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Orientación Universidad
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Modelado del Equilibrio Líquido-Vapor en la Producción de Bebidas Alcohólicas, Esquemas y mapas conceptuales de Termodinámica

Este documento analiza la importancia fundamental de comprender y controlar el equilibrio líquido-vapor en los procesos de producción de bebidas alcohólicas. Se detallan definiciones clave como presión de vapor, temperatura de ebullición y composición de fase, y se resalta cómo el modelado termodinámico de este equilibrio es una herramienta poderosa para entender, diseñar y optimizar las operaciones de destilación. Se explica cómo el control preciso de las condiciones termodinámicas en las columnas de destilación es esencial para garantizar la calidad del producto final. El documento también aborda innovaciones clave en técnicas de destilación y métodos de fermentación, así como consideraciones de eficiencia, sostenibilidad e innovación social en la industria de bebidas alcohólicas. En general, este documento proporciona una visión integral del papel fundamental que desempeña el equilibrio líquido-vapor en la producción de bebidas alcohólicas de alta calidad.

Tipo: Esquemas y mapas conceptuales

2023/2024

Subido el 28/05/2024

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UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN, TACNA
Facultad de Ingeniería
Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química
MONOGRAFÍA
APLICACIÓN (ELV) EN LA INDUSTRIA DE BEBIDAS ALCOHÓLICAS
Docente: Ing. Willian Edgar Torres Huayta
Asignatura: Termodinámica del Equilibrio
INTEGRANTES:
(Tacna) - PERÚ
2023
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¡Descarga Modelado del Equilibrio Líquido-Vapor en la Producción de Bebidas Alcohólicas y más Esquemas y mapas conceptuales en PDF de Termodinámica solo en Docsity!

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN, TACNA

Facultad de Ingeniería

Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química

MONOGRAFÍA

APLICACIÓN (ELV) EN LA INDUSTRIA DE BEBIDAS ALCOHÓLICAS

Docente: Ing. Willian Edgar Torres Huayta

Asignatura: Termodinámica del Equilibrio

INTEGRANTES:

(Tacna) - PERÚ 2023

INDICE

  • CAPