Diseño, construcción y puesta en marcha de una incubadora con control automático de tiempo y temperatura para los procesos fermentativos en la planta agroindustrial de la UTE campus Arturo Ruiz Mora 2010.

(1)

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Campus Santo Domingo

ARTURO RUIZ MORA

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA

Carrera de Ingeniería Agroindustrial y Sistemas de Gestión

Tesis previa a la obtención del título de:

INGENIEROS AGROINDUSTRIALES, MENCIÓN EN ALIMENTOS

“DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UNA

INCUBADORA CON CONTROL AUTOMÁTICO DE TIEMPO Y

TEMPERATURA PARA LOS PROCESOS FERMENTATIVOS EN LA PLANTA AGROINDUSTRIAL DE LA UTE CAMPUS ARTURO RUIZ MORA 2010”.

Estudiantes: RAUL ECUADOR CEDEÑO CANTOS TITO HORACIO ZAMBRANO AVEIGA

Director de tesis

ING. ALEJANDRO BERMUDEZ

(2)

ii

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UNA

INCUBADORA CON CONTROL AUTOMÁTICO DE TIEMPO Y

TEMPERATURA PARA LOS PROCESOS FERMENTATIVOS EN LA PLANTA AGROINDUSTRIAL DE LA UTE CAMPUS ARTURO RUIZ MORA 2010.

Ing. Alejandro Bermúdez

DIRECTOR DE TESIS _________________________

APROBADO

Ing. Daniel Anzules

PRESIDENTE DEL TRIBUNAL _________________________

Ing. Juan Crespín

MIEMBRO DEL TRIBUNAL __________________________

Ing. María Gutiérrez

MIEMBRO DEL TRIBUNAL __________________________

(3)

iii

Autores: RAUL ECUADOR CEDEÑO CANTOS

TITO HORACIO ZAMBRANO AVEIGA

Institución: Universidad Tecnológica Equinoccial

Título de tesis: “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE

UNA INCUBADORA CON CONTROL AUTOMÁTICO DE TIEMPO Y TEMPERATURA PARA LOS PROCESOS FERMENTATIVOS EN LA PLANTA AGROINDUSTRIAL DE LA UTE CAMPUS ARTURO RUIZ MORA 2010”.

Fecha: JUNIO 2012

Del contenido del presente trabajo se responsabilizan los autores.

Raúl Ecuador Cedeño Cantos 171733860-0

Tito Horacio Zambrano Aveiga

(4)

iv

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Campus Santo Domingo

ARTURO RUIZ MORA

INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS

Santo Domingo…….de……….del 2012.

Ing. Daniel Anzules

COORDINADOR DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

Estimado Ingeniero

Cumplo en informar que el trabajo investigativo realizado por los señores RAUL ECUADOR CEDEÑO CANTOS Y TITO HORACIO ZAMBRANO

AVEIGA, cuyo tema es: “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN

MARCHA DE UNA INCUBADORA CON CONTROL AUTOMÁTICO DE TIEMPO Y TEMPERATURA PARA LOS PROCESOS FERMENTATIVOS EN LA PLANTA AGROINDUSTRIAL DE LA UTE CAMPUS ARTURO RUIZ

MORA 2010”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus

partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.

Particular que informo para los fines pertinentes.

Atentamente,

(5)

v

Dedicatoria

(6)

vi

Agradecimiento

Agradecemos a nuestro padre Dios por haber cuidado de nosotros cada viaje y cada día en nuestros estudios universitarios. A nuestros padres por el apoyo brindado y por su sabiduría para guiarnos por el camino correcto. A nuestros hermanos por comprendernos y estar ahí siempre que necesitamos de ellos, a nuestro director de tesis el Ing. Alejandro Bermúdez que a más de ser un gran profesor fue riguroso y gentil amigo quien con sus severas llamadas de atención nos motivaba para seguir adelante, A todos nuestros compañeros con los que compartimos y seguiremos compartiendo momentos agradables.

(7)

vii

ÍNDICE DE CONTENIDO

Portada i

Hoja de sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal ii

Hoja de responsabilidad de los autores iii

Informe de aprobación del director del plan de titulación iv

Dedicatoria v

Agradecimiento vi

Índice vii

Resumen ejecutivo xvii

Executive Summary xviii

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes. 1

1.1.1 Antecedentes Históricos. 1

1.1.2 Antecedentes Científicos. 1

1.1.3 Antecedentes Prácticos. 2

1.1.4 Importancia Práctica del estudio. 2

1.1.5 Situación actual del tema a investigar. 3

1.2 Limitaciones del estudio. 3

1.3 Alcance del trabajo. 4

1.4 Formulación del problema. 4

1.5 Objeto de estudio. 4

1.6 Objetivos. 5

(8)

viii

1.6.2 Objetivo específico. 5

1.7 Justificación del estudio. 5

1.7.1. Impacto Teórico 5

1.7.2 Impacto Práctico 6

1.7.3 Impacto Social 6

1.7.4 Factibilidad 7

1.7.5 Legal 7

CAPÍTULO II

MARCO DE REFERENCIA

2. La fermentación 8

2.1 Descripción 8

2.2 Fases de la fermentación 8

2.2.1 Fase lag 9

2.2.2 Fase de crecimiento exponencial 9

2.2.3 Fase estacionaria 9

2.2.4 Fase de muerte 10

2.3 clasificación de la fermentación. 10

2.3.1 Fermentación aerobia. 10

2.3.2 Fermentación anaerobia. 11

2.4 Tipos de fermentación. 11

2.4.1 Fermentación acética 11

2.4.2 Fermentación alcohólica. 12

2.4.3 Fermentación butírica. 13

(9)

ix

2.5 Clasificación de microorganismos de acuerdo a la

temperatura. 14

2.6 Efecto de la temperatura en el crecimiento

de los cultivos microbianos. 15

2.7 Alimentos fermentados. 15

2.7.1 Cerveza. 15

2.7.2 Vino fino. 16

2.7.3 Vinagre. 16

2.7.4 Yogurt. 16

2.8 Ventajas de los alimentos fermentados. 17

2.9 Incubadora. 17

2.10 Transmisión de calor 18

2.10.1 Conducción del calor 18

2.10.2 Transmisión de calor por convección 19

2.10.2.1 Coeficiente de transferencia de calor 20 2.10.2.2 Coeficiente de transferencia de calor global 22

2.10.2.3 Calor Sensible 23

2.11 Equipos incubadoras. 24

2.11.1 Fermentador de tanque agitado. 24

2.11.2 Fermentador de ciclo 25

2.11.3 Fermentador air-lift 25

2.11.4 Fermentador de lecho fijo 26

2.11.4.1 Ventajas de fermentador de lecho fijo 26

2.12 Componentes de una incubadora 27

2.12.1 Acero inoxidable 27

(10)

