Diseño de una herramienta predictiva en lenguaje visual basic net en procesos de transferencia de masa aplicada a alimentos



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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción

“Diseño de una herramienta predictiva en lenguaje visual basic .net en procesos de transferencia de masa aplicada a alimentos”



TESIS DE GRADO
Previo a la obtención del Título de:

INGENIERA DE ALIMENTOS

Presentada por:


Ingrid Paola Avegno Reyes
GUAYAQUIL – ECUADOR
AÑO: 2007

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios por guiar mi camino con su luz, a mi mami por su amor y por su rigor, a mi papi por su apoyo incondicional, a mi hermano por su ayuda, a mi enamorado Alfredo por su apoyo en todo este tiempo, a mi mami Mary y querida prima Denisse por sus oraciones, en especial a la Msc. Priscila Castillo, Ing Sandra Acosta e Ing Luis Miranda por su guía y ayuda en este proyecto y a mis amigas Andrea, Karina y Estefania por estar ahí siempre.


DEDICATORIA

A mis Padres y Hermano por su dedicación y por todo su amor. A mi enamorado Alfredo Barros por su amor y comprensión.



TRIBUNAL DE GRADUACIÓN

_________________ ________________

Ing. Eduardo Rivadeneira P. Ing. Priscila Castillo S.

DECANO DE LA FIMCP DIRECTOR DE TESIS

PRESIDENTE

___________________ ____________________

Ing. Sandra Acosta D. Ing. Luis Miranda S.

VOCAL VOCAL




DECLARACIÓN EXPRESA
“ La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado, me corresponden exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL”
(Reglamento de Graduación de la ESPOL)

______________________

Ingrid Paola Avegno Reyes

RESUMEN
En el área de Ingeniería en alimentos el estudio de la transferencia de masa juega un papel muy importante en diferentes procesos aplicados a la industria de alimentos, tales como lo son: secado, deshidratación osmótica, permeabilidad de empaques alimenticios, entre otros.

En la mayoría de los casos el transporte o movimiento de agua, es primordial para lo principios de conservación, que consisten en la reducción del contenido de agua del producto, sirviendo de indicador de estabilidad y de calidad para que el producto se conserve. En el caso de la deshidratación osmótica, el transporte o movimiento de solutos hacia el alimento, ayuda a la conservación del mismo, debido que estos solutos contribuyen a ”ligar “ el agua, reduciendo la disponibilidad de agua presente. Así también, el movimiento de vapor de agua u oxigeno, del exterior hacia un alimento empacado esta dado por la permeabilidad o resistencia al paso del gas en los materiales de empaque.


El objetivo de esta tesis propone diseñar una herramienta predictiva que pueda ser aplicada a procesos de nuestro interés, para facilitar el estudio de la transferencia de masa en sistemas alimenticios.
El trabajo comenzará con la búsqueda de modelos matemáticos de Transferencia de masa aplicados a Secado, Deshidratación Osmótica y Permeabilidades en Materiales de empaques para de esta manera seleccionar el modelo a utilizar en la herramienta. A continuación se realizara un banco de datos experimentales relacionados con los procesos en estudio. Por último se diseñará una herramienta en lenguaje Visual Basic.NET para que por medio de la data experimental evaluar y conocer la eficiencia de la misma.
Se espera obtener de este trabajo una herramienta que permita calcular con mayor facilidad tiempos de secado y de deshidratación osmótica a una concentración deseada y así mismo la determinación de la velocidad de transmisión de gases a través del material de empaque.

INDICE GENERAL
Pág.

RESUMEN ………………………………………………………………………..

I







INDICE GENERAL ………………………………………………………………

III







ABREVIATURAS ………………………………………………………………..

VI







SIMBOLOGÍA …………………………………………………………………….

VIII







INDICE DE FIGURAS …………………………………………………………...

IX







INDICE DE TABLAS …………………………………………………………….

X







INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………...

