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pasterizador Basado en Microondas

Microondas
by

Erick López

on 25 November 2013

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Transcript of pasterizador Basado en Microondas

de:
Aprovechamiento
Aumento de la velocidad de procesado
Flexibilidad
de aplicación.
+ producto
- tiempo
Cadena Productiva Alimentaria
Mayor
eficiencia
Energía
+ innovación
=
La innovación en el uso de las Tecnologías constituye la manera mas eficiente de introducir mejoras en los procesos industriales que se han manejado de la misma manera desde hace 149 años (el Vapor)
Desarrollo Tecnológico
+ Vida útil del Producto
perdida de Propiedades
Nutricionales
espacio
Diseñar, construir y poner en marcha un pasteurizador de flujo continuo basado en microondas, a escala piloto que permita obtener leche en condiciones óptimas para consumo humano.
1.3.1 Objetivo General
El Principio...
*NTC 5255
*NTC 506
*Reglamento Técnico de Lacteos
Decreto 616 de 2006
Diseñar el prototipo del pasteurizador de flujo continuo mediante metodología de prototipado rápido
la única razón para no
innovar es la falta de creatividad
Erick López
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN EQUIPO PASTERIZADOR DE FLUJO CONTINUO BASADO EN MICROONDAS.
Director: Ing. Msc. Arly Darío Ríncon Q.
Investigadores: Ing. Erick Mauricio López
Ing. Katia Yiseth Galvis
¿Es factible, el diseño y construcción de un equipo pasteurizador de flujo continuo basado en microondas, a escala piloto; el cual cumpla con los parámetros de
pasteurización de la leche según normatividad vigente, para consumo humano?
1. PROBLEMA
Métodos Inapropiados e
Ineficientes
Fuente: Los Investigadores
1.2 JUSTIFICACIÓN
El artículo 4º de la Ley 34 del 19 de noviembre 1976,
ley de creación de la Universidad Popular del Cesar
Desarrollar los programas e investigaciones que mas
convengan a las condiciones sociales, naturales y
económicas del departamento.
ORDENA:
Cumpliendo esto:
Salud Pública
alto índice de prevalencia e incidencia de ETAS como la Listeriosis y Enteritis
en Colombia
llega a 1:3
personas
por Lácteos.
Ayudar a solucionar un problema de:
Resolver el
problema logístico-Económico
de Las :
contexto
En Colombia el 95% del sector Lácteo está formado por MIPYME's
Las MIPYME's en Colombia procesan el 43% de la producción lechera .
nacional
Min Protección Social
El decreto 616 de 2006, Establece el reglamento Técnico sobre los requisitos que debe cumplir la leche para el consumo humano que se obtenga, procese, envase, transporte, comercializa, expenda, importe o exporte en el país
Agrocadenas
Fedegan
Ministerio de la Protección Social
MIPYME's
ninguna de las empresas visitadas tiene las estructua y condiciones requeridas par operar.
el costo habitual de un
sistema de pasterización
es muy elevado e implica
costos inisiales muy altos
Logístico
Los sistemas de microondas plantean mejoras significativas para la industria alimentaria con ventajas tales como:
Económico
Aumento de la Competitividad
en las Mipyme
Menos
7 Toneladas
1.13 Toneladas
Aspecto Ambiental
Disminución de la Huella de
Carbono
1.3.2 Objetivos Especifico
Realizar un análisis de las variables de diseño, teniendo en cuenta los parámetros exigidos por la normatividad legal vigente para la pasterización de la leche.
1
Normas
consideradas
2
Construir el pasteurizador basado en microondas a escala piloto, según los parámetros de diseño
4
3
Evaluación de la operatividad, eficiencia energética del equipo y proceso de pasterización
Elaborar manuales de operación y mantenimiento para el pasteurizador.
5
Análisis Costo/Beneficio de la Implementación del sistema de pasterización para una MIPYME del Sector Lacteo.
6
1.4 Delimitaciones
Temporal
2010
Inicio
Nov.
2011
Mayo
Revisión bibliográfica
Valledupar
73pt
Ejecución del Pre-ensayo
Neiva-Huila
Octubre
2012
Valledupar
96pt
2013
Septiembre
Ejecución de Objetivos
Espacial
Contextual
Queso Costeño
Suero Costeño
Aguachica manifiesta un Gran Consumo de derivados lácteos...
Avenas
Peto Costeño
consumo per-cápita
de 135 litros/año
http://www.radiosantafe.com/2010/03/18/cae-consumo-de-leche-en-colombia/
2.1 Marco Referencial
Louis Pasteur
entre 1860 – 1864, pudo
demostrar que el calor mejora la conservación de los alimentos.
Percy Spencer
Mientras trabajaba en el desarrollo de un
transistor en 1946 observó efectos del prototipo manejado sobre los dulces que guardaba en sus bolsillos.
Histórico
Diseño y Construcción
Aguachica
Validación del Método
Medellin
Laboratorio Multifuncional de Química y Áreas Afines
Laboratorio de Calidad e Inocuidad de la leche
Antecedentes
Regionales
Nacionales
Internacionales
Regionales
López Díaz, Erick Mauricio; Suarez, Sirley; Urbano, Marco Antonio. Realizaron un estudio en el área de Diseño Experimental, el cual tuvo como objetivo general “Identificar los efectos de las Microondas sobre la Microbiota de la leche cruda”; en la Universidad Popular del Cesar Seccional Aguachica, año 2009, demuestran la eficiencia de las microondas en la pasterización.
Directores:
Esp. Carmelo Perez
Dr. Belkis X. Díaz
Nacionales
Velásquez Valderrama, Ángela María; Sánchez Arenas, Ricardo León, son los más cercanos a esta investigación en el ámbito nacional, en 2008, al experimentar en la Universidad Lasallista de Colombia la utilización de microondas en el tratamiento de jugo de mango. Obteniedo como resultado la reducción y destrucción de la población inicia del hongos
Aspergillus sp.
Internacional
Villamiel Guerra, María del Mar; en la Universidad Complutense de Madrid, España, año 1995; en tesis doctoral, realiza un estudio titulado Calentamiento de leche con microondas, donde hace un análisis de los principales indicadores de tratamiento térmico. Donde se determinó que: la formación de lactulosa y furosina, la desnaturalización de la beta-lactoglobulina, la inactivación de la fosfatasa alcalina y la lactoperoxidasa, el grado de proteolisis y el recuento de bacterias totales resultaron similares a las observadas durante tratamientos convencionales.
USDA-ARS, Pacific Basin Agricultural Research Center, Department of Food Science and Technology, New York State Agricultural Experiment Station, Cornell University, en 2004 Agencias Estadounidenses para Control de Alimentos; realizan un estudio llamado, Design and evaluation of a continuous flow microwave pasteurization system for apple cider. Los principales efectos mencionados en este estudio son los obtenidos
sobre la con 5 reducciones decimales.
Escherichia coli
2.2 MARCO TEÓRICO
Especificaciones del alimento
Es el producto de la secreción mamaria normal de animales bovinos, bufalinos y caprinos lecheros sanos, obtenida mediante uno o más ordeños completos, sin ningún tipo de adición, destinada al consumo en forma de leche líquida o a elaboración posterior.

