Reconocimiento-CompartirIgual 4.0 Internacional Esta licencia permite a otras combinar, retocar, y crear a partir de su obra, incluso con fines comerciales, siempre y cuando den crédito y licencia a las nuevas creaciones bajo los mismos términos. Esta licencia suele ser comparada con las licencias copyleft de software libre y de código abierto. Todas las nuevas obras basadas en la suya portarán la misma licencia, así que cualesquiera obras derivadas permitirán también uso comercial. http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y PETROQUÍMICA ESCUELA ACADÉMICA DE INGENIERÍA QUÍMICA TRABAJO MONOGRAFICO TERMODINAMICA PRESENTADO POR: BACH. ANGELY MARISOL ARIAS MAMANI ICA - PERU 2019 2 DEDICATORIA El presente trabajo de investigación está dedicado a mis queridos padres; por su apoyo sin condiciones a lo largo de mi carrera profesional y así hicieron posible forjarme un futuro mejor. 3 AGRADECIMIENTO Agradezco a todos mis docentes de la Facultad por todas sus enseñanzas en los claustros de esta casa de estudios, para así poder llegar a la excelencia profesional. Muchas gracias. 4 RESUMEN Esta investigación tendrá en cuenta las oportunidades que ofrecen actualmente los análisis teóricos y empíricos en el ámbito de la termodinámica química. Partiendo de la herencia científica acogida, notablemente esencial, se reseña una travesía personal a la transmisión del saber con el estímulo agregado de establecer sinergias con otras disciplinas. Esta ruta se lleva a cabo a través de las contribuciones que el análisis de los equilibrios de fase está produciendo en áreas tan diferentes como los sistemas de refrigeración, la síntesis selectiva de productos orgánicos y la extracción y fraccionamiento de productos valiosos de matrices sólidas. En todos los casos analizados aquí, los métodos experimentales y los modelos moleculares utilizados serán fundamentales para elegir y obtener productos mucho más limpios y seguros que permitan lentamente reescribir una Química desprovista de cualquier significado peyorativo. Utilizando la metodología aplicada en esta monografía, se evaluó la eficiencia energética para cada una de las etapas del proceso que se tomó como ejemplo práctico. Los valores obtenidos a través del teorema de Gouy-Stodola se compararon con los resultados del balance energético, encontrando un alto grado de convergencia entre ellos. 5 INDICE DEDICATORIA ....................................................................................................................... 2 AGRADECIMIENTO ............................................................................................................. 3 RESUMEN ................................................................................................................................ 4 INDICE ..................................................................................................................................... 5 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 7 1. CAPITULO I LA TERMODINAMICA ........................................................................ 8 1.1. Concepto ..................................................................................................................... 8 1.2. Fundamentos de la termodinámica. ............................................................................ 8 1.3. Métodos de estudio de la termodinámica: ................................................................. 11 1.3.1. Microscópico: ...................................................................................................... 11 1.3.2. Macroscópico ...................................................................................................... 11 1.3.3. Continuo .............................................................................................................. 12 1.4. Sistemas unitarios ..................................................................................................... 12 1.4.1. El Sistema Internacional de Unidades (SI) ......................................................... 12 1.4.2. El sistema inglés de unidades .............................................................................. 12 1.5. Sistema ...................................................................................................................... 12 1.5.1. Tipos de sistemas: ............................................................................................... 12 1.6. Propiedades ............................................................................................................... 13 1.6.1. Clasificación de la propiedad: ............................................................................. 13 1.7. Estado del sistema ..................................................................................................... 14 1.7.1. Postulado Estatal ................................................................................................. 14 1.7.2. Propiedades o funciones de estado ...................................................................... 14 1.8. Fase ........................................................................................................................... 15 1.8.1. Cambio de fase .................................................................................................... 