1



















CAPITULO 1










1. GENERALIDADES DE LA TRANSFERENCIA DE MASA










1.1 Ley de Fick ……………………………………………………………..

8







1.2 Segunda Ley deFick …………………………………………………..

11







1.3 Transferencia de masa en sistemas alimenticios ………………….

12







1.3.1 Usos y Aplicaciones …………………………………………..

13







1.4 Justificación ……………………………………………………………

23




CAPITULO 2










2. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRAFICA










2.1 Modelos Matemáticos aplicados a sistemas alimenticios ………..

27







2.1.1 Secado …………………………………………………………

27







2.1.2 Deshidratación Osmótica …………………………………...

47







2.1.3 Permeabilidad en materiales de empaques ………………

65







2.2 Elaboración de banco de datos experimentales ………………….

80













CAPITULO 3










3. DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA










3.1 Selección del programa ……………………………………………..

84







3.2 Elaboración del manual del usuario ………………………………..

85







3.3 Consideraciones y limitaciones del programa …………………….

105













CAPITULO 4










4. VALIDACION










4.1 Selección de Información Requerida ……………………………….

108







4.2 Pruebas y Ajustes del Programa …………………………………..

111







4.2.1 Secado ………………………………………………………….

112







4.2.2 Deshidratación Osmótica …………………………………….

114




4.2.3 Permeabilidad en materiales de empaque ……………..

115






4.3 Comparación de los Resultados con los valores experimentales …

117













CAPITULO 5










5.1 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ……………………………..

121













ANEXOS










BIBLIOGRAFÍA






ABREVIATURAS

Densidad

V

Volumen

X

Contenido de Agua

t

Tiempo

ky

Coeficiente de Transferencia de masa

A

Área

Y

Contenido de agua en el aire

Y*

Contenido de agua en el aire en equilibrio

h

Coeficiente de transferencia de calor

yw

Fracción mol del vapor de agua en la superficie

y

Fracción mol del vapor de agua en el gas

MA

Peso molecular del agua

MB

Peso molecular del aire

Hw

Humedad de la superficie

H

Humedad del gas

RC

Velocidad de secado

T

Temperatura del aire

TW

Temperatura del alimento

X1

Contenido inicial de humedad

X2

Contenido crítico de humedad

P

Presión Total

R

Constante de gas

Px

Presión parcial

p

Presión parcial del agua en el aire

pw

Presión parcial del agua en el alimento

c

Contenido de humedad

ce

Contenido de humedad de equilibrio

c0

Contenido de humedad inicial

Def

Difusividad efectiva

L

Espesor de la placa

K

Coeficiente de velocidad de secado

PA

Perdida de agua

GS

Ganancia de solutos

M0

Masa inicial de fruta antes de ser sometida al tratamiento osmótico

M

Masa de fruta luego del tratamiento osmótico

m0

Masa seca inicial de la muestra de fruta

m

Masa seca de la fruta luego del tratamiento osmótico

dc

Dimensión de la muestra

D

Coeficiente de Difusividad

k

Conductividad Térmica

k

Conductividad Térmica

k

Conductividad Térmica

k

Conductividad Térmica

LDPE

Polietileno de baja densidad

HDPE

Polietileno de alta densidad

PP

Polipropileno

PCTFE

Policlorutriflúoretileno

PET

Politereftalato de Etileno

PVC

Poli cloruro de vinilo

PA 11

Polímero del ácido amino-11-undecanoico

PS

Poliestireno

PVDC

Poli cloruro de vinilideno


SIMBOLOGÍA
Calor latente

Número de Biot de transferencia de masa

Número de Fourier de transferencia de masa

Constante de la velocidad de difusión

Coeficiente lag

Difusividad térmica

Flujo de masa del componente B

Concentración del componente B,

ÍNDICE DE FIGURAS

Pág


Figura 1.1

Diagrama esquemático del proceso de difusión molecular ….

6

Figura 2.2

Curva de Velocidad de Secado Vs Humedad…………………

30

Figura 3,1

Selección del Programa………………………………………….

86

Figura 3,2

Cálculo del Tiempo de secado…………………………………..

87

Figura 3,3

Gráfica Humedad libre Vs Tiempo ……………………………..

89

Figura 3,4

Reporte de Tiempo Total de Secado …………………………..

91

Figura 3,5

Selección del alimento……………………………………………

92

Figura 3,6

Cálculo de Tiempo de Deshidratación osmótica ……………...

93

Figura 3,7

Selección de Forma de la muestra……………………………..

