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Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua
UNAN-Managua
Recinto Universitario Rubén Darío
Facultad de Ciencias e Ingenierías
Departamento de Tecnología
Ingeniería Industrial
Grupo: III3B
“Diseño de un sistema de bombeo en una industria láctea
(proceso de pasteurización)”
Asignatura: Mecánica de fluidos
Elaborado por: Br. Kevin Kenndall Castillo Muñoz
Br. Jaykel Javier González Ortiz
Br. José Luis Dávila Flores
Br. Ezequiel David Chavarría Parrales
Docente: Msc. Edwin Fariñas
Fecha de entrega: 1 5 /06/ 2020
Contenido
- I. OBJETIVO GENERAL
- II. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
- III. Introducción.
- Leche.
- Propiedades Físicas.............................................................................................
- Propiedades químicas y composición
- Propiedades microbiológicas
- Descripción del sistema
- IV. Flujograma de procesos
- V. Descripción de procesos.
- Recepción de materia prima
- Mezcla
- Pasteurizado
- Los métodos de pasteurización más comúnmente utilizados son:
- Filtrado
- Envasado
- Embalaje
- VI. Normativas para la leche pasteurizada.
- VII. Requerimientos y diseño
- Bombas para industrias lácteas
- Pasteurizador
- VIII. Selección de materiales y dispositivos eléctricos
- IX. Esquema del sistema propuesto
- X. Ilustración General del sistema
- XI. Memoria de cálculos
- a. Datos iniciales
- b. Tablas de resultados.
- XII. Presupuesto.
- XIII. Medidas de prevención de la contaminación.
- XIV. Conclusiones.
- XV. Bibliografía...................................................................................................
III. Introducción.
En la mayor parte de los procesos industriales en la actualidad es necesario realizar
transferencias de líquidos desde un nivel a otro estos procesos de transporte que
en general ocurren de la parte más baja a un punto más alta y otros en los que es
necesario vencer las presiones y desniveles, son posibles mediante el empleo de
los sistemas de bombeo.
Hay una gran variedad de sistemas de bombeos, cuya capacidad, diseño y
aplicación cubren un gran rango que va desde pequeñas unidades utilizadas para
la dosificación de cantidades mínimas, hasta llegar a las bombas centrífugas
capaces de manejar grandes volúmenes para surtir de líquidos a las grandes
concentraciones urbanas, tienen una gran variedad de diseños para el manejo de
diversas sustancias, como el agua, metales fundidos concreto, etc
A lo largo de la historia se ha podido observar que la leche se consume desde
mucho tiempo atrás. Este proceso se dio principalmente en oriente medio. Durante
la edad antigua y la edad media, la leche era muy difícil de conservar y por esta
razón las opciones de consumo eran: fresca, fermentada o en forma de quesos.
Con el tiempo se fueron añadiendo otros productos lácteos como la mantequilla.
Para una mejor comprensión se detallaran algunos conceptos que se desglosan
Leche.
Por definición, la leche materna cumple la función de nutrir a los hijos hasta que son
capaces de digerir otros alimentos, sin embargo, los humanos de la gran mayoría
de las civilizaciones (a excepción de algunas de oriente), hemos adoptado a la leche
de mamíferos domesticados como parte de nuestra dieta, principalmente de vaca,
pero también de oveja, cabra, yegua, camella y otros.
Propiedades Físicas
Es una mezcla compleja y heterogénea compuesta por un sistema coloidal de tres
fases:
Solución: los minerales así como los hidratos de carbono se encuentran disueltos
en el agua.
Suspensión: las sustancias proteicas se encuentran con el agua en suspensión.
Emulsión: la grasa butírica de la leche es una emulsión en agua. (Badui, 1981)
Propiedades químicas y composición
El pH de la leche es ligeramente ácido (pH entre 6,6 y 6,8). Otra propiedad química
importante es la acidez, o cantidad de ácido láctico, que suele ser de 0,15-0,16%
de la leche (Badui, 1981)
Propiedades microbiológicas
La leche recién obtenida, por definición es estéril, pero es un sustrato ideal para el
desarrollo de un gran número de géneros bacterianos, algunos beneficiosos y otros
perjudiciales, que provocan alteraciones diversas del alimento y sus propiedades.