¿Qué es la leche?
Factores que Afectan la
Calidad de la Leche
Factores
Sanitarios
Factores de
Composición
Factores
higiénicos
Tratamiento
Convencional
Térmico
Es un T.T. relativamente suave en el que el alimento se calienta a temperaturas inferiores a 100 °C. En alimentos poco ácidos (pH>4,5, como la leche por ejemplo) se usa para minimizar posibles riesgos para la salud por microorganismos patógenos y para prolongar la vida útil de los alimentos durante varios días.
Pasterización
Los principales métodos de Pasterización utilizados son:
Termización
Pasterización baja o lenta
Pasterización alta (HTST)
High Temperature/Short
Pasterización UHT (Ultra High Temperature)
Esterilización
Dispositivos de pasterización
convencional
La capacidad de los equipos varía según
el tamaño de las placas y su número, hasta alcanzar valores de 80.000 L/h y 3.000 hasta 11.500 Wm/K)
Muy adecuados para leche y productos más viscosos que ella; ejemplo salsas y jugos, está constituido por un conjunto de tubos concéntricos helicoidales, de acero
inoxidable
Tratamientos no Térmicos
no Convencionales
son radiaciones ionizantes los rayos gamma, de los isotopos, o en menor extensión los rayos X y los electrones. En la actualidad se utilizan en 38 países para mejorar la conservación de los alimentos, mediante la destrucción de microorganismos o la inhibición de las transformaciones bioquímicas.
Irradiación
Campos eléctricos,
presión hidrostática elevada,
luz punzantes y ultrasonidos.
Otros Medios de
Tratamiento
energía directa y radiante
Tratamiento térmico mediante
Calentamiento óhmico
El electrocalentamiento, es un desarrollo reciente en el que se hace pasar corriente eléctrica a través de un alimento, de forma que la resistencia eléctrica del mismo causa que esta energía se transforme en calor
infrarrojo
Calentamiento
La energía es una radiación electromagnética emitida por objetos calientes. Esta radiación emite una energía que calienta los productos que la absorben; el calentamiento de pende de:
La temperatura del emisor.
Las características de las superficies.
La forma de ambos objetos.