x

2.12.2 Carcasa 28

2.12.3 Recipientes 29

2.12.4 soporte 29

2.12.5 Puertas 29

2.12.6 Bisagras 29

2.12.7 Resistencia eléctrica 30

2.12.8 ventiladores 30

2.12.9 focos infrarrojos 30

2.12.10 Temporizador 31

2.12.11 Sensor de temperatura 31

2.12.12 Aislante térmico 31

2.12.13 Breaker 31

2.12.14 Pantalla 32

2.12.15 Cauchos de las puertas 32

CAPÍTULO III METODOLOGÍA

3.1 Tipo de investigación. 33

3.1.1 Descriptiva 33

3.1.2 No Observacional 33

3.1.3 Relacional 33

3.2 Método inductivo 33

3.3 Fuentes y técnicas de investigación 34

3.4 Materiales, materia prima, equipos y reactivos. 34

3.4.1. Materiales 34

(11)

xi

3.4.3. Equipos 35

3.4.4 Materia prima 35

3.5 Elaboración de yogurt 35

3.5.1. Diagrama de flujo para la obtención de yogurt 36 3.5.2. Descripción técnica del proceso de elaboración yogurt 37

3.5.2.1. Recepción 37

3.5.2.2. Pasteurización 37

3.5.2.3. Enfriado 37

3.5.2.4. Inoculación 37

3.5.2.5. Incubación 37

3.5.2.6. Refrigeración 37

3.5.2.7 Corte del coagulo 37

3.5.2.8. Envasado 38

3.5.2.9. Almacenado 38

3.6 Balance de materia del yogurt a nivel de laboratorio 38 3.7 Cálculo de coeficiente de transferencia de calor de la

Incubación a nivel de laboratorio 43

3.7.1 Calor practico del producto 43

3.7.2 Cálculo del calor de paredes verticales 44 3.7.3 Área de las paredes verticales de la incubadora 47 3.8. Cálculo del calor de paredes verticales 48

3.8.1 Coeficiente isobárico 48

(12)

xii

3.8.6 Calor practico del producto 56

3.8.7 Calor específico de la mezcla. 56

3.8.8 Calor total teórico del producto 57

3.8.9 Porcentaje de error de la incubadora 57 3.8.10 Cálculo de coeficiente global de transferencia de calor a

Nivel piloto 58

CAPÍTULO IV

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN.

4.1 Materiales 59

4.2 Información Básica 60

4.3 Diseño de los recipientes de la primera cámara de

incubación. 61

4.3.1 Calculo de Q total /cámara 61

4.3.2 Calor total teórico del producto 62

4.3.3 Cálculo del área requerida de transferencia de calor

requerida. 62

4.3.4 Cálculo del volumen del Cilindro. 62

4.3.5 Cálculo de volumen de los tubos 63

4.3.6 Volumen real de recipiente. 63

(13)

xiii

4.3.13 Capacidad total en litros por cada cámara de incubación. 66 4.3.14 Área total de transferencia por cámara de incubación. 66 4.3.15 Material Usado en de la construcción de los recipientes. 67

4.4 Material Aislante 67

4.4.1 Cálculo de material aislante con lana de vidrio 67

4.5 Construcción de la estructura 69

4.6 Descripción de la parte interna del equipo de incubación. 69 4.7 Componentes Electromecánicos de la incubadora 69

4.7.1 Resistencias eléctricas 69

4.7.2 Boquillas 70

4.7.3 Focos 70

4.7.4 Ventiladores 70

4.7.5 Rodamiento del eje del ventilador 71

4.7.6 Bisagras 71

4.7.7 Sensor de temperatura PT100 71

4.7.8 Gabinete modular de 40X30cm 72

4.7.9 Controlador de tiempo CTA4 72

4.7.10 Controlador de temperatura DTB 72

4.7.11 Selector de dos posiciones 73

4.7.12 Pulsador paro de emergencia con retención 73

4.7.13 Contactor 73

4.7.14 Braker 73

4.7.15 Relé auxiliar con base 74

4.7.16 Convertidor para PC 74

4.7.17 Cable flexible N18 74

(14)

xiv

4.7.19 Cable concéntrico 3x12AWG 74

4.8 Planos del equipo 75

CAPÍTULO V

MANUAL DE FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO PUESTA EN MARCHA DE LA INCUBADORA

5. Manual de funcionamiento de la incubadora 86

5.1 Identificación de componentes en el panel modular 86 5.2.1 Descripción de los componentes y botones de control en

el panel modular 87

5.2.2 Pulsador paro de emergencia 87

5.2.3 Controlador de tiempo CTA4 87

5.2.4 Controlador de temperatura DTB 88

5.2.5 Selector de dos posiciones “N1” 89

5.2.6 Selector de dos posiciones “N2” 90

5.3 Procedimiento para la elaboración de yogur en la

Incubadora 90

5.4 Limpieza 93

5.5 Evaluación del equipo en la elaboración de yogur a la

Capacidad total 93

5.6 Mantenimiento 94

5.6.1 Ventiladores de cada cámara 94

5.6.2 Funcionamiento de las resistencias 94

5.6.3 focos infrarrojos 94

5.6.4 Sensor de temperatura PT100 95

(15)

xv

5.7.1 Cambio de boquillas 95

5.7.2 Cambio de focos 95

5.7.3 Cambio de resistencia 95

5.7.4 Cambio de ventiladores 96

5.7.5 Cambio de sensor de temperatura PT100 96 5.7.6 Daño de controlador de temperatura DTB 96

5.7.7 Daño de controlador de tiempo CTA4 97

5.8 Personal de construcción y electrónica 97

CAPITULO VI

6.1 Conclusiones 98

6.2 Recomendaciones 99

BIBIOGRAFÍA. 100

ANEXOS. 103

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro No. 1 Clasificación de microorganismos de acuerdo a la

Temperatura 14

Cuadro No. 2 Evaluación del equipo en la elaboración de yogurt

a la capacidad tota 93

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura No. 1 Fases de la fermentación 8

(16)

xvi

Figura No. 3 Fermentación láctica 14

Figura No. 4 Fermentador de tanque agitado 24

Figura No. 5 Fermentador de ciclo 25

Figura No. 6 Fermentador air-lift 25

Figura No. 7 Fermentador de lecho fijo 26

Figura No. 8 Composición química de los aceros inoxidables

Austeníticos y aleaciones de níquel 28

Figura No. 9 Calor practico del producto 43

Figura No. 10 Área de las paredes verticales de la incubadora 47 Figura No. 11 Área de las paredes horizontales de la incubadora 51 Figura No. 12 Área de las bandejas del secador 58 Figura No. 13 Cálculo del volumen del Cilindro 62 Figura No. 14 Cálculo de volumen de los tubos 63

Figura No. 15 Volumen real de recipiente 64

Figura No. 16 Área de transferencia de calor del cilindro 64 Figura No. 17 Área de transferencia de calor de la base del

cilindro 64

Figura No. 18 Área de transferencia de calor del cilindro 65 Figura No. 19 Área de transferencia de la base de los 6 tubos 65 Figura No. 20 Identificación de componentes en el panel modular 86

Figura No. 21 Pulsador paro de emergencia 87

Figura No. 22 Controlador de tiempo CTA4 88

(17)

xvii

RESUMEN EJECUTIVO

El presente trabajo describe el diseño, construcción y puesta en marcha de una incubadora para procesos fermentativos, para el cúal se utilizo, la elaboración de yogur ya que para elaborar este producto se necesita la inoculación de dos tipos de bacterias Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus las cuales son muy susceptibles a los cambios de temperatura y a tiempo de incubación. Al iniciar esta investigación se realizó pruebas a nivel piloto, la cual proporciono datos para poder dimensionar el equipo determinando el área de transferencia de calor y evaluar los diferentes parámetros que influencian directa e indirectamente en el equipo, Este equipo consta de dos cámaras independientes en las cuales se puede realizar procesos totalmente diferentes y en condiciones que garantizan que el cultivo no se contaminara ya que se construyó en acero inoxidable grado alimenticio 304 el cual es de alta calidad y seguridad alimentaria.