La tabla 2 muestra las familias de bacterias que se desarrollan en la leche de
acuerdo el efecto que producen en ella (Badui, 1981)
Descripción del sistema
Durante este proyecto se pretende proponer un sistema de bombeo para el proceso
de pasteurización, dicho sistema está compuesto por una serie de equipos
conectados por tuberías, con el fin de definir el contenido de grasa y homogenizar
la leche así como eliminar microorganismos patógenos presentes en este proceso,
aunque este sistema no es del todo seguro, ya que en estudios ya realizado por
otros, se puede encontrar que este sistema no es del todo confiable, puesto que ha
habido inconformidad puesto que en el producto final se han encontrado agentes
patógenos.
Para mejorar este sistema tenemos que llevar un control sobre el consumo de
energía de las diferentes fuentes y llevar una estandarización rigurosa de las líneas
de productos, entrando a detalle, para montar este sistema se ocupará:
- Tanque de balance
- Bomba
- Pasteurizador (intercambiador)
- Centrifuga
- Homogenizador
- Tubos de retención
- Bomba booster
V. Descripción de procesos.
Durante la conversión de la materia prima en producto, esta pasa por una serie de
procesos, ya mencionados en el Flujograma, mostrado con anterioridad, los cuales
se explicarán con más detalle de manera general;
Recepción de materia prima: la leche cruda se recibe de la producción lechera en
camiones cisternas, que son pesadas en la entrada d la instalación de
procesamiento d queso y luego se valúa la calidad y la temperatura.
Durante el proceso de la descarga, la leche pasa atrevés de una máquina que
elimina el aire, un filtro grueso y se mide dentro de un silo de leche cruda. La mayoría
de las instalaciones de queso cuentan con almacenamiento suficiente para hasta
un día de producción para asegurar un procesamiento ininterrumpido. Los silos de
leche cruda cuentan con sistemas de refrigeración para ayudar a mantener la leche
debajo de los 4,5 °C o 40 °F, y agitadores para mantener la leche completamente
mezclada.
Mezcla: El mezclado es una operación unitaria que consiste en combinar dos o más
sustancias para tener un producto o un subproducto. En este tipo de procesos se
pueden mezclar alimentos en diferentes estados físicos, ya sea sólido, líquido o
gaseoso o/y combinaciones de estos mismos.
Este proceso es esencial en la industria para la transformación de la materia prima
en productos y parque esto ocurra, tienen una variedad de procesos y maquinarias
dependiendo de los elementos a incorporar.
Pasteurizado: La pasteurización es un proceso térmico, aplicado a la leche (entre
otros alimentos líquidos) a una combinación de temperatura y tiempo determinados
para reducir los agentes patógenos que puede contener, para posteriormente bajar
su temperatura con rapidez. Se diferencia de la ebullición la leche porque, si bien
con este tratamiento se obtiene la esterilización, también se obtiene un sabor
alterado. (Badui, 1981)
La FDA, administración de drogas y alimentos de EUA, reconoce como procesos de
pasteurización estándar varias combinaciones de tiempos y temperaturas. La tabla
3 muestra las combinaciones que se utilizan con mayor frecuencia para el
pasteurizado de leche.
Los métodos de pasteurización más comúnmente utilizados son:
LTLT: Low temperature, long time (Temperatura baja, tiempo largo)
HTST: High temperature, short time (Alta temperatura, tiempo corto)
Tabla 1 Tipos de pasteurización
Nombre del proceso Temperatura Tiempo
HTHT 63 ˚C 30 Min
HTST 72 ˚C 15.00 s
Temperaturas más
altas, tiempos más
cortos.
89 ˚C 1.00 s
90 ˚C 0.50 s
94 ˚C 0.10 s
100˚C 0.01 s
Filtrado: es el proceso de separación de partículas sólidas de un líquido utilizando
un material poroso llamado filtro. La técnica consiste en verter la mezcla sólido-
líquido que se quiere tratar sobre un filtro que permita el paso del líquido pero que
retenga las partículas sólidas, El líquido que atraviesa el filtro se denomina filtrado.
El filtro, en el laboratorio suele ser papel poroso, pero puede ser de otros materiales
que permitan el paso de líquidos. En cualquier caso es necesario seleccionar la
porosidad del filtro según el diámetro de las partículas que se quieren separar.
Envasado: De manera general es un producto que pude estar fabricado en una gran
variedad de materiales y sirven para contener, proteger, manipular, distribuir y
presentar mercancías en cualquier fase de su proceso productivo, de distribución o
venta.
El envase debe cumplir una serie d requisitos, de los cuales podemos mencionar;
Contención
Comunicación
Facilidad de fabricación
Comodidad de uso
Aparte de esto el proceso de envasado cuenta con algunas técnicas para envasar
de las cuales están;
Envasado tradicional.