15 2. CAPITULO I TERMODINÁMICA EN LA INDUSTRIA ORGÁNICA ................ 16 2.1. Termodinámica en la industria química orgánica. .................................................... 16 2.2. Conservación de alimentos por calor. ....................................................................... 16 2.3. Comportamiento de microorganismos y enzimas frente a la temperatura ................ 17 6 2.4. Cinética de la destrucción de microorganismos por calor. ........................................ 19 2.5. Termorresistencia de los microorganismos ............................................................... 23 2.5.1. Valor F ................................................................................................................ 24 3. CAPITULO III CASO DE ESTUDIO ......................................................................... 27 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN REAL DE ACEITE DE PALMA REAL ............................................................................................................. 27 3.1. Análisis de producto.................................................................................................. 27 3.2. Proceso de extracción de aceite de palma ................................................................. 28 3.2.1. Esterilización ....................................................................................................... 28 3.2.2. Digestión ............................................................................................................. 29 3.2.3. Prensado .............................................................................................................. 29 3.2.4. Aclaración ........................................................................................................... 29 3.3. El proceso de clarificación se divide en dos partes: .................................................. 30 3.4. Características energéticas del aceite de palma. ....................................................... 31 3.5. Energía y análisis energético. .................................................................................... 32 4. RESULTADOS ............................................................................................................... 38 5. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 40 6. FUENTES DE INFORMACION ....................................... ¡Error! Marcador no definido. 7 INTRODUCCIÓN La química orgánica es un gran desconocido para muchos, pero tiene una larga historia consagrada al campo de la termodinámica química que se ha marcado por un minucioso trabajo y tan discreto como meticuloso en sus demostraciones. La valoración de las propiedades termo físicas en el campo de la industria química, el análisis e interpretación de la manera de cómo las interacciones intermoleculares revelan la conducta macroscópica de los sistemas, que exigen de un entrenamiento tan riguroso en la medición y observación de fenómenos experimentales. El estudio de la cinética, la termodinámica y los mecanismos de las reacciones químicas facilita un mayor conocimiento sobre los procesos industriales, lo que permite una correcta toma de decisiones con respecto a la modificación de variables operativas, con el objetivo de hacer que el proceso sea más eficiente y obtener un producto de mejor calidad, donde Las reacciones colaterales se minimizan a favor del rendimiento deseado del producto. El contenido antes mencionado demuestra que las condiciones de operación, como presión, temperatura, alimentación y catalizador, están directamente relacionadas con la química fundamental, por lo que es importante No obstante, de la misma forma en que todos los campos del conocimiento "adyacente", la perspectiva de la fisicoquímica, junto con otras ciencias, es inmejorable para destacar, en asumir nuevos retos, en la solución de problemas y, en última instancia, en la transferencia de conocimiento. Pero para esto, usted debe ser capaz de identificar los campos de interés en los que existen demandas y eliminar las brechas de comunicación que existen actualmente entre los experimentadores y los teóricos. Una misión no fácil pero no imposible. 8 1. CAPITULO I LA TERMODINAMICA 1.1. Concepto Se define como la ciencia de la energía, la palabra proviene de dos vocablos griegos Thermos (Calor) y dynamics (potencia), que describe entonces los primeros esfuerzos en convertir calor en potencia. En la actualidad el concepto comprende todas las características de la energía y sus variaciones, inclusive la generación de potencia, la producción de frio y las relaciones que se producen entre las propiedades de la masa. La termodinámica se ocupa de la energía y sus transformaciones en los sistemas desde un punto de vista macroscópico; sus leyes son restricciones generales que la naturaleza impone en todas esas transformaciones, es una teoría de una gran generalidad, aplicable a sistemas de estructura muy elaborada con todas las formas de propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas complejas; puesto que la termodinámica se focaliza en las propiedades térmicas, es conveniente idealizar y simplificar las propiedades mecánicas y eléctricas de los sistemas que estudiaremos; cuando el contenido esencial de la termodinámica haya sido desarrollado, será una cuestión simple extender el análisis a sistemas con estructuras mecánicas y eléctricas relativamente complejas (Smith, Van Ness, & Abbott, 2007). El problema primordial es indicar que las limitaciones en los sistemas considerados no son restricciones fundamentales sobre la teoría general de la termodinámica, y sólo se admiten para una simplificación de forma de exposición. 