En el diseño del quipo se planifico que cada una de las cámaras puedan ser manejadas y monitoreadas de manera independiente permitiendo evaluar un medio de cultivo a parámetros de tiempo y temperatura diferentes.

(18)

xviii

EXECUTIVE SUMMARY

This paper describes the design, construction and operative aspects of an incubator for fermentation processes. As a technological base in this regard, it was taken as a model the process to elaborate yogurt. This product requires the inoculation of two types of bacteria: Lactobacillus bulgaricus and Streptococcus thermophilus, which are very susceptible to changes in temperature and incubation time. In beginning of this research, pilot tests were conducted which issued data that contributed to evaluate several parameters related to the equipment (purchased machines) that directly or indirectly influence its functionality. This equipment has two separate chambers in which they can perform completely different processes in conditions that ensures the crop will not be contaminated since it’s built in stainless steel, food grade 304, which is high quality and procures food safety.

The design of the equipment was planned in order that each of the chambers can be managed and monitored independently, allowing to evaluate a culture medium in terms of time and temperature.

(19)

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1.1. Antecedentes

1.1.1. Antecedentes Históricos

La incubación es un proceso natural donde un inoculo se desarrolla en un medio orgánico y las condiciones ambientales como la temperatura, humedad, oxígeno, tiempo son adecuadas, dando como resultados cambios en la composición del sustrato o medio orgánico. El conocimiento humano sobre los efectos producidos por la incubación de microorganismos ha estado presente incluso antes de tener conciencia de su existencia, hace más de 4500 años tribus nómadas se dieron cuenta que la leche se convertía en una masa semisólida al transportarla en sacos de piel de cabra, porque el calor y el contacto de la leche con la piel de cabra fomentaban su fermentación mediante la acción de bacterias ácidas. Debido a procesos de fermentación provocados por la incubación de bacterias o levaduras se puede elaborar pan, bebidas alcohólicas y productos derivados de la leche, el hombre fue aplicando la incubación en la elaboración de diferentes alimentos fermentados para preservar o cambiar las condiciones organolépticas.

1.1.2. Antecedentes Científicos

(20)

y virales, entre otros. Con el estudio de la microbiología se logró clasificar el grupo bacteriano presente en cada tipo de fermentación y determinar las temperaturas óptimas para el desarrollo en el medio orgánico que los contiene.

1.1.3. Antecedentes Prácticos

En tiempos pasados la incubación para procesos fermentativos se daban de forma rustica, con el pasar del tiempo, la revolución industrial y el incremento del consumo de este tipo de alimentos a nivel mundial se fueron desarrollando técnicas de incubación de bacterias a mayor escala en la industria alimenticia, es así que se fueron utilizando diferentes equipos, el principal la incubadora que permite obtener productos fermentados con el fin de preservar el alimento y aumentar la productividad. A nivel nacional existen muchas empresas que se dedican a la producción de alimentos fermentados principalmente derivados de la leche por ser de mayor aceptación en la cultura alimenticia siendo estas las que empiezan a invertir en nuevas tecnologías de control. En el galpón agroindustrial de la UTE este proceso se lo lleva acabo en una marmita de tipo industrial, con la limitante que este equipo no emite datos exactos como temperatura y tiempos que pueda cuantificar estas variables sobre el efecto en el desarrollo de los microorganismos y el medio que los contiene, hacemos esta aseveración porque hemos realizados por muchos años prácticas de laboratorio en el la Planta agroindustrial y este fue uno de los motivos que incentiva en inicio de esta investigación.

1.1.4. Importancia Práctica del estudio

(21)

Ruiz Mora dado que el diseño especializado e implementación de este equipo permitirá que los procesos fermentativos que se realizan, sean automatizados, controlando con exactitud parámetros como el tiempo y la temperatura que influyen en el desarrollo y supervivencia de los microorganismos que intervienen en la tecnología de procesos fermentativos. Por otra parte se fomentara investigaciones ya que este equipo permitirá emitir datos específicos para las investigaciones que se realicen, teniendo un impacto en el desarrollo de investigaciones de técnicas de conservación de alimentos, operaciones unitarias, procesos agroindustriales y computación aplicada tomando en cuenta que estas son las bases para el diseño, planificación y ejecución del equipo.

1.1.5. Situación actual del tema a investigar

Los procesos fermentativos que se realizan en el galpón agroindustrial de la UTE campus Santo Domingo, carecen de diseños, equipos y sistemas especializados que permitan controlar con exactitud variables como el tiempo y la temperatura, esto origina que el acondicionamiento del medio donde actúan los agentes fermentadores sean deficientes e inestables dando como resultado productos no estandarizados. Es por esta razón que existe la necesidad de diseñar e implementar una incubadora automatizada que controle el tiempo y la temperatura en procesos fermentativos.

1.2. Limitaciones del estudio

(22)

donde se pueda imitar condiciones para el desarrollo de fermentaciones. Con respecto a la construcción no existe ningún impedimento ya que los materiales pueden ser adquiridos a nivel nacional, local y se cuenta con técnicos especializados en trabajos con acero inoxidable y otros materiales.

1.3. Alcance del trabajo

Satisfacer la necesidad que existe en el galpón agroindustrial de realizar procesos fermentativos estandarizados en una incubadora que emita datos cuantitativos permitiendo a los estudiantes desarrollar procesos de fermentación con alta capacidad de investigación.

1.4. Formulación del problema

¿Estará influenciando en los procesos fermentativos la falta de diseño, construcción y puesta en marcha de una incubadora con control automático de tiempo y temperatura para los procesos fermentativos que se realizan en la planta agroindustrial de la UTE campus Santo Domingo?

1.5. Objeto de estudio

(23)

1.6. Objetivos

1.6.1. Objetivo general

Diseñar, construir y poner en marcha una incubadora para procesos fermentativos a determinados tiempos y temperaturas en la planta agroindustrial de la UTE campus ARTURO RUIZ MORA 2012.

1.6.2. Objetivo específico

1.-Determinar el área de transferencia de calor de la incubadora.

3.-Determinar el aislamiento térmico que debe tener el equipo para minimizar la transferencia de calor.

2.-Diseñar un equipo que mantenga la temperatura propicia y constante para el desarrollo de un cultivo microbiológico en dos cámaras independientes entre 30 y 90º C

4.-Implementar un sistema de control automático de tiempo y temperatura para la incubadora.

1.7. Justificación del estudio

1.7.1. Impacto Teórico

(24)

La mayoría de los equipos incluye un temporizador programable, para realizar ciclos de temperaturas variables al igual que de los otros factores ambientales.