Envasado al vacío
Envasado en atmósfera controlada (EAC)
Envasado en atmósfera modificadas (EAM)
Tipos de envases:
Plástico
Metal
Brik
Cartón
Vidrio
Embalaje: También llamado empaque, o envoltura que contiene productos de
manera temporal principalmente para agrupar unidades de un producto pensando
en su manipulación, transporte y almacenaje.
Además en el etiquetado deberá aparecer la frase ¨Leche pasteurizada, Leche
descremada Leche semi descremada, Leche reconstruida, Leche recombinada¨
etc., según sea el caso.
Mientras que las condiciones para el almacenamiento y transporte cumplirá con las
normas que rijan estos temas.
Es importante mencionar que el incumplimiento a las disposiciones establecidas en
la presente norma, debe ser sancionado conforme a lo establecido en la ley 291 ley
básica de la salud animal y sanidad vegetal y su reglamento; las disposiciones
sanitarias; Decreto No 391 y No 432 y en la ley de normalización técnicas y calidad.
VII. Requerimientos y diseño
Para montar este sistema de bombeo utilizaremos un tanque de balance porque el
producto manejado debe estar libre de aire u otros gases para el adecuado
funcionamiento de las bombas centrífugas. Para evitar la cavitación de las bombas,
la presión en todos los puntos de entrada a la bomba debe ser mayor que la presión
de vapor del líquido.
Una válvula debe ser accionada para redirigir el producto sin tratar, si la temperatura
del producto tratado térmicamente cae por debajo del valor requerido. La presión en
el lado de succión de la bomba debe mantenerse constante para asegurar un flujo
uniforme en la línea.
La entrada al tanque se ubica en la zona inferior del mismo, de esta manera, el
líquido entra por debajo de la superficie. Consecuentemente, no se producen
salpicaduras y, por encima de todo, no se diluye aire en el producto. El tanque de
balance es a menudo incluido en un sistema de recirculación donde el líquido es
retornado para su recicle, por ejemplo, como resultado de un tratamiento térmico
insuficiente. En este caso, un indicador de temperatura activa una válvula de desvío,
que direcciona el producto de nuevo al tanque de balance. Esto causa un rápido
incremento en el nivel del líquido y un igualmente rápido movimiento del mecanismo
de la boya para cerrar la válvula de entrada. El producto entonces circula hasta que
el fallo haya sido enmendado o la planta se haya detenido para los ajustes
necesarios.
Los tanques se equipan con una boya de nivel conectada a una palanca con un
rodillo en el extremo cuyo eje pivota excéntricamente controlando la válvula de
entrada al tanque. Conforme el nivel mueve el flujo hacia arriba o hacia abajo se
produce el cierre o la apertura de la válvula respectivamente. Si la bomba succiona
más del tanque que fluido hay en la entrada al tanque, el nivel cae y con él la boya.
En esta situación la válvula se abre y permite la entrada de más líquido. De este
modo, el líquido en el tanque se mantiene a un nivel constante.
Bombas para industrias lácteas
Estas bombas se designan para distintos aplicaciones industriales, las empresas
exigen un bombeo cuidadoso de los productos, a fin de mantener la consistencia.
La industria láctea utiliza las bombas de leche para transportar leche o nata "crema".
También en la producción de yogures o helados se integran bombas para leche en
el proceso de fabricación.
Pasteurizador
La unidad de pasteurización (HTST) es un pasteurizador diseñado para el
tratamiento térmico de la leche y sus derivados u otros productos alimentarios como
refrescos y zumos que permite eliminar los microorganismos patógenos, mediante
la aplicación de alta temperatura durante un corto período de tiempo.
El producto llega a un tanque de balance (BTD) donde una bomba lo envía a un
intercambiador de placas donde se calienta, hasta una temperatura de
pasteurización la cual depende del producto y/o requerimientos del proceso.
Posteriormente el producto pasa al tubo retenedor donde se mantiene esta
temperatura durante un tiempo para asegurar una correcta pasteurización.
En el caso que el intercambiador tenga la etapa de recuperación, el producto
pasteurizado intercambia energía con el producto a pasteurizar necesitando menos
energía tanto para enfriar el producto pasteurizado como para calentar el producto
a pasteurizar.
Finalmente, el producto suele pasar por una etapa de enfriamiento para bajar la
temperatura del producto hasta 4 ºC y permitir su almacenamiento en depósitos
isotérmicos o el envasado en frío.
Si debido a algún problema la temperatura de pasteurización es inferior a la
deseada, una válvula de desvío automática retorna el producto al depósito de
balance o BTD, evitando problemas de contaminación microbiológica en el producto
final.