Tratamiento Térmico por
Microondas
Se denomina así a las ondas electromagneticas (no ionizantes) definidas en un rango de frecuencia determinado entre 300 MHz y 300 GHz, que supone un periodo de oscilación de 3ns. Genera rotación dipolar.
24 meses
Composición Proximal de la leche
Rotación Dipolar
sustancia mayor fricción molecular
Cuanto mas electrolitos contiene una
Fundamento Físico de las Microondas
El fenómeno se define como Radiación electromagnética, esto representa la existencia de un campo eléctrico y otro magnético, ambos situados en fase y
con oscilaciones sinusoidales en
ángulo recto de un campo con
respecto al otro y con la dirección de propagación
Fundamentos del Tratamiento térmico por Microondas
Agua, Proteína y Carbohidrátos
Efectos del Calentamiento por Microondas
SARRIA RUIZ, Beatriz. EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO...
Mayor retención de Lisina,
menos reacciones de Millard.
cis-3 y cis-4 hidroxiprolina
D-prolina,
Isomerizaciones
Neurotoxico
Pirina en gran Concentración
2-metil-pirazina
2,6-dimetilpirazina
2-furanometanol
Pirazina y Fliranos
Ausencia
No hay Isomerización de
Grasas a trans u otros compuetos
Mejora el test de (TBa)
vit=-------
°T
[Grasa]
a-tocoferol y retinol
Si se afectan
2.3 Marco Legal
Artículo 49. “…Toda persona tiene el deber de procurar el cuidado integral de su salud y la de su comunidad.
Artículo 61. El estado protegerá la propiedad intelectual
por el tiempo y mediante las formalidades que establezca la ley.
los productores de bienes y servicios sujetos al cumplimiento de norma técnica oficial obligatoria o reglamento técnico, serán responsables por que
las condiciones de calidad e idoneidad de los bienes y servicios que ofrezcan.
Articulo 2°. "...todo productor de bienes o servicios es libre de adoptar la tecnología de producción que estime más adecuada para asegurar la calidad y la absoluta de productos o servicios"
en el presente decreto se reglamentan las BPM en las industrias alimentarias, en especial el capítulo 2 donde
define las condiciones generales y específicas de la utilización de equipos y utensilios en la industria alimentaria
Reglamento Técnico sobre los requisitos que debe cumplir la leche para el consumo humano que se
obtenga, procese, envase, transporte, comercialice, expenda, importe o exporte en el país.
La NTC 506 en sus capítulos 5 y 6; establece los parámetros físicos y químicos a analizar en la leche sometidaa tratamiento de pasterización,
La NTC 666 proporciona una guía sobre los métodos
de muestreo de la leche y productos lácteos para análisis Microbiológico, Físico y Químico.
This report evaluates the scientific information
available on a variety of alternative food processing technologies. The purpose of the report is to help the Food and Drug Administration evaluate each technology's effectiveness in reducing and inactivating pathogens of public health concern.
Placa
Tubos Concéntrico
2
Proteína
Lípidos
Carbohidratos
Vitaminas
3. Metodología
3.1 Metodología Para la Construcción
Diseño Preliminar
Viabilidad.
Tiempo de Operación
Capacidad
Orden de Ubicación
Justificación
Se contrató personal
especializado para la construcción
de los dispositivos
de operación de los dispositivos
Funcionamiento y estandarización
Realización de pruebas de pruebas
de Validación del método (obj 4)
Análisis de resultados, para
mejoras
MPR
3.2 Metodología Para la Validación
del Método de pasterización
Población.
Muestra.
Aleatorización.
La totalidad de la producción
lechera del hato ganadero del
Municipio de Aguachica, Cesar
y sus veredas, en total un
promedio de 32.000 L/día
La muestra fue proporcionada por una microempresa donde convergen productores de veredas como; Las Sabanas, Norean, San Pablo y Totumal.