1.7.2. Impacto Práctico

Los microorganismos fermentadores que intervienen en la tecnología de elaboración de alimentos tiene un alto grado de sensibilidad a los cambios de temperatura, y tiempo de acción en el medio donde habitan, expuestas estas circunstancias es necesaria la implementación de una incubadora con control automático incorporado en la planta agroindustrial de la UTE Campus Arturo Ruiz Mora dado que el diseño especializado e implementación de este equipo permitirá que los procesos fermentativos que se realizan, sean automatizados, controlando con exactitud parámetros como el tiempo y la temperatura que influyen en el desarrollo y supervivencia de los microorganismos que intervienen en la tecnología de procesos fermentativos. Por otra parte se fomentara investigaciones ya que este equipo permitirá emitir datos específicos para las investigaciones que se realicen, teniendo un impacto en el desarrollo de investigaciones de técnicas de conservación de alimentos, operaciones unitarias, procesos agroindustriales y computación aplicada tomando en cuenta que estas son las bases para el diseño, planificación y ejecución del equipo.

1.7.3. Impacto Social

(25)

1.7.4. Factibilidad

Por ser una investigación, construcción e implementación de un equipo, los costos para realizarla son muy altos, por lo tanto disponibilidad de recursos financieros para la ejecución de la tesis será por parte de sus autores.

1.7.5. Legal

(26)

CAPÍTULO II

MARCO DE REFERENCIA

2. LA FERMENTACIÓN

2.1. Descripción

Una fermentación es un proceso biológico que consiste transformación de la materia orgánica por microorganismos fermentadores sean estos bacterias, hongos o levaduras y donde la temperatura influye directamente sobre la reproducción de los microorganismo y transformación del sustrato.

2.2. Fases de la fermentación

Figura Nº 1

Fases de la fermentación

Fuente: http://aulavirtual.usal.es/aulavirtual/demos/microbiologia/unidades/documentacion.htm

(27)

2.2.1. Fase lag

“ Lag hace referencia al tiempo que tarda en realizarse una acción. Fase donde prácticamente no hay división celular pero sí aumento de la masa individual de los microorganismos. Esta es una fase de inactividad de duración variable ya que depende del número de células así como de las características metabólicas de las mismas. Grandes fases lag indican la presencia de sustancias tóxicas, muerte de células o inactividad de éstas.”1

2.2.2. Fase de crecimiento exponencial

“No ha sido definida matemáticamente pero en ellas las proporciones de las células hijas tienden a alcanzar el 50% de la población total. Allí crecen los microorganismos rápidamente y el crecimiento de la población depende del sustrato donde se inocula.”2

2.2.3. Fase estacionaria

“Aquí ya se ha alcanzado el máximo valor de producción, en esta fase algunas células se dividen y otras mueren donde las células vivas utilizan los compuestos provenientes de las muertas como nutriente, manteniendo la población constante durante la fase.”3

1

BROCK, Thomas. MADIGAN, Michael. (1993). Microbiologia. Sexta edición, Editorial Prentice Hall, México,

2

3

(28)

2.2.4. Fase de muerte

“Dado que la población celular presente no se mantiene por sí misma comienza a morir. Tiene un comportamiento exponencial. Muchos procesos en cochada se terminan antes de que inicie esta fase.”4

2.3. Clasificación de la fermentación

Las fermentaciones se clasifican en dos grandes grupos:

2.3.1. Fermentación aerobia

“En este caso las bacterias son del tipo anaeróbicas. Usan el oxígeno combinado para realizar la oxidación. La energía liberada es mucho menor que en el proceso aeróbico.” 5

C6H12O6 → 2 CH3CHOHCOOH ∆H = 22,5 kCal

Ácido Láctico

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH ∆H = 22,5 kCal

Alcohol Etílico

4

5

(29)

2.3.2. Fermentación anaerobia

“Utiliza el oxígeno del aire. Es una oxidación completa realizada por bacterias aeróbicas y es la que mayor energía libera.”6

C 6H 12O 6 + 6 O2→ 6CO2 + 6H2O ∆H = 674 kcal

Glucosa

(Glucosa + 4 1/2O2→ 3 COOHCOOH + 2 H2O )

2.4. Tipos de fermentación

2.4.1. Fermentación acética

Es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético.1 La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino. La fermentación acética es un área de estudio dentro de la Cimología.

La formación de ácido acético (CH3COOH) resulta de la oxidación de un alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxígeno del aire. Estas bacterias, a diferencia de las levaduras productoras de alcohol, requieren un suministro generoso de oxígeno para su crecimiento y actividad. El cambio que ocurre es descrito generalmente por la ecuación:

C2H5OH + O2 → Acetobacter aceti → CH3COOH + H2O

6

(30)

2.4.2. Fermentación alcohólica

Denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc.

Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.

(31)

Figura No. 2 Fermentación alcólica

Fuente: http://larespiracioncelular.blogspot.com

Elaborado por: Cedeño Raúl y Zambrano Tito /2012

2.4.3. Fermentación butírica

(Descubierta por Louis Pasteur) es la conversión de los glúcidos en ácido butírico por acción de bacterias de la especie Clostridium butyricum en ausencia de oxígeno. Se produce a partir de la lactosa con formación de ácido butírico y gas. Es característica de las bacterias del género Clostridium y se caracteriza por la aparición de olores pútridos y desagradables. Se puede producir durante el proceso de ensilado si la cantidad de azúcares en el pasto no es lo suficientemente grande como para producir una cantidad de ácido láctico que garantice un pH inferior a 5.

2.4.4. Fermentación láctica

(32)

musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, las neuronas mueren rápidamente ya que no fermentan, y su única fuente de energía es la respiración.

Figura No. 3 Fermentación láctica

2.5. Clasificación de microorganismos de acuerdo a la temperatura

Cuadro Nº 1

Clasificación de microorganismos de acuerdo a la temperatura

Tipo de

microorganismo

Temp. Mínima

(°C)

Temp. Óptima

(°C)

Temp. Máxima

(°C)

Psicrótrofos -5 +5 25 – 30 30 - 35

Mesófilos 5 – 15 30 – 45 35 - 47

Termófilos 40 – 45 55 – 75 60 - 90

(33)

2.6. Efecto de la temperatura en el crecimiento de los cultivos microbianos

“La temperatura es un factor ambiental que influye y que afecta el crecimiento del cultivo microbiano y celular; poniendo el juego, la propia supervivencia de la célula o microorganismo. La temperatura afecta a las células y microorganismos cultivados de dos formas distintas:

Conforme aumenta la temperatura, aumenta también la velocidad de las reacciones enzimáticas y el crecimiento se hace más rápido;

Por encima de un máximo temperatura, se produce la desnaturalización de las proteínas celulares y la descomposición de los componentes celulares esenciales para mantener la vida, causando la muerte de las células o microorganismos en cultivo”7

2.7. Alimentos fermentados

Según Brian J. B. Wood, "Microbiology of fermented foods volumen 1" alimento fermentados son:

“Aquellos cuyo procesamiento involucra el crecimiento y actividad de microorganismos como: bacterias, mohos, levaduras”. Algunos alimentos fermentados son :

2.7.1. Cerveza

Es una bebida alcohólica, no destilada, de sabor amargo que se fabrica con granos de cebada u otros cereales cuyo almidón, una vez modificado, es fermentado en agua y frecuentemente aromatizado con lúpulo. La elaboración

7

(34)

de la cerveza se puede hacer con cualquier cereal, los cuales son preparados para que sus azúcares sean fermentables donde intervienen diferentes levaduras como saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces uvarum bzw.y la

Saccharomyces carlsbergensis. Donde la temperatura ideal de fermentación es

comprendida entre 20 y 30ºc dependiendo del tipo de cerveza.