1.2. Bases de la Termodinámica. En el estudio de las relaciones entre las propiedades termodinámicas y de las transformaciones de energía y las relaciones que existen entre las propiedades termodinámicas, 9 se han definido unas leyes básicas que se fundan en la heurística experimental y que a continuación se reseñan. Postulado Definición Ley Cero Se refiere al equilibrio térmico entre cuerpos en contacto. 1era Ley Es un principio de conservación y trata sobre la cantidad de energía 2da Ley No es un principio de conservación y trata sobre la calidad de la energía, esto implica que algunas formas de energía son más útiles que otras para la sociedad. 3era Ley Son enunciados que se refieren a las propiedades termodinámicas. 1.3. Alcance e importancia de la Termodinámica La termodinámica ha abarcado diversas áreas dirigidas a conseguir la transformación, la conducción y la utilización eficiente de la energía. En áreas como: a. Plantas de Potencia: i. Plantas de Turbinas a Gas ii. Plantas Termoeléctricas iii. Plantas Hidráulicas 10 b. Motores de Combustión Interna: i. Motores de encendido por chispa. ii. Motores de ignición. c. Sistemas de Refrigeración i. Por compresión de vapor ii. Por compresión de gas iii. Por absorción d. Sistemas de Bombeo i. Bombas Centrifugas ii. Bombas de pozo profundo iii. Bombas sumergibles iv. Bombas reciprocantes e. Pilas eléctricas de combustible. f. Plantas separadoras de Aire. g. Intercambiadores de Calor i. Caldera o generadores de vapor ii. Condensadores iii. Torres de Enfriamiento iv. Evaporadores 11 v. Calentadores h. Compresores de Gas i. Alternativos ii. Centrífugos iii. De tornillo i. Turbinas i. De vapor ii. A gas iii. Hidráulicas j. Toberas y Difusores k. Dispositivos de estrangulamiento de fluidos (Válvulas de expansión) 1.3. Métodos de estudio de la termodinámica: 1.3.1. Microscópico: Es el enfoque que se basa en la naturaleza individual de las partículas y de sus relaciones e interacciones. Se basa en estudiar el tema enfocando la atención en las interacciones moleculares. 1.3.2. Macroscópico Esta visión muestra lo que se ha definido y se conoce como la Termodinámica clásica, que basa su estudio en la premisa de que la materia se comporta como un continuo (cantidad mínima de la sustancia en la que no se tienen en cuenta los efectos moleculares), lo que impone 12 que las propiedades de la materia bajo análisis no cambian en medio de las partículas agrupadas y que están limitadas por el mismo límite y bajo las mismas condiciones termodinámicas. 1.3.3. Continuo Es la cantidad mínima de una sustancia en la que no se tienen en cuenta los efectos moleculares, es decir, la cantidad mínima desde la que se puede determinar que el total de las partículas que conforman la sustancia conservan una conducta promedio. 1.4. Los Sistemas de unidades 1.4.1. Sistema Internacional de Unidades (SI) El sistema principal de medidas y unidades usadas en todo el mundo para las labores científicas es el llamado Sistema Internacional (SI). Este sistema usa siete dimensiones principales: masa, longitud, tiempo, temperatura, corriente eléctrica, intensidad de la luz y cantidad de sustancia. 1.4.2. El sistema inglés de unidades En los Estados Unidos, el sistema de unidades en inglés se usa con frecuencia. Este sistema presenta como dimensiones primarias lo siguiente: masa, longitud, tiempo, corriente eléctrica, intensidad de luz, temperatura y fuerza. 1.5. Sistema Porción del espacio elegido arbitrariamente, limitado por un área imaginaria o real, que encierra una porción constante de masa y no variable en términos de su identidad (composición química) y en el que el foco se enfoca para analizar desde el punto de vista termodinámico. 1.5.1. Tipos de sistemas:  Sistema aislado: es uno donde no existe cambio de materia ni de energía con los alrededores. 13  Sistema cerrado: donde no existe cambio de energía con los alrededores; pero si de masa.  Sistema abierto o de volumen de control: donde existe cambio de energía y de masa con los alrededores. Es también conocido como “volumen de control” y la frontera se denomina “superficie de control”. 1.6. Propiedades Es una característica de un sistema que puede usarse para definir o establecer la condición termodinámica. La determinación de las propiedades se realizan mediante experimentos y es posible fijarles determinados valores en números, esto es, se puede diseñar un experimento que cuantifique directa o indirectamente su valor. 1.6.1. Clases de propiedades Estas se dividen en dos clases; extensivas e intensivas de acuerdo a su dependencia al con respecto a las variaciones de la materia del sistema.  Propiedades intensivas: Son la que no dependen de la materia y se caracterizan por ser independientes de la magnitud del sistema, ejemplos: la presión, la temperatura, el volumen específico, presión. Se representan generalmente en letras minúsculas. 14  Propiedades extensivas: Son las que dependen de la materia y no son independientes de la magnitud del sistema, ejemplos: energía interna (U), volumen total (V), Flujo másico, entalpía total (H), entropía total (S). Se representan con las letras en mayúsculas.  Específico: son aquellas propiedades intensivas que se expresan por unidad de masa o molar 1.7. Estado del sistema Es el momento en que un sistema no sufre ningún cambio, por lo que es posible determinar las propiedades, que describen completamente esa condición. La definición del estado de un sistema termodinámico significa, especificando el mínimo número de propiedades intensivas e independientes, que se necesita conocer para determinar el estado del sistema. El número mínimo de propiedades independientes que deben especificarse para la definición de estado dependerá de la fase del sistema. 1.7.1. Postulado Estatal Como regla general, el estado termodinámico de un sistema o sustancia se puede identificar completamente, a partir de dos propiedades intensivas que son termodinámicamente independientes. (Esta regla se conoce como el postulado del estado). 1.7.2. Propiedades o funciones de estado Se dice que cualesquier propiedad que posea valores fijos en estado equilibrado, independientemente de cómo el sistema haya alcanzado ese estado, es una función o variable de estado. En base a esta definición, se puede afirmar que: 15  El cambio que ocurre en el valor de una propiedad cuando un sistema se altera de un estado de equilibrio a otro es siempre el mismo, independientemente del método utilizado para producir el cambio.  Si, al pasar de un estado a otro, siempre se mide el mismo valor de cierta cantidad, esa cantidad es una medida del cambio en alguna propiedad. 1.8. Fase Es una cantidad de materia homogénea en todas sus partes. 1.8.1. Cambio de fase Es un cambio de apariencia física, es decir, la sustancia se puede mostrar en fase sólida, es decir, no se adapta al contenedor que lo contiene y ofrece resistencia al corte, en fase líquida, que se adapta al contenedor que contiene no ofrece resistencia al corte ni a la fase gaseosa, donde la tendencia natural es abandonar el recipiente que lo contiene. 16 2. CAPITULO II TERMODINÁMICA EN LA INDUSTRIA ORGÁNICA 2.1. Termodinámica en la industria química orgánica. (Geankoplis, 2016) La transmisión de energía bajo la forma de calor es una de las operaciones más importantes que tienen lugar en la industria alimentaria. De esta manera, procesos como cocinar, hornear, secar, congelar, refrigerar, pasteurizar, esterilizar, entre muchos otros, son parte del procesamiento de la gran mayoría de los alimentos. Por eso es importante tener conocimiento de cómo se realiza la transferencia de calor en los alimentos, para llevar a cabo procesos efectivos, seguros y controlados. Uno de los principales problemas que surgen dentro de la ingeniería de alimentos es la eliminación de microbios y bacterias que se encuentran en los productos alimenticios, no solo para evitar su potencial contaminante, sino también con el objetivo principal de preservar los alimentos por períodos más largos. posible. (Geankoplis, 2016) Para lograr la destrucción de las formas esporuladas y vegetativas, los alimentos se tratan térmicamente para obtener un producto final de alta calidad, minimizando las pérdidas de nutrientes y las propiedades sensoriales 2.2. Conservación de alimentos por calor. Uno de los procedimientos físicos disponibles para Food Technology para aumentar su vida útil es la destrucción de microbios y bacterias debido a la acción letal del calor. Hay dos tipos de tratamiento térmico: uno, llamado pasteurización, cuyo objetivo principal es la desinfección de los alimentos, y también, la esterilización, que tiene por objetivo la eliminación de los microorganismos presentes esporulados o no, o al menos todos los que pueden multiplicarse en el producto final. 17 (Desrosier, 2014) El primero trata de obtener un alimento libre de microorganismos patógenos no esporulados y, con el segundo, obtener un alimento microbiológicamente estable para poder almacenarlo durante mucho tiempo a temperatura ambiente. Entre los últimos alimentos se encuentran los llamados conservados genéricamente (Desrosier, 2014) En general, se acepta que este tipo de procesamiento se inventó en la transición de los siglos XVIII al XIX, cuando Nicolás Appert, un chef de repostería francés, observó que los alimentos calentados en contenedores sellados podrían conservarse durante mucho tiempo si el contenedor no se abrió. Los científicos de aquellos tiempos explicaron el éxito de Appert diciendo que de una manera mágica y misteriosa el aire se combinaba con la comida evitando la podredumbre. (Desrosier, 2014) Obviamente, eran totalmente ajenos a lo que realmente sucedió. Tuvimos que esperar medio siglo, hasta los descubrimientos de Pasteur, para explicar correctamente la causa de la estabilidad de la comida abierta. Desde entonces, aunque introdujo sucesivas mejoras tecnológicas, este procedimiento ha esterilizado una buena cantidad de alimentos hasta hoy. 2.3. Comportamiento de microorganismos y enzimas frente a la temperatura (Geankoplis 2016) opina que “La temperatura es uno de los agentes que más influyen en el crecimiento microbiano, en la actividad de las enzimas y en la velocidad de muchas reacciones químicas”. (p. 124) Se ajustan pues a la ecuación de Arrhenius: log v = Ea/2,303 RT + log A Donde: v = velocidad de la reacción 18 Ea= energía de activación (J/mol) R =constante universal de los gases (8,3144 J/mol. K) T = temperatura absoluta (K) A = constante denominada factor de frecuencia La representación gráfica de la ecuación predice que la velocidad de la reacción aumenta proporcionalmente a medida que lo hace la temperatura, lo que es válido para las reacciones químicas dependientes de la temperatura, como, por ejemplo, la reacción de Maillard. (Geankoplis. 