Innovaciones en el proceso de filtración de prensa por placa y marco enfocado a la producción de zumos de frutas y otras tecnologías afines

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Innovaciones en el proceso de filtración de prensa por placa y marco enfocado a la producción de zumos de frutas y otras tecnologías afines.

Para la asignatura de Operaciones Unitarias I (seminario)

Profesor: Erick Abraham Jara Quijada

Ingeniería en alimentos, Universidad del Bío Bío, Chillán.

Facultad de Ciencias de la Salud y los Alimentos.

Integrantes: Jose Luis Fuentes Vera.

David Bernardo Sanchez Cabezas

Patricio Sebastian Herrera Klarian

1. Introducción.        2

2. Descripción del fenómeno y ecuaciones que modelan el comportamiento.        4

3 Aplicaciones en alimentos y/o procesos        11

1.1 Utilización de equipo de placa y marco en el proceso de clarificación de jugos        12

1.2 Optimización del filtro de prensa para extracción de jugo morena negra        12

1.3 Aplicación de filtración por membrana a la esterilización en frío de bebidas        13

1.4 Estudio comparativo entre prensa de filtro espiral y filtro de prensa o banda implementada en un proceso de producción de zumo de manzana turbio        13

1.5 Obtención de concentrado proteico de leche de vaca utilizando tecnología de membrana        14

1.6 Taninos en zumos de frutas y su eliminación por filtración        14

4 Conclusión        15

5 Bibliografía        17

1. Introducción.

1.1 La filtración como proceso natural.

        En el mundo que habitamos, ocurren una cantidad inmensa de fenómenos físicos, biológicos y químicos, uno de ellos es la filtración natural del agua superficial a través del suelo, en donde el agua se ve despojada de sus impurezas que pueden ser de naturaleza sólida o coloidal debido a interacciones con las partículas presentes en el suelo. A medida que el agua se infiltra a través del suelo, esta se deposita en bancos enormes subterráneos denominadas “napas subterráneas” En donde el agua presenta un número muy reducido de partículas de alto tamaño y también existe una baja carga microbiana con respecto al agua de la superficie. Entonces podemos decir que el agua se ha filtrado.

        En términos generales, la filtración es un proceso más bien físico, en donde un fluido se hace pasar a través de un medio filtrante (Carter, 2017) (en el caso del agua subterránea, el medio filtrante es el suelo) el cual está formado por material granulado o poroso, el medio filtrante poroso  es capaz de retener partículas en suspensión y en suspensión coloidal. (Rathoure et al. 2019) de esta manera, únicamente el fluido atraviesa el medio filtrante y se ve despojado de sus componentes de mayor tamaño, no obstante, al momento de poseer un sistema coloidal, y un filtro cuyos poros sean más grandes que el coloide presenta un problema, pues las partículas de éste sistema tienen una carga eléctrica negativa,  tal carga causa repulsión entre ellas mismas lo cual impide su aglomeración y precipitación, por otra parte, el tamaño de las partículas es mayor al de la fase dispersante mas no llega a ser tan grande como para decantar y ser retenidas por el medio filtrante. Podemos inferir de manera correcta que, de alguna forma, aumenta el tamaño de éstas partículas en suspensión a medida que el agua se infiltra en el suelo por acción de las sales minerales que conforman el suelo terrestre. (Álvaro, 2019)

En esta vía, la filtración se puede ver optimizada por acondicionamientos de prefiltración, como lo son la floculación, la sedimentación y la coagulación, que son procesos cuyo objetivo es lograr neutralizar las cargas eléctricas que rodean a los coloides mediante la adición de una oxisal como Al2SO4 ,  FeSO4 para lograr coagular las partículas en suspensión, de manera consiguiente, se puede utilizar un floculante para aglutinar los coágulos  y así aumentar la masa de las partículas y poder ser retenidas mediante la sedimentación, y de esta manera, permitir que el tamaño de partícula sea mayor con respecto al medio filtrante empleado cual sea el caso.

1.2 Jugos de fruta

        Lo visto anteriormente es harina de otro costal y de conocimiento general, en la presente revisión se dará especial énfasis a la producción de jugos de fruta clarificados mediante el uso de filtros de presa de placa y marco. Según el R.S.A actualizado al 26 de Enero del 2023 T.P.A.: “Jugo o zumo puro de fruta u hortaliza es el producto sin fermentar, pero fermentable, pulposo, turbio o claro, destinado al consumo directo, obtenido por procedimientos mecánicos a partir de frutas u hortalizas maduras en buen estado o de sus carnes y conservados exclusivamente por medios físicos. El jugo podrá haber sido concentrado y luego reconstituido con agua para conservar la composición esencial y los factores de calidad del mismo”.