2.7.2. Vino fino

Es una bebida obtenida del mosto de la uva (variedad Vitis vinifera) mediante fermentación alcohólica de su mosto o zumo; la fermentación se produce por la acción metabólica de levaduras Saccharomyces cerevisiae que transforman los azúcares del fruto en alcohol etílico y gas en forma de dióxido de carbono. Con respecto a la temperatura de fermentación, la misma debe mantenerse entre 25º y 30ºC, siendo lo ideal 27ºC.

2.7.3. Vinagre

Es esencialmente una solución diluida de ácido acético hecho por fermentación, a la que se le agregan sales y extractos de otras materias. Estas sustancias adicionales, cuya naturaleza y cantidad exacta dependen sobre todo del ingrediente utilizado, dan al producto su cualidad distintiva. El azúcar es la base en la producción del vinagre. Cualquier solución diluida de un azúcar fermentable puede transformarse en vinagre en condiciones favorables. Muchos jugos de frutas se prestan para este fin si contienen en proporción apropiada azúcar y otras sustancias necesarias o deseables.

2.7.4. Yogurt

(35)

que resulta de la acción fermentadora simultánea de dos tipos de bacterias, Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus, sobre el azúcar natural de la leche (lactosa). Los cocos son los responsables de la acidez mientras que los bacilos lo son del aroma y del sabor. La temperatura óptima de fermentación es de 45ºc en un tiempo comprendido entre 2 y 4 horas.

2.8. Ventajas de los alimentos fermentados

Cuando un alimento es fermentado nos ofrece las siguientes ventajas:

 Se eliminan sabores y texturas desagradables.

 Los productos son más digeribles.

 Hay un incremento en el contenido de vitaminas del complejo B.

 Inhibición del desarrollo de microorganismos patógenos y de la producción de toxinas.

 Aumenta considerablemente el tiempo de conservación del alimento.

2.9. Incubadora

(36)

descomposición de los componentes celulares esenciales para mantener la vida, causando la muerte de las células o microorganismos en cultivo” 8

.

2.10. Transmisión de calor

Es una de las operaciones que tienen lugar en la industria alimentaria. Por ejemplo, la incubación es una etapa en la que transfiere calor constante para mantener la temperatura y adecuada para el desarrollo de los microorganismos fermentadores.

“La transmisión de calor es un proceso dinámico durante el cual se transmite calor desde una materia caliente a otra más fría. Su velocidad depende de la diferencia de temperatura existente entre ellas y es mayor cuanto más grande sea ésta.”9

2.10.1. Conducción del calor

La conducción de calor tiende a fluir de una región de temperatura alta a una región de temperatura baja dentro de una sustancia. “La ley de Fourier de conducción de calor establece que la velocidad a la cual la energía fluye a través de una sustancia es directamente proporcional al gradiente de temperatura en ese punto de la sustancia y del área normal al flujo de energía”10

8

EARLE, R.L. Ingeniería de los alimentos (las operaciones básicas del procesado de los alimentos, 2 da edición. España 1998. Pp. 45.

9

Clay Batty (1990). Fundamentos de Ingeniería de Alimentos. Primera Edición. Editorial Continental S.A. México. Pp. 180.

10

(37)

Q = - kA

(11)

En donde:

Q = Velocidad de calentamiento, tiene unidades características de W o Btu/h. K = La conductividad térmica de la sustancia, tiene unidades características de Btu/h x pies x ºF o W/m x ºC.

A = Área de la sección transversal normal al flujo de calor, tiene unidades características de pie2 o m2.

dT = Cambio en la temperatura dentro de la sustancia, que se realiza en la distancia dx. Las unidades características para dT/dx son ºF/pie o ºC/m.

2.10.2. Transmisión de calor por convección

Es el proceso mediante el cual un fluido se mueve en una comunicación termal con una superficie sólida o líquida, recibe o libera energía por medio de conducción o radiación, y entonces deja la superficie. En consecuencia, por lo general se expresa el flujo de calor de acuerdo a la ley de Newton del enfriamiento como.

= h (Ts – T∞)(12)

11

12

(38)

En donde:

Q/A = Flujo de calor, las unidades son W/m2 o BTU/h x pie2.

h = Coeficiente de transferencia de calor, las unidades son W/m2 x ºC o BTU/h x pie2 x ºF.

Ts = Temperatura de la superficie, las unidades son ºC o ºF. T∞ = Temperatura de corriente libre, las unidades son ºC o ºF.

2.10.2.1. Coeficiente de transferencia de calor

Se llama alguna veces coeficiente pelicular, de conductancia unitaria pelicular o coeficiente pelicular de convección y depende de varios parámetros de flujo que incluyen conductividad, densidad, viscosidad y velocidad de fluido, nivel de turbulencia y posición en la superficie.

 El número de Nusselt, algunas veces llamado el coeficiente adimensional de transferencia de calor se define como:

Nu = (13)

En donde:

Nu = Número de Nusselt, adimensional.

h = Coeficiente pelicular, las unidades son W/m2 x ºC o BTU/h x pie2 x ºF.

L = Longitud característica como diámetro de un tubo o longitud de la superficie plana, la unidad es m.

13

(39)

k = Conductividad térmica del fluido, la unidad es W/m x ºC.

 El número de Reynolds se define como:

Re = (14)

En donde:

Re = Número de Reynolds, a dimensional. ρ = Densidad del fluido, la unidad es kg/m3

.

V∞ = Corriente libre o velocidad media, la unidad es m/s. L = Longitud característica, la unidad es m.

µ = Viscosidad, la unidad es kg/m x s.

 El número de Prandtl se define como:

Pr = (15)

En donde:

Pr = Número de Prandtl, a dimensional.

Cp = Calor específico a presión constante, la unidad es kJ/kg x ºC.

µ = Viscosidad, la unidad es kg/m x s.

k = Conductividad térmica, la unidad es W/m x ºC.

 El número de Grashof se define como:

14

15

(40)

Gr = ( )

(16)

En donde:

Gr = Número de Grashof, a dimensional.

g = Aceleración debido a la gravedad, la unidad es m/s2.

β = Coeficiente volumétrico de expansión que tiene unidades de K-1

R-1. ρ = Densidad de masa, la unidad es kg/m3

. µ = Viscosidad, la unidad es kg/m x s.

Ts = Temperatura de superficie, la unidad es ºC.

T∞ = Temperatura de corriente libre o temperatura ambiente, la unidad es ºC. L = Una longitud característica, la unidad es m.

2.10.2.2. Coeficiente de transferencia de calor global

La transferencia de calor comúnmente se encuentra en el procesamiento de alimentos que implica un proceso con múltiples etapas en el cual el calor se transmite por convección, en parte de un fluido a la superficie de una pared sólida, después es conducido desde la superficie de la pared hacia otro fluido. La ecuación para el calcula de la transferencia de calor global seria.

