecos,

-

No tener desarrollo superficial de hongos.

- No tener insectos, ni más de 3 puntos de evidente daño causado por los mismos. con fuerte olor a descomposición.

Después de la inspección el nopal pasa a la sección dispuesta para su almacenamiento. El nopal como verdura fresca puede tener una vida de almacenamiento de 28 días bajo condiciones controladas de 10

"C

con una humedad relativa de 80 a 85%. Es recomendable

además algún producto químico ( como Benlate 500 ppm ) que proteja al nopal de los daños que le pueden causar los micoorganismos.

Lavado con agua.

Este se realizara por aspersión de agua limpia, sin adición de ninguna sustancia con el fin de disminuir la concentración de los posibles agroquímicos presentes en el nopal y para eliminar toda la materia orgánica.

Lavado de agua con cloro.

De la misma forma que el anterior pero dorando el agua de 10 a 30 ppm, para eliminar insectos y mcroorganismos presentes en el nopal.

Cortado.

El objetivo de este procedimiento será reducir el tamaño de los nopales a pequeños cubos para aumentar la superficie de contacto, antes de pasarlo al secador.

Secado.

Reducción del contenido original de agua a través de un secador de lecho fluidizado continuo multietapas.

Molienda.

En este paso se disminuirá el tamaño de las partículas secas a un polvo fino para su posterior empaque.

Empaque.

El producto debidamente molido será almacenado en sacos de papel (20 Kg), de tres capas con una bolsa interior de polietileno impermeable al oxígeno evitando así que la humedad del medio pase al interior del saco disminuyendo en lo posible la formación de microorganismos dentro del producto final.

c

i;

i

(32)

A continuación se presenta esquemáticamente el diagrama de flujo cualitativo del proceso para la deshidratación de nopal, figura 4.

U

w

I/)

4 -I

Q

O

Z

(33)

Parte

IV

Trabajo Experimental

I

(34)

4.1 Experimentación.

Después de una breve revisión bibliográfica se procedió a determinar las siguientes propiedades experimentales necesarias para el diseño del secador.

A partir de varios experimentos se escogió un cubo de 6 x 6 mm por el ancho de la penca como la forma estandar de manejar el nopal. Una vez seleccionado el tamaño de partícula se calcularon las siguientes densidades:

Nombre Subíndice Cantidad g / cm3

Aparente Empacada Empacada

(nopal seco) Lecho Nopal seco

a e

S

I

SS

0.947 0.553 0.3 143

0.43

1 .O3

El equipo empleado para la realización del trabajo experimental se esquematiza en la fig.

5

r o t a m e t r o

a i r e

trampa

de agua

FIGURA 5

(35)

Experimentos a nivel planta piloto arrojaron diferentes datos de flujos de aire vs caída de presión dentro del lecho, un ejemplo de estos se representa en la figura 6. Analizando estos datos se extrajeron diferentes velocidades de fluidización, comparandolas y considerando el hecho de que la forma de la curva no sigue el patrón esperado de la mayoría de los productos fluidizados, se seleccionó la velocidad minima de fluidización (VMF) en base a la observación del fenómeno corroborandose con el criterio de Kunii-Levenspiel. (13)

Operar el lecho a la VMF ( 2.33 m/s) permite la fluidización correcta de las partículas de nopal desde el inicio de la operación y evita gastos innecesarios de aire caliente en el proceso.

i

P D

I 1

9'

*"

Figura 6

Esiimación de la velocidad mínima de fluidización.

En la elección de la temperatura del proceso de secado se tomaron en cuenta dos factores:

1 ) El mínimo intervalo de tiempo para llevarlo a cabo.

2) La presentación final del producto seco.

L

E

t.

(36)

En la figura 7 se aprecia el tiempo empleado para el proceso de secado obtenido a diferentes intervalos de temperatura, las coloraciones resultantes en el producto fueron las siguientes:

Temperatura ("C) Color

50-60 60-70 70-80 80-85

6

4

2

Q

O

Verde obscuro Verde claro Verde café Café

Figura 7

Contenido de humedad vs tiempo de secado a diferentes temperaturas.