se realizó un pre-ensayo con una muestra piloto de 0.02% con 21 partidas muestrales obteniendo una varianza de 3.60






este valor fue asumido como la capacidad del equipo
Variables.
Independientes
Dependientes
Potencia de Operación
Tiempo de retención
Resultantes del Análisis Microbiológico
Resultantes del Análisis Fisicoquímico
Temperatura
Diseño de la Investigación.
Técnicas e instrumentos de recolección de datos
se llevó a cabo teniendo en cuenta los requerimientos del decreto 616 del 28 de febrero de 2006 y la NTC 506 del 30 de octubre de 2002
Análisis de datos
KMO; Brartlett; Anova;
Coeficiente de correlación de Pearson.
tasa interna de retorno, Relacion costos/beneficio y valor presente neto.
3.9 Hipótesis
No existe diferencia significativa asociada a las variaciones de potencia de trabajo y tiempo de retención, correlacionada al incremento de temperatura de la leche tratada en el sistema pasterizador basado en microondas.
No existe correlación asociada a las variaciones de temperatura y las condiciones fisicoquímicas finales de la leche tratada térmicamente con el sistema pasterizador basado en microondas.
Ho
No existe diferencia significativa asociada a las variaciones de potencia de
trabajo y tiempo de retención, correlacionada a la calidad microbiológica y
fisicoquímica de la leche tratada en el sistema pasterizador basado en
microondas.

Ho
Ho
1
2
3
4. ESQUEMA TEMÁTICO...
Análisis de las variables de diseño, teniendo en
cuenta los parámetros exigidos por la normatividad legal vigente para la pasterización de la leche.
CAPITULO I.
Se tomó como referencia los estudios de Gentry y Roberts, Denominada: Design and evaluation of a continuous flow
microwave pasteurization system for apple cider. Hecha en Cornell University del estado de New York en el año de 2004; como referente normativo se asumió las NTC 5255 y 506; también, el decreto 616 de 2006.
Variables de
Funcionamiento
conformación estructural.
Elementos de
al fluido
Variables inherentes
Punto de Ebullición