U = 1 (17)

En donde:

U = Coeficiente de transferencia de calor global, la unidad es W/m2 x ºC.

16

17

(41)

h = Coeficiente pelicular, la unidad es W/m2 x ºC. Δx = Espesor de las paredes, la unidades son cm o m. k = Conductividad térmica, la unidad es W/m x ºC.

Q = U x A x ΔT (18)

Diferencia en la temperatura del fluido. ΔT = T∞1 - T∞2

En donde:

Q= Velocidad de transmisión de calor, las unidades son W o BTU.

U = Coeficiente de transferencia de Calor global entre la fuente calorífica y la superficie, la unidad es W/m2 x ºC.

A= Es el área de transferencia de calor, las unidades son m2 o pie2. ΔT = Es la diferencia de temperaturas, las unidades son ºC o ºF.

2.10.2.3. Calor Sensible

“El calor específico se define como el cambio de energía específica interna por el cambio de temperatura. Ya que en esta fase puede ser un sólido, un líquido o un gas, pero no se producirán cambios de fase. Así se definirá una variable llamada calor específico, la cantidad de calor que se requiere por unidad de masa para elevar la temperatura en un grado”19

Q = M Cp ΔT (20)

18

EARLE, R.L. Ingeniería de los alimentos (las operaciones básicas del procesado de los alimentos, 2 da edición. España 1998. Pp. 60.

19

Van, Wylwn Gordon: Fundamentos de la Termodinámica , Segunda Edición, Editorial

20

(42)

En donde:

M = Masa en kilogramos.

Cp= Calor específico, la unidad es kJ / kg* °C.

ΔT = Cambio de Temperaturas en grados centígrados.

2.11. Equipos incubadoras

Dependiendo de la forma física en que se encuentre el medio de cultivo se pueden encontrar varias clases que son:

2.11.1. Fermentador de tanque agitado

Aquí el medio se inmoviliza evitando que los microorganismos se difundan facilitando su recuperación. Es un método económico porque los biocatalizadores son caros. El medio de cultivo es movido interiormente por medios mecánicos.

Figura No. 4

Fermentador de tanque agitado

Fuente: www.smbb.com.mx/anuncios/applikon/applikon.html

(43)

2.11.2. Fermentador de ciclo

El medio de cultivo es bombeado externamente.

Figura No. 5 Fermentador de ciclo

Fuente: http://www.vi.cl/foro/topic.html

2.11.3. Fermentador air-lift

Figura No. 6 Fermentador air-lift

Fuente: http://spanish.alibaba.com

(44)

Al medio de cultivo se le inyecta aire para ser agitado, el cual también sirve como fuente de oxígeno para el crecimiento de los microorganismos.

2.11.4. Fermentador de lecho fijo

Como su nombre indica este tipo de fermentador mantiene la sustancias a fermentar si movimiento pero a temperatura constante.

Figura No. 7

Fermentador de lecho fijo

2.11.4.1. Ventajas de fermentador de lecho fijo

 Mayor concentración celular, lo que permite una mayor actividad.

 No hay necesidad de remover las células o recircularlas lo que hace la extracción del producto más eficiente.

 Las tasas de flujo pueden ser optimizadas para lograr mejores cinéticas.

 El riesgo de contaminación se reduce debido a la alta densidad celular y la dilución es más rápida.

(45)

2.12. Componentes de una incubadora

2.12.1. Acero inoxidable

“En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de hierro con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa”.21

El acero inoxidable es un acero de elevada pureza y resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con oxígenos son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno.

El inoxidable autentico más popular es el Tipo 304, que contiene básicamente 18% de cromo y 8% de níquel, con un tenor de carbono limitado a un máximo de 0,08%. Tiene gran aplicación en las industrias químicas, farmacéuticas, de alcohol, aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y de transporte.

(46)

2.12.1.1. Composición química del acero inoxidable

Figura No. 8

Fuente: http://www.inoxidable.com/index.html

2.12.2. Carcasa

(47)

2.12.3. Recipientes

Es el utensilio donde estará contenido el medio del cultivo, el mismo que tendrá el área de transferencia de calor necesaria de acuerdo a los criterios de ingeniería. Por lo general son de forma cilíndrica alargada y construidos en acero inoxidable 304. Con espesores que varían de 1.5 a 3mm de espesor.

2.12.4. Soporte

Es la estructura metálica central que da sostén a la incubadora propiamente dicha tiene que ser lo suficientemente firme para resistir la capacidad de carga de la incubadora y sus componentes. Se utilizan ángulos de acero inoxidable con medidas que van desde 2x2 pulgadas a 0,5x0,5 pulgadas.

2.12.5. Puerta

Utilizadas para impedir la entrada o salida de aire. Tiene que ser de cerrado hermético para evitar posibles contaminaciones de los medios de cultivo. Llevan aislante térmico en su parte interna y sus partes externas son recubrimientos de acero inoxidable grado 304 en el interior y 202 en el exterior.

2.12.6. Bisagras

(48)

2.12.7. Resistencia eléctrica

Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones, esto provoca un aumento en la temperatura que puede ser regulado. Estas resistencias van desde 600 a 3000 watts a 220 voltios para calentamiento de aire o superficies ya que dependiendo de la potencia podrán emitir menor o mayor cantidad de calor.

2.12.8. Ventiladores

Es una máquina de fluido concebida para producir una corriente de aire mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones. Entre sus aplicaciones, destacan las de hacer circular el aire en un lugar cerrado. Se utiliza el ventilador para asistir un intercambiadores de calor como un disipador o un radiador de calor con la finalidad de aumentar la transferencia de calor entre un sólido y el aire o entre los fluidos que interactúan en la incubadora. Se pueden encontrar en potencias que van de 120 a 745watts y con revoluciones que van desde 750 a 3600 rpmv porque la potencia determinara la capacidad de rpm del ventilador.

2.12.9. Focos infrarrojos

(49)

2.12.10. Temporizador

Un temporizador es un dispositivo, con frecuencia programable, que permite medir el tiempo. En la actualidad son de amplio uso ya que permite programar ya sea el encendido o apagado y determinar el tiempo de trabajo de cualquier equipo electrónico puede temporizar desde segundos a horas.

2.12.11. Sensor de temperatura

Son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. Un sensor de temperatura se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño que permite realizar alguna acción de encendido, apagado o regulación de temperaturas, pueden ser de níquel, cobre, cobre níquel y todas van en función directa de la temperatura.

2.12.12. Aislante térmico

Un aislante térmico es un material usado en la construcción, la industria y es caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura, impidiendo que el calor salga del sistema y permitiendo ahorrar energía. Entre los más usados en construcción de incubadoras esta el aire, la lana de vidrio, poliuretano expandible los que van en función directa de la temperatura.

2.12.13. Breaker

(50)

2.12.14. Pantalla

Es donde se visualizan los parámetros como tiempos y temperaturas estas pantallas expresan impulsos eléctricos emitidos por los sensores a valores numéricos a nivel de mercado se las puede encontrar en diferentes tamaños y pueden ser digitales o análogas,

2.12.15. Cauchos de las puertas

Los cauchos de las puertas actúan como cellos entre el cuerpo de la incubadora y las puertas, restringiendo la entrada y salida de calor, son de caucho flexible.