El análisis de la figura 7 revela que el intervalo de temperatura en el que conviene trabajar es de 60-70°C debido a que la presentación final del producto es satisfactoria para su comercialización y el tiempo en el que se lleva a cabo es de aproximadamente 80 minutos. Cabe mencionar que las pruebas se realizaron en una balanza de determinación de humedades marca OHAUS modelo 60 1 O.

(37)

m

m

m

m

m

Fig 8.

Contenido de humedad vs tiempo a 70°C.

El comportamiento inicial de la curva de humedades (X) refleja la estabilización del sistema, motivo por el cual decrece tan rápidamente, resulta satisfactorio para tines de diseño no considerar este periodo modificando los valores iniciales con el fin de obtener un periodo constante desde el inicio de la operación.

b

(38)

m

O

m

*

m

~\ m

m

t5 ~T . ! B

. Q

Fig. 9

Curva de contenido de humedad vs tiempo considerando desde el inicio un periodo constante.

La proposición de un lecho perfectamente mezclado exige mantener una temperatura constante dentro del lecho, sin embargo el procedimiento para lograrlo es extremadamente complejo por lo que los datos experimentales de la curva de secado se obtuvieron a una temperatura de entrada del aire constante y se transformaron a datos de temperatura de lecho constante por el método propuesto por Reay D. y Allen R.W.K. (1 1, 32, 33) mediante la siguiente ecuacicin:

donde:

ib temperatura del lecho constante

I I temperatura del gas constante

At intervalo de tiempo que le toma al proceso obtener la humedad deseada.

Ps es la presión parcial de vapor de saturación

(39)

Xe es el contenido de humedad del sólido en el equilibrio.

T es la temperatura

X es la diferencia del contenido de humedad del sólido

Este último parámetro es muy importante ya que la variacion de la humedad (variable independiente) da a conocer el cambio en el tiempo (variable dependiente).

Para emplear la ecuación se siguió la siguiente metodología:

1 ) Obtención experimental de los datos a temperatura de entada del gas constante. Se cargó el equipo piloto con una muestra de 500 g la cual se secó durante un tiempo determinado t. transcurrido este tiempo se retiró del secador y se obtuvo la lectura de su contenido de humedad. Simultaneamente se registró el desarrollo de ,la temperatura en el proceso, esto se llevó a cabo introduciendo un termopar en el equipo piloto y tomando su lectura a los diferentes tiempos t. Con estos datos se construyó la gráfica que ejemplifica la

cinética de secado del nopal y la evolución de la temperatura en el proceso, esta se presenta en la figura 9.

2) Medición de algunos datos de humedades al equilibrio con el fin de generar una gráfica que considere el rango de temperaturas evaluado durante todo el proceso. Para obtener la figura 1 O. se realizó el siguiente experimento:

Muestras de IO g de nopal fresco cortado en forma estándar se introdujeron en una charola a una mufla mantenida a temperatura constante durante varias horas. Después se pesó varias I ece\. cuando ya no existió variación en este se registró la humedad de equilibrio

a esa temperatura.

m

0

*

m

O E X

014.

OM

m

3) 4, S,

T( C)

\i.\\

\

Figura 10.

(40)

3) La curva de humedades de la figura 9 se dividió en intervalos constantes obteniendo así la variación con respecto al tiempo (At)¡,

.

4) Con el intervalo (At),, , se leyó la variación de la temperatura de la figura 9 obteniendo

un promedio de ella Tii. Con este último dato se obtuvo la lectura de la humedad al equilibrio de la figura 10.

Una muestra de la secuencia de los pasos antes descritos se ejemplifica a continuación: Paso 1 : Se divide la curva de humedades (fig.9) y se obtiene

P

5

X 8 O

O

7

s.

a ._

X l + X 2

11.2+11

X =

2

2

-

- =

11.1

T I

+ T I

37.8

+

39.1

Ti,

= ~

2

2

-

- =

38.45

t ~ + t z 0+0.75 (At)¡¡ = ~

2

2

-

(41)

Paso 2: Tib es constante por lo que se puede obtener Ps y Pi (12) y Xe de la figura 10.