Densidad de la leche
Acidez de la leche

Calor específico
Viscosidad

Emisividad
100,5°C
1,0294 g/ml
0,13 y 0,17°D
3,845j
_________
Kg °C
3,5cp
0,783
Temperaturas
de operación
se estableció
en Incremento
de 71°C
Caudal de
Operación
Bomba Lightobject
108GPH, 2,2L/h hasta 42L/h
Frecuencia de
Onda
2.450Mhz
pre-calentador
Intercambiador de calor
balance
Tanque de
Tubería
PEEK, Polipropileno
PTFE y Vidrio Boroxilicato
Bombas
Flujo Variable
Intercambiador
calentador
Válvula
tres vías
Zona de
Retención
Intercambiador de calor
enfriador
Tanque de producto
pasterizado
Panel de control
Semi-Automatico
4. Esquema Temático
Diseño del prototipo de pasteurizador de flujo continuo mediante metodología de prototipado rápido.
CAPITULO II.
28,5x40
4,5V - 12V DC
1000W
20%Q
9.3s
Max 2,67m
3,5m
3°C
40°C - 28°C
25L
12Cm
1" Aislado
12,5A
4T
4. Esquema Temático
Construcción del pasteurizador basado en microondas a escala piloto, según los parámetros de diseño.
CAPITULO III.
Etapa de Construcción
Etapa Ensamble
Jose Mape Duran
Taller AC-Duran
Aguachica
Rigoberto Avendaño
Taller JM-KAV
Accesorio en
Acero AISI 304
Acondicionamiento de transporte
del tanque de balance a la bomba
Acoplamiento de bujes y manguera
Tramo externo del área de retención
Válvula de bola tres vías
Ubicación del Intercambiador
de calor refrigerante y Calentador
Instalación y ensamble del panal de control
4. Esquema Temático
Evaluación de la operatividad, eficiencia energética del equipo y proceso de pasterización
CAPITULO IV.
Evaluación de la operatividad
Se tomarón como base los formatos planteados por el Ing. Fredy Becerra Rodríguez, en el taller de Ingeniería de Métodos Online de la facultad de Ingeniería y Arquitectura, Universidad Nacional de Colombia. Por otra parte para la cualificación del cumplimiento en los parámetros de diseño, se atenderán los prospectos hechos por Robert L. Mott, en el libro Diseño de Elementos de Maquinas
Nivel de Concentración
Media 65,8%
Nivel de actividad física
Baja 31,6%
Nivel de espera o retardo
Muy Baja 2,6%
Evaluación de fugas electromagnéticas
que más preocuparon a los diseñadores, fue la seguridad del operario; enrelación al funcionamiento de las trampas de radiación, constituidas en 4 bujes cónicos de bronce, los cuales se ubicaron en dirección contraria a su parte más ancha, buscando evitar las fugas de radiación hacia la zona del microondas.
Micrografía del Acero AISI 304
Micrografía del PTFE
Evaluación de la eficiencia energética
Se tomo como elemento de comparación un sistema convencional tipo caldera ecológica
(Gas Natural) analizando el costo de pasterización por litro de leche y la eficiencia energética de los procesos.
Sistema Ecológico convencional
Freskaleche
Sistema No convencional
Microondas
Procedimiento del ensayo de pasterización
La verificación de los aspectos microbiológicos y fisicoquímicos finales de la leche sometida a tratamiento térmico se realizaron teniendo en cuenta el decreto 616 del 28 de febrero de 2006 y la NTC 506 del 30 de octubre de 2002.
Aleatorización
Ajuste de Manguera
Aislamiento de Muestra
Control
Filtrado
Ordenamiento de
Partidas muestrales
Resultados del ensayo de pasterización
Las pruebas microbiológicas fueron realizadas en un equipo automatizado FOSS Conveyor 5000 Basic; que consta de tres sistemas; BactoscanFC, Milkoscan FT (Fourier transform infrared spectroscopy) y Fosfomatic FC.
1. Matriz de Correlaciones, KMO y Bartlett
Permitió validar la pertinencia del la reducción
de variables y el análisis de Factores
2. El análisis de Varianza total explicada
indica que la temperatura la potencia y
la retención son factores de cambio en
la leche procesada.
Análisis de factores, correlación nivel de potencia/tiempo de exposición y la calidad microbiológica y fisicoquímica de la leche:
Comprobación de Hipótesis
se analizaron factores
por separado y en conjunto
Existe una diferencia significativa alta entre
tratamientos cuando se varia el factor “POTENCIA” y asocia la variable respuesta “UFC”
no existe diferencia significativa en las concentraciones de proteína como respuesta a la variación de la potencia de operación de la máquina.
las variaciones de “RETENCION” causan diferencias significativas en la concentración de Nitrógeno Ureico en la leche
1.
teniendo en cuenta esto:
Se Acepta H
a
Si existe diferencia significativa asociada a
las variaciones de potencia de trabajo y tiempo de retención, correlacionada a la
calidad microbiológica y fisicoquímica de la leche tratada térmicamente con
microondas.
La prueba de Tukey
indicó que el mejor
es el de 20s a 1000w
Análisis de factores, correlación nivel de potencia/tiempo de exposición asociada al incremento de temperatura
2
teniendo en cuenta esto:
Se Acepta H
a
Si existe diferencia significativa, asociada a las variaciones de potencia de trabajo y tiempo de retención; correlacionada al incremento de temperatura de la leche tratada térmicamente con microondas.
Relación entre temperatura y condiciones fisicoquímicas finales de la leche:
3
teniendo en cuenta esto:
Se Acepta H
a
…Si existe correlación asociada a las variaciones de temperatura y las condiciones fisicoquímicas finales de la leche tratada térmicamente con
microondas
Mejor tratamiento
1.000w - 20s
65,3+4,7°C
4000 UFC/ml
4. Esquema Temático
Análisis costo/beneficio de la implementación de un sistema pasteurizador para una mipyme del sector lácteo.
CAPITULO VI.
1. Selección de la Mipyme
2. Analizar las Características ofertadas
3. Selección de la mejor Oferta
Evaluación de la factibilidad del Proyecto TIR
El valor de TIR que más aproxima a 0 es 39,40115% EA lo cual es mayor que el costo de capital establecido en 30,71%EA; esto indica que por cada 100 pesos invertido estaría recuperando aproximadamente 9,23 pesos después de pagar el capital más sus intereses, para un rendimiento de $1’357.902 al tercer año.
6. Conclusiones
1. Es viable utilización de sistemas de pasterización de flujo continuo fundamentado en microondas
2. usando del prototipo se puede procesar un total de 10,9L/h de leche entera y se proyecta que bajo modificaciones del principio de tubo concéntrico a tubo y coraza se pueda incrementar la capacidad de procesado en un 3.300% al punto de poder procesar hasta 350L/h
3. Cualquier microempresa que tenga un stock de procesamiento de leche en un rango de 1.000 a 2.000 L/día es un usuario potencial del sistema
4. La inversión en tecnología a un costo promedio de 7.636 dólares sin necesidad de invertir mayor
capital en adecuaciones logísticas
5. El consumo de energía es inferior a otros sistemas comerciales de tipo eléctrico en hasta un 47,5% con un consumo de 4.200w/h, una eficiencia energética de 80,10% y un costo de pasterización por litro de $44,37.