94

Figura 3,8

Ayuda para Coeficiente de Difusión…………………………….

95

Figura 3,9

Reporte de Deshidratación Osmótica …………………………

96

Figura 3,10

Cálculo de Tiempo de Deshidratación osmótica………………

97

Figura 3,11

Ayuda para Coeficiente de Difusión ……………………………

98

Figura 3,12

Tiempo de deshidratación osmótica ……………………………

99

Figura 3,13

Reporte de Deshidratación Osmótica …….

100

Figura 3,14

Cálculo de Velocidad de Transferencia de un gas …………...

101

Figura 3,15

Ingreso de Permeabilidades y espesores ……………………..

102

Figura 3,16

Ayuda para Valores de Permeabilidades ……………………...

103

Figura 3,17

Velocidad de Transferencia del Gas a través del empaque …

104

Figura 3,18

Reporte de Velocidad de Transferencia del Gas……………...

105


ÍNDICE DE TABLAS

Pág


Tabla 1 Coeficiente de Difusión Efectivo en Diferentes iones en

en tejidos de cerdo …………………………………………………….. 17

Tabla 2 Permeabilidad al Vapor de Agua para Películas Plásticas …………63

Tabla 3 Permeabilidad a Gases en Películas Plásticas …………………… 65

Tabla 4 Procesos, Datos Experimentales y Validación …………………......111

Tabla 5 Datos de características de la muestra …………………………… 113

Tabla 6 Datos utilizados en el Secado……………………………………… 114

Tabla 7 Datos para Cálculo del Tiempo de Deshidratación Osmótica........ 115

Tabla 8 Datos para Cálculo de Velocidad de Transferencia de Vapor de

Agua a través de empaques ………………………………………....116

Tabla 9 Comparación de Resultados ………………………………………….118

Tabla 10 Porcentaje de error en calculo de tiempo de secado……………….119

Tabla 11 Porcentaje de error en calculo de Tiempo de deshidratación

osmótica …………………………………………………………...……119

Tabla 12 Porcentaje de error en cálculo de velocidad de transferencia de

Un gas a través del empaque ………………………………………...120

Tabla 13 Porcentaje de error promedio y Eficiencia del Simulador de

Transferencia de masa ……………………………………………......120



INTRODUCCION

La transferencia de masa en los sistemas alimenticios se produce por dos fases que contienen diferentes concentraciones locales. Por ejemplo cuando se conserva carne con sal comúnmente llamado salado, la sal se transporta desde la superficie hacia la carne por medio del proceso de transferencia de materia hasta alcanzar el equilibrio y conseguir una concentración uniforme. La materia se mueve de un lado a otro bajo la influencia de una diferencia o gradiente de concentración existente en el sistema.


Sin embargo, este proceso de trasferencia de masa es difícil de modelarlo matemáticamente en los alimentos ya que las ecuaciones que describen este proceso se basan en sistemas homogéneos, lo que es una limitante en el momento de aplicar dichas ecuaciones en los alimentos, ya que estos poseen diferentes formas, tamaños y estructuras.
Por lo tanto para obtener resultados efectivos se parte de ecuaciones semi-empíricas en las que se puede asumir que el proceso de transferencia de masa en alimentos se presenta como un sistema homogéneo.
Una de las maneras en que se puede asumir un sistema homogéneo es relacionando a los alimentos con formas geométricas características sean estas formas esféricas, cilíndricas, placas infinitas, etc las que permitirán facilitar el calculo de transporte de materia.
Este trabajo tiene el objetivo de presentar una herramienta predictiva en lenguaje Visual Basic.NET que proporcione una guía para poder calcular tiempos de secado y deshidratación osmótica de alimentos y velocidad de transferencia de gases a través del empaque.

CAPÍTULO 1


  1. GENERALIDADES DE LA TRANSFERENCIA DE MASA

La transferencia de masa se refiere al transporte de materia el cual se produce en presencia de un cierto movimiento en el seno del fluido que depende tanto de las propiedades de la transferencia como de las características del fluido. (13,35)
Esta presenta una característica particular que es la de transferir una sustancia a través de otra a escala molecular, es decir dos fases que están en contacto con diferente composición, una de ellas la cual se difunde, migra de una región de alta concentración a una región de baja concentración.


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