Xe (70 " C ) = 0.0834 Ps (70°C) = 0.3 1 16 bar Pi (70 "C) = 0.00163 bar

Los datos son

Paso 3:Lo mismo se realizó para Tii

Ps (38.45"C) = 0.06835 bar Xe (38.45 "C) = 0.2 1 1

Paso 4: Despejando la ecuación A y sustituyendo los valores se obtiene:

[

( P s -

Pi)(

x

- Xe)]Tii

[

( P s

-

Pi)(

x

- Xe)]Tib

(At)ib

=

(At)ii

...( A )

[ ( P s - 0 . 0 0 1 6 3 ) ( X - X e ) ] T i i

[(0.3116-0.00163)(X-0.0834)]Tib

(At)ib

=

"-1

(At)ii

[(0.6835-0.00163)(11.1-0.211)]Tii

[(O. 3 1 16 - O. O01 63)(

1 1.1

-

O.

0834)lTib ( A t ) i b =

1

x

(22.6)

= 4.78 S

Paso 5: Ordenando los valores obtenidos del calculo anterior se tiene:

xi

(.At)¡¡ ( S ) Ti ("C) PS (bar) Xe (At)ib (S)

1 1 . 1 22.5 38.45 0.068 0.21 1 4.78

e

Pi*

L .

d

(42)

675

-

625

5.75

5.25

4.75

.

4.25

3.3

325-

~.

2 5

.

225

1.75

'

13

14.375

15.75

172.5

1875

2325

21.625

~~

23

24.63

n.

125

%

2

5

I

f

,

(43)

2, a.

O.

O 5

o

i

o

i 5

*

~-

20

T i e m p o ( m i n )

Figura 1 1

Cinética de secado del nopal a temperatura del lecho constante.

El diseño se lleva a cabo mediante la resolución de los balances de materia y energía en el secador ( 1 1 ):

F ( X i - X o ) = G ( y o - y i )

...(

1)

FHFi

+

GHgi

+

Q h =

FHFo

+

GHgo+

Q w

...(

2)

Del balance de energía general (ecuación 2) se eliminaron los términos de calor que se pierde por las paredes del secador, suponiendo que es adiabático, y el término de calor cedido por algún intercambiador inmerso en el lecho; por lo que el balance general del secador resulta igual a:

(44)

Donde las entalpías se definen como:

HFi =

jTFi

(

CN

+

XiCH 2o)dT

O

HFO

=

J,""

(

CN

+

X o C ~ 2 0 ) d T

Hgi = 5,"' (Cg

+

yiCv)dT

+

yih

H g o =

joT'"

(Cg

+

y0Cv)dT

+

yoh

Sustituyendo los términos de la ecuación 3, se obtiene el balance de energía desglosado:

( i

[

lorg'

(Cg

+

y G ) d T -

ITgo

O (Cg

+

yoCh)dT -

h(

YO - yi

C N + X O C H ~ ~ ) ~ T - ~ ~ ~ ~ ~ ( C N + X ¡ C H ~ ~ ) ~ T

1

...(

4)

Debido a ~ I I C se desconocía la temperatura de entrada del aire a las nuevas condiciones los balances I U \ leron que resolverse simultáneamente

.

De las ecu;lc tones ( 1 ) y (4) se conocen los siguientes datos:

-Debido a que se requiere una producción de 5 Toneladas al mes, se propone que la fábrica produzca nopal seco de lunes a viernes, durante dos turnos de ocho horas cada uno, entonces:

-

ton lmes ldía

lOOOkg

kg

= 3-*-

*-*"

= 14.20

15-

mes 22días

16h

1

ton

h

-La temperatura de salida del gas y del sólido es de 70°C, debe de ser la misma ya que están en equilibrio.

(45)

-El contenido de humedad inicial del nopal en base seca es de 15.667 y la final, considerada para evitar el crecimiento de microorganismos en el producto, es de O. 10.

-El contenido de humedad inicial del aire es de 0.01

-La velocidad mínima de fluidización se obtuvo experimentalmente y se corroboró bajo el criterio de Kunii-Levenspiel (O) ( P d/min=35 cmH20).