2016) Sin embargo, cuando se representa la actividad enzimática y el crecimiento microbiano a partir de datos obtenidos experimentalmente, se obtiene respectivamente, las curvas generales, que indican que ambas se ajustan a la ecuación de Arrhenius solo en un intervalo de temperaturas. (Geankoplis. 2016) La actividad enzimática disminuye proporcionalmente con el descenso de la temperatura del medio pero al aumentar esta, llega un momento en que se pierde la linealidad que se debe a la desactivación de la enzima por la acción del calor. De forma similar, puede decirse que un microorganismo crece más velozmente (disminuye el tiempo de duplicación) al aumentar la temperatura hasta un valor (temperatura óptima de crecimiento) donde se observa primero un descenso acusado de la velocidad de crecimiento y después el cese del mismo; esto se debe a la destrucción del microorganismo por la acción letal del calor. (Geankoplis. 2016) Sin embargo y a diferencia de lo que ocurre con las enzimas a medida que la temperatura desciende desde la óptima, se observa un descenso de la velocidad de crecimiento pero llega un momento en que el crecimiento se hace aún más lento hasta llegar a una temperatura (diferente para cada tipo o grupo microbiano), en que se detiene, que no 19 necesariamente tiene que ser, en los microorganismos psicrotrofos y psicrófilos, cuando se congela el medio, ya que en alimentos congelados (hasta unos -12 °C), se ha detectado crecimiento de algunos microorganismos en la fracción líquida del mismo. La disminución de la velocidad de crecimiento microbiano y su cese a medida que la temperatura disminuye, se ha atribuido a la pérdida de actividad de las permeasas a baja temperatura y/ o a los cambios en la arquitectura de la bicapa lipídica de la membrana que impedirán la combinación de las permeasas con los correspondientes sustratos. 2.4. Cinética de la destrucción de microorganismos por calor. (Rodríguez 2013) creen que "al aumentar la temperatura a partir del crecimiento óptimo de un microorganismo en particular, primero se inhibe, luego se causan lesiones subletales en el microorganismo, pudiendo ser aún viables pero incapaces de multiplicarse hasta que la reparación no repara lesiones y, si la temperatura es lo suficientemente alta, inevitablemente se produce la muerte” (Rodríguez 2013) Por lo tanto, generalmente se puede decir que cualquier temperatura por encima del crecimiento máximo de un microorganismo es letal para él. Los tratamientos con calor letal causan una disminución progresiva y ordenada en sus poblaciones microbianas homogéneas, cuanto más largo es el tiempo de exposición (Rodríguez 2013) Aunque se han observado excepciones, está perfectamente establecido que la destrucción de microorganismos por el calor no es fortuita, sino que sigue una marcha ordenada; Esencialmente se ajusta a un curso logarítmico. Esto se demostró hace casi una centuria, para las especies esporuladas de Bacillusstearo thermophilus y otras bacterias que causan la alteración del flatsour (acidificación sin producción de gas) de algunas conservas. 20 (Rodríguez 2013) La naturaleza logarítmica de la destrucción de microorganismos por el calor se explica perfectamente según la ecuación general de las reacciones de primer orden. Nt =No .e-k1 Donde: t =tiempo Nt =número de microorganismos en un tiempo t. No= número inicial de microorganismos K= coeficiente de letalidad térmica (tiempo-1). (Rodríguez 2013) La destrucción de los microorganismos durante un tratamiento térmico (K), se define por el coeficiente de letalidad térmica. Sin embargo, en la bibliografía se encuentra más frecuentemente el parámetro denominado tiempo de reducción decimal (valor D) que se define como el tiempo necesario, a una temperatura determinada, para destruir el 90% de los microorganismos presentes (Rodríguez 2013) El valor D se calcula a partir de la gráfica de supervivencia, que es la recta obtenida al representar el logaritmo del número de supervivientes en función del tiempo. El tiempo preciso para cruzar un ciclo logarítmico es el valor D y viene definido por la expresión. D = t/ (log N0- log Nt) Donde: D = Tiempo de reducción decimal (min) 21 t = tiempo (min) N0 = Número de microorganismos presentes inicialmente. Nt = Número de microorganismos después del tratamiento térmico. El valor D puede calcularse también a partir de la ecuación de la recta obtenida en la gráfica de supervivencia, en la que: D = 1/tg α La naturaleza logarítmica de la muerte de los microorganismos por la acción letal del calor que no es posible llegar