VIII. Selección de materiales y dispositivos eléctricos
Bomba de alimentación centrífuga Intercambiador de calor de placas, que
puede ser de 1, 2 o 3 etapas, a petición del cliente y/o proceso.
El tubo retenedor se ha diseñado con ligera inclinación para mejorar el
drenaje del tubo.
Válvula de retención
IX. Esquema del sistema propuesto
Planteamos el estudio de un sistema que consiste en:
Un recipiente que contiene leche, del cual por medio de una bomba, va a recircular
un flujo constante por el tubo interior de uno o varios intercambiadores de calor,
donde recibirá energía térmica para aumentar su temperatura y luego retornar al
recipiente original. Recirculando continuamente, hasta que se alcance la
temperatura de pasteurización lenta en el producto contenido en el depósito.
La ilustración muestra el esquema básico del sistema de calentamiento.
X. Ilustración General del sistema
b. Tablas de resultados.
A continuación, se muestran una serie de tablas, en las cuales se realizaron cálculos
para las pérdidas del sistema, así como también se calcularon; el número de
Reynolds, rugosidad del acero inoxidable (AISI), también los coeficientes de fricción,
las pérdidas de descarga, las pérdidas pos ensanchamiento y estrechamiento. Entre
otros, parara realizar dichos cálculos se tomaron él cuenta los datos de loa tabla 1:
datos iniciales
Ubicación del
flujo Caudal o gasto
Diámetros de
cálculo
Diámetros
estándar
Velocidad
estándar
Etapa m
3 /s mm mm m/s
Entrada de
bomba
93.96 100 0.
Salida de bomba 50.22 75 0.
Línea de
conducción 54.25 75 0.
Ubicación del
flujo
Número de
Reynolds Flujo laminar
Flujo en
transición Flujo turbulento
Etapa Re (Re ≤ 2000) (2000 <Re< 4000) (Re ≥ 4000)
Ubicación del
flujo
Material
Rugosidad
absoluta Rugosidad relativa
Etapa ε (mm)^ ε/d^ εr x 10
- 5
Entrada de
bomba Acero
inoxidable
Salida de bomba 0.000600 60.
Línea de
conducción 0.000600 60.
Temp. Peso especifico
Viscosidad
Dinámica
Viscosidad
Dinámica Densidad
ºC ɣ μ x 10
3 μ ρ
N/m
3 N. s/m
2 N. s/m
2 kg/m
3
d
RR
f=64/Re
Entrada de
bomba 6.38 0.
Salida de bomba 8.50 1.
Línea de
conducción 8.50 1.
Ubicación del flujo Coef. de fricción Longitud de tubería Pérdidas de carga por fricción
Etapa f L hfricc
m m.c.a
Entrada de bomba 207.435 5 2142448.
Salida de bomba 41.305 2 719098.
Linea de
conducción 41.305 8.53 3066954.
Ubicación
del flujo
Diametro
interno
Piezas o
accesorios Cant.
Longitud equiv. de
tubería
Coef.
de
fricción
Pérdidas de carga por
accesorios
Etapa cm Descripción Nº m m f hA
Entrada de
bomba
Codo angular 1 7 7 207.435 2999428.
Salida de
bomba
Conexión en
T 4 5
Válvula de
asiento 1 20
Válvula de
retención 2 5.5 51 41.305 18337009.
Linea de
Conducción 7.5 Codo angular 3 4.5 13.5 41.305 4853914.
Re
v d
P 1 /ɣ v
2 1 /2g^ Z 1 E 1
m m m m
0.00 0.014 0.00 0.
Bernoulli 1 a 2 11.
P 2 /ɣ v
2 2 /2g^ Z 2 E 2
m m m m
HB NB
m kW HP
1
2 1 1 1 ^ z g
P v E
HB E 2 E 1 h 1 2
B
B
Q H
N
XII. Presupuesto.
UNID MATERIALES PRECIO *
UNIDAD
PRECIO
DOLAR
PRECIO
TOTAL (C$)
9 Codos de 90° 3in 330 2970
2 codos de 90° 3 1/3in 375 750
2 Válvula anti retorno 3in 4500 9000
1 Pasteurizador lento
500 L / lote
2 Bomba centrífuga 2000 2000
2 8.53m de tubos de acero
inoxidable 3in
5 Conexión T acero
inoxidable 3in
Total 127,677.
En esta tabla se han recolectado la información de los precios de cada uno de los
accesorios para el sistema de bombeo a emplear, dicho sistema es para trabajar
con un volumen de 500litros, los cuales pasan por el proceso de pasteurizado, de
aproximadamente de 30minutos de calentamiento.