-Los datos de calores específicos (8,9) estimados son:

kJ

C H ~ O

= 4.19-

kg"

C

kJ

CN

=: 1.55-

kg"

C

(33.46

+

0.638X10-*

T

+

0 . 7 6 0 4 X 1 0 - 5 T 2 - 3.593X10- T

)

18

9 3

cv

=

(28.94+0.4147X10-2T+0.3191X10-5T2

-1.965XlO- 9

T

3

)

29

c g =

-El flujo del gas se obtiene mediante las siguientes ecuaciones:

FtR

P B

A = -

...(

5)

G

= pgUA

...(

6 )

Las propiedades del sistema, se estimaron son

Area del secador: 7.088X 1 0-3m2 Flujo del aire: 35scfm

(46)

Evaluando las ecuaciones se obtiene:

m 2 60min m

min l h h

3

G

= pg*139.82-*0.2m

*-

= pg*1707.2-

...(

7 )

Se tiene entonces que el area necesaria para el secador es de 0.2 m2, sin embargo el valor de G no puede calcularse porque se desconoce la temperatura a la que entra el flujo de aire, esta es una consideración que debe tomarse en cuenta cuando se habla de gases.

AI desconocer entonces el valor de G con exactitud el balance de materia no puede calcularse. para conocer la humedad a la salida del secador del aire, se reescribe la ecuación

1

F(

X

i

- X o ) 15kg*(15.667-0.1)

h

233.505 kg

yo =

+

yi

=

G

G

+

0.01 = G - h

+

0.01

...(

8)

Finalmente la otra ecuación con la que se conocerá la temperatura de entrada

,

el flujo y la humedad del aire se obtiene sustituyendo los valores antes mencionados en el balance de energía y se evalúa por el método de prueba y error.

0.4147X10-2 *Tgi2 0.3191X10-5*Tgi3 1.965X10-9*Tgi

29 2 4

3

4

I +

+

-

G*0.01 O.688X1Ow2 *Tgi2 0.7604X10-5*Tgi3 3.593X10-9*Tgi

33.46Tgi

+

+-

-

18

2

3 4

G[2.5*(~o-O.Ol)+70.22+G~o*131.1]-18091

...(

9)

(47)

de entrada es de 77.5"C. el flujo de 17,200 Kg/h y su humedad de 0.1457, esta última tiene un punto de rocío de 59°C lo cual impedirá la condensación en el ciclón (a 70°C) del agua que arrastra.

No todas las partículas extraídas del secador presentan exactamente igual contenido de agua al final del proceso, por lo que se hace necesario considerar un promedio del porcentaje de la misma en una muestra del producto, asegurando así satisfacer las necesidades requieridas industrialmente.

El valor final promedio de la humedad se evalúa mediante la siguiente función:

X

=

JmX(t)E(t)dt

O

donde:

X(t) es la función que describe la cinética del secado

E(t) representa una función de distribución del tiempo de residencia.

El empleo de la función de distribución E(t) que implique que dentro del secador existen varias etapas permite conocer el número de etapas necesarias para obtener la humedad final requerida, por lo que se ha seleccionado la siguiente:

N es el número de etapas

La función matemática que describe la cinética de secado del proceso es la siguiente:

1

O.

2867

-

O.

7396*

t ,

[O,

9.74841

7.3917*exp(-O.O892*t), [9.7484,

501

f (

x)

=

Esta función representa ambos periodos y el punto en el que se intersectan se conoce como punto critico (aquel donde la función cambia de forma), de la figura #4 se observa que este punto tiene las coordenadas:

(48)

La integral debe evaluarse hasta infinito sin embargo a los 50 minutos la función ya ha alcanzado la humedad de equilibrio por lo que se evaló hasta este punto, físicamente humedades menores a esta son imposibles de obtener. L a integral queda entonces:

(1.02867 - 0.7396* t)*

9.7484

[

N - l ) !

*>-*(

35 & T - ' * e x p (

S)]]

dt

+

,f~~4(1[(7.3917*exp(-0.0892*t))*

[

(

N - l)! *-"*(&T"*exp($)]]dt 35

Los valores promedio de humedad final en las partículas obtenidas de la evaluación de la integral anterior, con diferentes números de etapas en el secador, se muestra a continuación:

Número de etapas Valor de la humedad final

1 2.23

2 2.00

3

o.