(51)

CAPÍTULO III

METODOLOGÍA

3.1. Tipo de investigación

3.1.1. Descriptiva

Esta es una investigación descriptiva debido a que las variables se las puede describir y modificar para dar mayor resultado.

3.1.2. No Observacional

Esta es una investigación no observacional porque permite modificar las variables que se presentan.

3.1.3. Relacional

Esta es una investigación relacional porque las variables se relacionan entre sí de forma directa o inversa de acuerdo a las necesidades que se determine en el proceso.

3.2. Método inductivo

(52)

3.3. Fuentes y técnicas de investigación

Para la recolección de datos necesarios, y llevar a cabo esta investigación utilizaremos:

 Fuentes secundarias tales como: libros, folletos, revistas.

 Técnicas como: la revisión de literaturas, revisión de documentos, consultas a expertos, trabajo de campo, Internet y fichas bibliográficas.

3.4 Materiales, materia prima, equipos y reactivos utilizados en laboratorio

3.4.1. Materiales

 Matraces

 Tubos de digestión

 Pipetas

 Bandejas metálicas

 Tamices

 Vaso de precipitación

 Agitador

 Cuchara

 olla

3.4.2. Materia prima

 leche

 cultivo láctico

(53)

 Azúcar

3.4.3. Equipos

 Balanza analítica

 Incubadora

 Cocina industrial

3.4.4. Materia prima

Leche.- Para la presente investigación se tomará como base la elaboración de

yogurt a partir de leche de vaca la cual debe tener las siguientes características para garantizar un producto de calidad. Debe estar libre de impurezas la Acidez tiene que ser de 16ºDornic, Ph de 6 a 6,5, densidad de 1.028 a 1.031gr/cm3. Para obtención de yogurt es necesaria la inoculación e incubación dos tipos de bacterias (Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus) las cuales son altamente sensibles a las variables de temperatura y tiempo por lo tanto será necesario que el diseño del equipo tenga alto grado de precisión.

3.5. Elaboración de yogurt

(54)

ENVASADO INOCULACIÓN 3.5.1. Diagrama de flujo para la obtención de yogurt

Azúcar 5% Vapor de Agua 85ºC x 5min

45ºC Cultivo láctico 3%

45ºc x 2. Vapor de Agua 45ºC x 2.5 horas

Adición del 7% de

Azúcar en Fruta

RECEPCIÓN

PASTEURIZACIÓN

ENFRIADO

INCUBACIÓN

REFRIGERACIÓN

ALMACENADO CORTE DEL CUAGULO

(55)

3.5.2. Descripción técnica del proceso de elaboración yogurt

3.5.2.1. Recepción.- Se recepta la leche verificando que se encuentre en

condiciones físicas y químicas adecuadas donde se evaluara la densidad, acidez, Ph y que esté libre de partículas extrañas.

3.5.2.2. Pasteurización.- Es un proceso térmico que se lo realiza a 85ºC x

5min. Con el fin de eliminar microorganismos patógenos tales como son, mohos levaduras protozoos y bacterias.

3.6.2.3. Enfriado.- Se deja enfriar a 45ºC, temperatura apta para la

inoculación de cultivo láctico.

3.5.2.4. Inoculación.- Se inocula el cultivo láctico a 45ºc en una relación del

3% de cultivo láctico en relación a la leche agitando suavemente para distribuirlo de forma homogénea

3.5.2.5. Incubación.- Se la realiza a temperatura constante en una incubadora

a 45ºc x 2.5 horas que el tiempo necesario para la multiplicación de los microorganismos fermentadores y cambios de la leche a un derivado como es el yogurt.

3.5.2.6. Refrigeración. Se refrigera el yogurt a 5º con el fin reducir la actividad

metabólica del fermento y controlar la acidez del producto.

3.5.2.7. Corte del coagulo.- Esta operación modifica la estructura coloidal, es

(56)

En esta etapa se realiza la adición del 7% de la azúcar restante, esto lo podemos realizar ya sea de forma directa la azúcar o de no en mermelada de alguna fruta que nos proporciona un mejor sabor.

3.5.2.8. Envasado.- Se envasa a en recipientes de acuerdo a los

requerimientos del mercado por lo general envases plásticos de grado alimenticio.

3.5.2.9. Almacenado. Se almacena a temperaturas de refrigeración con el fin

de alargar el tiempo de consumo.

3.6. BALANCE DE MATERIA DEL YOGURT A NIVEL DE LABORATORIO

A = 9.226 kg leche Xa = 13% ST Ya = 87% H2O

B = 9.226

Xb = ? % ST

Yb = ? % H2O

Balance total

A = B

9.226KG = B

Balance parcial de sólidos Balance parcial de agua

B x Xa = B x Xb A x Ya = A x Yb

9.226 (0.13) = 9.226 (Xb) 9.226 (0.87) = 9.226 (Yb)

Xb = 0.13 x 100 = 13 % Yb = 0.87 x 100 = 87%

(57)

 BALANCE DE MATERIA DE LA PASTEURIZACION:

B = 9.226 kg

Tb= 27ºC

Xb = 13% ST Yb = 87% H2O

C=0,5Kg de azucar D = ? Vapor de Agua

Xc= 88% ST E = 9.1 kg

Yc= 12% H2O

Te 65ºC Xe = ?% ST

Ye = ?% H2O

Balance total

B+C=D+E 9.22+0.5=D+9.1

9.7 = D + 9.1 D = 9.7 – 9.1 D= 0.6

Balance parcial de agua

B x Yb + C x Yc = D x Yd + E x Ye

9.226 (0.88) + 0.5 (0.12) = 0.6 (1) + 9 (Ye)

Ye = 0.82 x 100 = 82.%

PASTEURIZACIÓN

Balance parcial de sólidos

B x Xb + C x Xc = E x Xe 9.22 (0.13) + 0.5 (0.88) = 9.1 (Xe)

(58)

 BALANCE DE MATERIA DEL ENFRIADO:

E = 9.1 kg Te = 65ºC Xe = 18% ST Ye = 82% H2O

100%Vapor de Agua

F = 9.1 kg Tf = 45ºC Xf = ?% ST Yf = ?% H2O

Balance total

E = F

9.1kg = F

Balance parcial de sólidos Balance parcial de agua

F x Xe = F x Xf E x Ye = E x Yf 9.1 (0.18) = 9.1 (Xf) 9.1 (0.82) = 9.1 (Yf)

Xf = 0.18 x 100 = 18 % Yf = 0.82 x 100 = 82%

(59)

 BALANCE DE MATERIA DE LA INOCULACION

F = 9.1 kg

Tf= 45°C

Xf = 18% ST Yf = 82% H2

G=3% cultivo láctico Xg= 90% ST

Yg= 10% H2O H = 9.4 kg

Th= 45°C Xh = ?% ST Yh = ?% H2O

Balance total

F+G=H

9,1 + 0,32 = H H= 9,4

F x Yf + G x Yg = H x Yh

9.1 (0.82) + 0.3 (0.90) = 9.4 (Ye)

Ye = 0.8226 x 100 = 82.26%

INOCULACION

F x Xf + G x Xg = H x Xh 9.1 (0.18) + 0.3 (0.1) = 9.4 (Xh)

1,638 + 0,03 = 9,4Xh 1,668/9,4=Xh

Xh = 0,1774 x 100

(60)

 BALANCE DE MATERIA DE LA INCUBACION

I = 9.4 kg Ti= 45°C

Xi = 18% ST Yi = 82% H2O

J=?Vapor de Agua

K = 9.342 kg

Tk= 45°C

Xk = ?% ST Yk= ?% H2O

Balance total

I=J+K

9,4 =J+9.342

9.4 = J+ 9.342 J = 9.4 – 9.342 J= 0.058kg

I x Yi = J x Yj + K x Yk

9.4 (0.82) = 0,058 (1) + 9,342 (Yk) 7,708 – 0,058 = 9,342 Yk

Yk = 0,81.88 x 1OO = 81.88%

INCUBACION

I x Xi = J x Xj + K x Xk

9.4 (0.18) = 0,058 x (0) + 9,342 (Xk)

1,692 = 9.342 Xk

(61)

3.7. Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor de la incubación a nivel de laboratorio

3.7.1. Calor practico del producto

Figura No. 9

Calor practico del producto

Q1= Calor de paredes verticales (W) Q2= Calor de paredes horizontales (W) Q3= Calor frontal y posterior (W)

Q4= Calor total que ingresa a la incubadora o sistema (W) Q5= Calor practico (W)

 Ecuación general para realizar el balance de energía

Balance general:

Q4 Q5

Q1 Q3

(62)

3.7.2. Cálculo del calor de paredes verticales

Datos: Ts = 35.6ºC T = 25ºC L = 0.46 m

( )

Dónde:

Ts = Temperatura de la superficie (ºC)

T = Temperatura de la corriente de aire (ºC) L = Longitud(m)

( )

( )

 Coeficiente isobárico

Dónde:

β= Coeficiente isobárico (1) T = Temperatura(ºK)

(63)

Lecturas tomadas a 303.45ºK de la tabla de propiedades del aire para transferencia de calor por convección en la tabla C – 9 del apéndice del libro Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos Batty (Anexo)

( )

Dónde:

g = Gravedad (m/s2)

β = Coeficiente isobárico de expansión Ts = Temperatura de la superficie (ºC) T= Temperatura de la corriente de aire (ºC)

= Densidad (kg/m3)

L= Longitud de la pared (m) Μ = Viscosidad

g = 9.8 m/s2

K = 0.0265 W/m.ºC μ = 2.0163 Kg/m. s x 10-5

= 1.1122 Kg/m3 Pr = 0.7072

( )

_{( )(}

) ( )

(64)

Los valores de Nusselt se leen en la curva de la página 200 del libro de Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos de Batty (Anexo).

Dónde:

Nu = Número de Nussel

h = Coeficiente de transferencia de calor (W/m2ºC) L = Longitud (m)

K = Propiedades del aire (W/mºC)

(65)

Área de las paredes verticales

Dónde: A= área b = base a = altura

3.7.3. Área de las paredes verticales de la incubadora

Figura No. 10

Área de las paredes verticales de la incubadora

 Calor de las paredes verticales

( )

(66)

3.8. Cálculo del calor de paredes verticales

Datos: Ts = 35.6ºC T = 25ºC L = 0.46 m

( )

Dónde:

T = Temperatura de la corriente de aire (ºC) L = Longitud (m)

( )

( )

3.8.1 Coeficiente isobárico

Dónde:

(67)

Lecturas tomadas a 303.45ºK de la tabla de propiedades del aire para transferencia de calor por convección en la tabla C – 9 del apéndice del libro Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos Batty (Anexo 2)

( )

Dónde:

g = Gravedad (m/s2)

β = Coeficiente isobárico de expansión (1/T) Ts = Temperatura de la superficie (ºC) T= Temperatura de la corriente de aire (ºC)

= Densidad (kg/m3)

g = 9.8 m/s2

K = 0.0265 W/m.ºC μ = 1.9893 Kg/m. s x 10-5

= 1.1650 Kg/m3 Pr = 0.7072

(68)

_{( )(}

) ( )

( )

Los valores de Nusselt se leen en la curva de la página 200 del libro de Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos de Batty (Anexo 4).

Dónde:

h = Coeficiente de transferencia de calor (w/m2ºC) L = Longitud (m)

K = Propiedades del aire (W/mºC)

(69)

Área de las paredes frontales

Dónde: A= área (m2) b = base (m) a = altura (m)

3.8.2. Área de las paredes horizontales de la incubadora

Figura No. 11

Área de las paredes horizontales de la incubadora

0.46m

(70)

( )

3.8.3. Cálculo del calor de paredes frontal y posterior

Datos: Ts = 35.6ºC T = 25ºC L = 0.46 m

( )

Dónde:

T = Temperatura de la corriente de aire (ºC) L = Longitud (m)

( )

( )

(71)

 Coeficiente isobárico

Dónde:

β= Coeficiente isobárico (1/T) T = Temperatura (ºC)

Lecturas tomadas a 303.45ºK de la tabla de propiedades del aire para transferencia de calor por convección en la tabla C – 9 del apéndice del libro Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos Batty (Anexo 2)

( )

Dónde:

g = Gravedad (m/s2)

β = Coeficiente isobárico de expansión (1/T) Ts = Temperatura de la superficie (ºC) T= Temperatura de la corriente de aire (ºC)

= Densidad (kg/m3)

(72)

K = 0.0265 W/m.ºC μ = 2.0163 Kg/m. s x 10-5

= 1.1650 Kg/m3 Pr = 0.7072

( )

_{( )(}

) ( )

( ₎

Los valores de Nusselt se leen en la curva de la página 200 del libro de Fundamentos de la Ingeniería de Alimentos de Batty (Anexo 4).

Dónde:

h = Coeficiente de transferencia de calor (W/m2ºC) L = Longitud (m)

(73)

3.8.4. Área de las paredes frontal y posterior

( )

3.8.5. Cálculo de la cantidad de energía que ingresa al sistema

Datos:

Amp. x vol. = W x % de t encendido Ventilador 0.11 x 110 = 12.1w x 1 = 12.1w Focos infrarrojos 2.07 x 110 = 227.7 x 0.74 =

168.498w

(74)

3.8.6. Calor practico del producto

Q5= 307.0 – 19.8996 - 39.7139 – 25.564

Q5= 221.8W

3.8.7. Calor específico de la mezcla.

Datos:

% Humedad = 71.16% % sólidos = 28.84%

Cp agua = 4.19 KJ / Kg. ºC(1) Cp sólido = 1.38 KJ / Kg. ºC(1

 Calor sensible

Datos:

M = 9.96378 kg/h

CpHPVD = 3.3795 KJ/kgºC

(75)

( )

 Calor latente

Datos:

MH2O = 0.3 kg/h

hfg65ºC = 2394.8 KJ/kg

Ql = MH2O x hfg65ºC

Ql = 0.3 kg/h x 2394.8 KJ/kg

Ql = 638.9 KJ/h QL = 177.5 W

3.8.8. Calor total teórico del producto

QT = Qs + Ql + 20%

QT = (3.8 W + 177.5 W) + 20%

QT = 217.56 W

3.8.9. Porcentaje de error de la incubadora

(

)

(

)