6. La calidad microbiológica y composicional de la materia prima tienen como garantía que la carga biológica de la leche es 87,8%
menor que la carga biológica legal máxima en un alimento lácteo
1. Para evitar la disminución de potencia de trabajo de la bomba, se recomienda independizar el sistema de alimentación eléctrica del tablero de mando, estableciendo dos circuitos separados; uno para la bomba y otro para el microondas.
2. Para disminuir el consumo de energía en la operación del sistema, en la implementación industrial se hace necesario buscar dispositivos que operen a 220V o 330V.

3. Para mantener una temperatura ambiente adecuada en el interior del panel de control se sugiere la implementación de un sistema de extracción de calor por medio de un cooler a 12V.
4. Cambiar de un sistema de válvula de bola tres vías por un mecanismo de válvula solenoide a tres vías con termopar, de esta manera la
5. Ubicar ubicando en la zona del codo de descenso de retorno una válvula tres vías que al ser accionada manualmente permita el drenaje de aguas servidas cuando se requiera
6. Para lograr un lavado uniforme en los tanques de leche cruda y pasterizada, se recomienda instalar dos sistemas de ducha en el interior de los tanques.

7. Plateada la necesidad de un sistema difusor para incrementar la capacidad de trabajo de la máquina, se recomienda instalar una zona de mezclado isotérmico, pensando en que los caudales diferenciales tendrán flujos laminares.
7. RECOMENDACIONES
Gracias por su atención
Erick Mauricio López Díaz
Katia Yiseth Galvis Contreras
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