al acero absoluto de microorganismos, por mucho que se prolongue el tiempo de tratamiento. Por ejemplo, supóngase que las formas esporuladas de Bacillussubtilispresentan un D110 °C = 1 min. Cada minuto de tratamiento a 110 oc se destruirá el 90% de las células supervivientes obteniéndose reducciones sucesivas del 90%, 99%, 99.9%, 99.99%, etc, es decir los supervivientes serán 10%, 1%, 0.1 %, 0.01 %, etc. Como no es posible obtener una fracción de microorganismo viable, en términos prácticos las reducciones sucesivas significan que habrá una espora viable por una unidad de alimentos considerada (por ejemplo, por envase), 1 por cada 10 envases, el término esterilizado no implica necesariamente que el producto esté estéril en un sentido microbiológico estricto y, por ello, es más correcto hablar de esterilidad comercial, que suele situarse en valores de 1/104-1/105, es decir que el tratamiento aplicado consiga una reducción tal de microorganismos que el riesgo de alteración sea de 1 envase por cada 10.000 o 100.000 fabricados (Rodríguez 2013). Evidentemente podría aumentarse la intensidad del tratamiento térmico y conseguir un grado de esterilidad mayor pero tal posibilidad se ve limitada por los cambios químicos adversos que siempre conlleva la aplicación de calor sobre todo en lo referente a la calidad organoléptica y valor nutritivo. 22 (Rodríguez 2013) El tecnólogo de los alimentos, pues se enfrenta al dilema de disminuir el riesgo de alteración o elaborar un producto con los mínimos cambios en la calidad sensorial y nutritiva. Hay que llegar a un compromiso para aplicar el tratamiento térmico mínimo con el que se pueda conseguir la esterilidad comercial, manteniendo el máximo de calidad original. (Rodríguez, 2013) La naturaleza logarítmica de la muerte de microorganismos por calor también indica que lograr la reducción de la carga microbiana en un nivel deseado depende del número inicial que se divide, lo que implica en términos prácticos la conveniencia de procesar alimentos menos contaminados posibles. La relación entre el coeficiente de letalidad térmica, k y el valor D se deduce de la ecuación, que se puede expresar tomando logaritmos, de la siguiente manera: (Rodríguez, 2013: 80) Log Nt = kt log e + log N0 K = (log N0 -log Nt) 2.303 / t Cuando log N0- log Nt = 1, tienes que t = D, Asi que: k = 2,303 / D Para cada microorganismo, el valor D es específico de la temperatura de tratamiento. Por lo tanto, se requiere un medio para relacionar los valores de D con cada temperatura. Se realiza a través del valor Z, que se calcula a partir de los gráficos de destrucción térmica. Estos se construyen representando los logaritmos de los valores de D en función de la temperatura. El valor Z se define como el número de grados Celsius que es necesario para acrecentar o 23 amenorar la temperatura hasta que la magnitud de D crezca o disminuya, correspondientemente hasta 10 veces. Del gráfico de destrucción térmica: (Rodríguez, 2013: 80) Z = (T2- T1) (log D1 -log D2) Dónde: = número de grados ec) T 1 y T 2 = temperaturas de tratamiento ec) D1 y D2 = valores Proporcionan las temperaturas anteriores. Los valores de Z para las esporas bacterianas generalmente están entre 7 y 12 ° C y para las bacterias no esporuladas entre 4 y 6 ° C. 2.5. Termorresistencia de los microorganismos (Rodríguez, 2013) opina que “La termorresistencia microbiana depende de diversos factores intrínsecos y extrínsecos” Los primeros se refieren al tipo de microorganismo de que se trate y de la forma en que se encuentren. Por lo regular, aun cuando se presentan excepciones, la termorresistencia se relaciona con la temperatura de crecimiento óptima. (Rodríguez, 2013) Los microorganismos psicocrófilos y psicrotrofos son más termolábiles que los mesófilos y estos más que los termófilos. Las bacterias esporuladas presentan una mayor resistencia al calor que las no formadoras de esporas y dentro de estas las termófilas más que las mesófilas. Entre los parámetros extrínsecos podemos mencionar el pH, la composición del medio de calentamiento (contenido de grasa, carbohidratos, sales) y la actividad de agua. En el caso 24 de las esporas, adquiere relevancia la composición del medio de esporulación y la temperatura a que la bacteria esporula (Rodríguez, 2013) En la práctica adquiere gran importancia el pH del alimento. Debido a ello, se ha hecho una clasificación de los alimentos respecto a este agente y a la termorresistencia de distintos microorganismos. (Rodríguez, 2013) da por ejemplo, la termorresistencia típica de distintos microorganismos esporulados; la separación entre alimentos poco ácidos (pH > 4,5) y alimentos ácidos (pH entre 4,0 y 4,5) radica en la termorresistencia del Clostridiumbotulinum, ya que las esporas de esta especie no pueden germinar en alimentos con un pH inferior a 4,5 y por lo tanto no es necesario tener en cuenta el concepto 12D. De forma similar, la separación de los alimentos ácidos y muy ácidos (pH < 4,0) se debe a que ninguna espora bacteriana puede germinar a pH inferiores a 4,0 y por lo tanto, se puede disminuir considerablemente la intensidad del tratamiento térmico para conseguir la estabilidad microbiológica (Rodríguez & et al., 2002) 2.5.1. Valor F Es un parámetro que se usa en la industria conservera y puede definirse como el tiempo que se requiere, a una temperatura definida, para reducir la población microbiana presente en un alimento hasta un nivel deseado y cada microorganismo existente en el alimento tiene su propio valor F y el valor F se refiere a 121° C se designa como Fo; el valor F se calcula, suponiendo que el calentamiento y el enfriamiento son instantáneos, a partir de la expresión (Rodríguez & et al., 2002). 