10

Después de considerar los números de etapas (N:), se determino que el valor de la

(49)

i

PARTE

V

Diseño

de la

planta

(50)

5.1 Ubicación.

La planta deshidratadora de nopal puede establecerse en el municipio de Atlatahuacan, estado de Morelos, el lugar se ha seleccionado por la siguientes razones:

- Fácil acceso y cercanía con la materia prima.

- El clima que prevalece en la región (humedad, temperatura adecuados al proceso). - Cercanía de la planta con respecto al mercado de venta del producto.

Morelos cuenta con una población aproximada de doce mil ciento cuarenta y dos habitantes en una distribución proporcional de hombres y mujeres, siendo el cuarenta y nueve por ciento del total una población entre quince y veinticinco años por lo que es considerada una población joven El setenta por ciento de la población total se considera urbana y el treinta por ciento rural. Se espera que para el año dos mil exista una población de quince mil trescientos noventa y siete habitantes.

La educación de la población es de estudios de pre-primaria, primaria y telesecundaria mientras que los servicios de salud existentes son los proporcionados por la secretaria de salud. Los servicios públicos con que cuenta el Municipio son agua potable, energía eléctrica, drenaje, alumbrado publico, pavimentación, etc.

Cuenta con vías de comunicación terrestre rápidas como la carretera federal Mexico- Cuautla vía Amecameca, carretera estatal Atlatlahuacan-Totolapan que llega al crucero Mexico-Cuautla. En comunicaciones existen servicios de correo, telégrafo, teléfono, así como señales de radio y televisión.

El clima es templado y frío, registrándose una temperatura media de veinte grados centígrados, una precipitación pluvial de 1.005 milímetros anuales, vientos ligeros, no existen volcanes en un radio de 10 kilómetros, ni presentan actividad sísrnica.

5.2 Capacidad de la planta.

La capacidad de la planta es una función de los requerimientos del mercado, en base a los datos obtenidos de empresas como "Industrias Químico Farmacéuticas Americanas",

"Beneficiadora de Nopal del Carmen", y "Golden-Harvest" revelan que las cantidades demandadas a nivel nacional e internacional actualmente serían cubiertas con 3 toneladas mensuales de producto.

(51)

.

BASE: 35 minutos de operación, unidad diseñada para producir 15 kg por hora de nopal deshidratado.

MATERIA PRIMA PROCESO PRODUCTO

NOPAL FRESCO

250 Kg

AGUA

2023 It

AGUA CON CLORO

( 1 0-30 ppm)

2943 It

.jIRE SECO

1720.45 Kg

2

PRIMER LAVADO

DE NOPAL LIMPIO Y FRESCO

250 Kg

AGUA 2023 It

SEGUNDO LAVADO

NOPAL FRESCO

250 Kg

A Y DESINFECTADO

AGUA 2943 It

CORTADO

NOPAL FRESCO EN CUBOS

250 Kg

J

SECADO POR LECHO FLUlDlZADO

/

NOPAL SECO 16.5 Kg

EMPAQUE

NOPAL SECO

16.5 Kg

(EN SACOS DE 20 Kg)

MOLINO

NOPAL SECO

16.5 Kg

?

y_+ CICLON

AGUA 233.5 Kg

AIRE SECO 1720.45 K g AGUA

233.5 Kg

Figure

Figura 2. Mapa de la República Mexicana  mostrando las principales  zonas de producción  del  nopal

Figura 2.

Mapa de la República Mexicana mostrando las principales zonas de producción del nopal p.8
cuadro 1  :  Cuadro  1  Centro-sur  (1)  Estado  de  Mexico,  Morelos,  Puebla,  Juerétaro  y  Oaxaca Zonas  Nopaleras  I - (  -  "  L  Ficus-indica, Megacantha, Arnyclaea, Tornentosa Nopales de  porte alto y  productores de verdura y  fruta, forraje e

cuadro 1 :

Cuadro 1 Centro-sur (1) Estado de Mexico, Morelos, Puebla, Juerétaro y Oaxaca Zonas Nopaleras I - ( - " L Ficus-indica, Megacantha, Arnyclaea, Tornentosa Nopales de porte alto y productores de verdura y fruta, forraje e p.9

Referencias

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