La elaboración de zumos de fruta es una actividad milenaria, pues se remonta a la extracción de los jugos de la vid para la producción de vinos y otros licores, sin ir más lejos, estos métodos han evolucionado hasta consolidarse en la industria alimentaria (Arthey et al. 1996) Dentro de la que existen diversidad de procesos pero con una misma finalidad: remover de manera selectiva una cantidad de agua del jugo de origen, mediante la suministración de energía al sistema, lo cuál permite obtener dos fases: una constituída por el solvente que puede ser sólida, líquida o gaseosa, y la otra, el producto concentrado -siempre en estado líquido- (Pinto et al., 1999), con un gusto y apariencia lo más similar posible al jugo original (Alves & Coelhoso, 2006).

        1.3 Filtros de prensa por placa y marco

        Los filtros de prensa por placa y marco son filtros cuyo mecanismo se basa en la filtración superficial (Carter, 2017) Estos comúnmente utilizados en la industria para la separación sólido-líquido de un fluido determinado (Yunusova et al., 2021), pues no solo permite obtener un producto libre de impurezas, también retiene en parte de su estructura funcional la “torta” del filtrado, que no es más que los restos retenidos del lodo, los cuales permiten a las organizaciones poseer una economía circular en donde los deshechos industriales se venden para un uso funcional en otra área. Para nuestro caso, estos filtros se utilizan ampliamente para la producción de jugos de fruta, pues su funcionamiento permite obtener un producto con un número reducido de impurezas, el funcionamiento de este artefacto industrial se verá más adelante.

        1.4 Avances en el campo de la filtración

 El avance en el desarrollo de materiales filtrantes con propiedades de interés para la industria de alimentos está relacionado con la creación de nuevas fibras o el cambio de los materiales que se han investigado con anterioridad, también con la búsqueda de aplicaciones de los mismos para diferentes problemas que se encuentran en la industria de los alimentos (Yunusova, 2021), Para los jugos, que por sus  características y composición, sus impurezas tienen más dificultad para ser removidas del jugo por lo que se torna mucho más difícil la correcta filtración para dar como resultado  un líquido más clarificado, además, la presencia de estas impurezas favorece la contaminación con microorganismos, así como también la inversión de la azúcar presente en el jugo, pigmentos presentes en el líquido que compone el extracto lo que, en efecto, afecta de forma negativa la calidad del producto final, respecto a los diferentes jugos en los que se aplica  la filtración. De esta manera, se ha generado un constante problema en este ámbito, en realidad, a pesar de la antigüedad de la filtración por placa y marco, actualmente compite fuertemente con otros filtros debido a lo mismo; al protagonismo conferido por el desarrollo tecnológico de los medios filtrantes.

Cuando el extracto es recolectado de verduras y frutas este presenta diferentes macronutrientes y micronutrientes como carbohidratos, vitaminas y minerales de interés para la nutrición de las personas. La industria alimentaria aplica variadas técnicas y métodos en sus líneas de producción con la finalidad de conservar de mejor modo la conservación de los nutrientes y aumentar la estabilidad del jugo (Cheng Lu, 2021). La forma tradicional de procesar los jugos trae consecuencias negativas como en el caso de la utilización de tratamientos térmicos para aumentar su vida vida comercial útil lo que conlleva una pérdida de su calidad nutritiva, organoléptica además de disminuir el ácido ascórbico y los polifenoles(Porcar, 2016).

1.5. Problemáticas a abordar

Lo mencionado anteriormente está muy relacionado a la aceptación de un producto por parte de los consumidores, hoy en día, el cliente espera un zumo de frutas clarificado, sin impurezas extrañas y libre de cualquier peligro biológico. A su vez, se buscará una solución en términos del rendimiento de los filtros de placa y marco.

El rendimiento de estos procesos de filtrado son altamente importantes, pues, nos permite separar el líquido del sólido sin perder producto debido a la caída de presión a medida que la torta se impregna en las porosidades del medio filtrante, por lo cuál el presente estudio también revisará los aspectos que puedan aumentar el rendimiento, los modelos matemáticos y los parámetros a evaluar para aumentar el rendimiento de un proceso de filtrado se verán más adelante.

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