25 F = D (log N0 - log N1) Donde: F = tiempo (min) requerido para lograr el grado de reducción de la población microbiana hasta el nivel deseado. D = tiempo de reducción decimal a la temperatura de tratamiento. N0 = número inicial de microorganismos. N1 =número final de m.o. al que se pretende llegar. Cl. botulinumelabora una potente neutrotoxina cuando se multiplica en los alimentos. Como es una bacteria anaerobia y en las conservas el medio es anóxico. Cl.botulinum puede crecer y producir la toxina. Dada la necesidad de salvaguardar la salud del consumidor, siempre se supone, al esterilizar un alimento de pH > 4,5, que existe una espora de Cl. botulinum por envase y es necesario reducir su número a una espora viable por cada billón de envases (1012), es decir, que el tratamiento térmico ocasione 12 reducciones decimales; es lo que se conoce como concepto 12 D Se sabe que el valor F0 mínimo para las conservas de alimentos de pH > 4,5 es 2,52; se ha calculado a partir de la ecuación. Fo = D (log 1 - log 10-12) Teniendo en cuenta que el valor D121 de las esporas de las cepas más termorresistentes de Cl. botulinum es 0,21 min. Entonces: Fo = 0,21 (log 1 - log 10-12) = 2,52 min 26 Este es el tiempo mínimo que hay que aplicar para la fabricación de alimentos esterilizados de pH > 4,5. Cuando se esterilizan alimentos a otras temperaturas habría que calcular el F equivalente teniendo en cuenta el valor Z del Cl. Botulinum, al que se asume un valor de 10 oc. En alimentos con un pH inferior a 4,5 no es necesario aplicar el concepto 12D 27 3. CAPITULO III CASO DE ESTUDIO ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL PROCESO DE EXTRACCIÓN REAL DE ACEITE DE PALMA REAL 3.1. Análisis de producto (Bernal, 2013) El agronegocio africano de la palma ocupa el quinto lugar en producción en el contexto global y el primero en las Américas; el producto principal que se deriva de la palma elaeis guineensis Jacq; es la producción de aceite a partir de la pulpa de frutas y almendras y también se obtienen otros subproductos comestibles y no comestibles importantes. (Bernal, 2013) Las perspectivas para el mercado del aceite de palma y sus derivados son prometedoras, ya que el consumo de aceites y grasas vegetales, la producción de biocombustibles y la industria oleoquímica ha aumentado en Perú y el mundo en los últimos años. (Bernal, 2013) La creciente demanda evidente de aceite de palma africana es consecuencia de la creación y expansión de plantas productoras de biodiesel con diversas tecnologías que sirven como una alternativa para satisfacer la demanda actual de energía a nivel nacional y mundial, obteniendo un producto de buena calidad, producido a partir de un producto renovable. . fuente y respetando las normas de preservación del medio ambiente. Actualmente, los estudios realizados en la industria de la palma aceitera se centran principalmente en los equilibrios de masa y energía, que permiten la identificación de puntos de proceso donde hay pérdida de materia y / o uso inapropiado de energía, y de esta manera para mejorar el proceso de producción. Cuando el balance de energía se usa a través de la primera ley de la termodinámica, existe una limitación importante, ya que al analizar un 28 proceso real, es complejo cuantificar el grado de uso de la energía suministrada al proceso, ya que no tienen en cuenta Las irreversibilidades generadas en el equipo. (Bernal, 2013) Como consecuencia de esto, surge la necesidad de aplicar otro tipo de evaluación, en este caso el análisis de energía que, mediante el uso de la primera y segunda ley de la termodinámica, puede resolver las limitaciones mencionadas anteriormente. (Bernal, 2013) También se considera una herramienta para el estudio y diagnóstico de sistemas, útil en el diseño de soluciones alternativas que buscan reducir el uso innecesario de recursos y, por lo tanto, los posibles impactos generados por ellos, guiando así la búsqueda del desarrollo sostenible. . Es importante tener en cuenta que este análisis se puede utilizar en cualquier proceso de la industria, ya que siempre habrá irreversibilidades en el sistema. 3.2. Proceso de extracción de aceite de palma La breve descripción de las principales etapas que se llevan a cabo para el proceso de extracción de aceite de palma: (Bernal, 2013) Cosecha. Los racimos al completar su proceso de maduración deben cosecharse o cortarse y llevarse a la planta rápidamente, para evitar aumentar el contenido de ácidos grasos libres (AGL) del aceite dentro de las frutas, esto como un subproducto de una reacción química en la que la enzima llamada lipasa actúa como catalizador. 3.2.1. Esterilización Una vez que los grupos llegan a la planta de ganancias, se descargan en una tolva. Esto alimenta los vagones que luego se introducen en los autoclaves, donde se lleva a cabo un proceso de cocción a los grupos a través del vapor saturado en un ciclo de tres picos de presión, con el objetivo principal de inactivar la enzima responsable de la acidificación del aceite ( Larrañaga Coll, 1999). 29 Disfrute una vez que los racimos se esterilizan, pasan a los infructuosos donde se separan los frutos de la columna vertebral o la tusa; el desfrutador es un tambor en forma de jaula que gira sobre un eje central; los racimos para disfrutar pasan dentro del tambor y golpean repetidamente las barras longitudinales del mismo, acción que produce el desprendimiento de los frutos ( Larrañaga Coll, 1999). 3.2.2. Digestión Una vez que se han disfrutado los racimos, las frutas se vuelven a calentar y la pulpa se separa de las nueces mediante un proceso de maceración con la entrada de vapor, que juntas producen las paredes de las células que contienen el aceite en la fruta. romper, para que pueda ser fácilmente expulsado o extraído de las células rotas durante el proceso de extracción de prensado ( Larrañaga Coll, 1999). 3.2.3. Prensado Las frutas digeridas se presionan en una cesta cilíndrica perforada horizontal, donde, por la acción mecánica de dos tornillos sin fin con un paso hacia atrás y girando en la dirección opuesta, a través de los agujeros en la cesta, sale un licor o mezcla con un alto contenido de aceite o mejor conocido como licor de prensado y de la parte superior de los tornillos proviene la masa sólida también conocida como torta de prensado, compuesta básicamente de fibras, nueces y agua ( Larrañaga Coll, 1999). 3.2.4. Aclaración Después del prensado, se agrega agua al licor de prensado para lograr la dilución, facilita la separación y purificación del aceite en la etapa conocida como clarificación, este licor contiene aceite, agua, lodo ligero (compuesto de pectinas y gomas) y lodo pesado (compuesto de tierra, arena y otras impurezas). Para lograr esta separación, se utiliza la característica de inmiscibilidad entre agua y aceite ( Larrañaga Coll, 1999). 30 3.3. El proceso de clarificación se divide en dos partes: Clarificación estática: en esta etapa se logra separar hasta el 90% del aceite contenido en el licor. Esto se logra por la decantación, en condiciones de temperatura que faciliten el desplazamiento de las partículas por la diferencia de densidades. El aceite se recoge por rebose y es bombeado hacia un proceso de secado ( Larrañaga Coll, 1999). Clarificación Dinámica: en esta etapa se requiere para la separación un movimiento producido por una fuerza centrífuga, en el caso particular, haciendo uso para esto de una centrífuga deslodadora operando a altas velocidades y durante esta etapa se logra una recuperación de alrededor del 10% de aceite contenido en el lodo; el aceite y los lodos livianos, también conocido como recuperado de centrífuga, se recirculan hacia la clarificación estática junto con el licor de prensa; el agua y los lodos pesados (efluentes en esta etapa) salen por las boquillas o toberas y van hacia una etapa de tratamiento posterior ( Larrañaga Coll, 1999).  Secado: El aceite sale de la etapa anterior con un porcentaje de humedad e impurezas residuales que deben ser reducidas o eliminadas en lo posible; para lograr esto es sometido a una última etapa de secado en la cual se debe reducir la humedad del aceite (como mínimo entre 0,1 y 0.2%); para esto se utiliza un secador al vacío que opera entre 343,15 y 353,15 K, allí se evapora la humedad del aceite mediante un vacío de alrededor de 27,5 in Hg. El aceite de palma se bombea de esta etapa como producto final a su respectivo almacenamiento ( Larrañaga Coll, 1999).  Palmistería. En esta etapa se realiza la recuperación y acondicionamiento de la almendra o palmiste, contenido en la torta después del prensado, esta etapa se realiza en una planta de procesamiento de almendra ubicada posterior al proceso 31 de obtención del aceite de palma y no se tuvo en cuenta dentro del desarrollo del presente trabajo ( Larrañaga Coll, 1999). 3.4. Características energéticas del aceite de palma. Las propiedades de mayor cuidado e importancia en el estudio de una sustancia y su transformación son las energéticas, ya que en base a ellas es posible determinar la viabilidad de una reacción química y la cantidad total de calor que debe agregarse o eliminarse de la sustancia. sustancia. sustancia para alcanzar una cierta temperatura o estado de la materia. Por lo tanto, estas propiedades determinan el diseño del proceso, así como los costos asociados con él. En relación con los cambios de fase de la sustancia, algunas propiedades como la entalpía, los calores de fusión y la vaporización establecen la cantidad de calor necesaria para generar un cambio en el estado de la materia. El calor de fusión del aceite de palma es 84.8-93.4 J / g, de modo que, en relación con la composición química de la sustancia, es posible determinar que cuanto mayor sea la proporción saturada en el aceite, mayor será el calor requerido para la fusión it (Poling, 2004; American Palm Oil Council). Además, el calor de vaporización del aceite de palma es 26.27 J / g. Por su parte, la capacidad de calor mide la cantidad de energía necesaria para generar un cambio de temperatura por unidad de masa. De acuerdo con la determinación de Clark et al. (1946) en el rango de 25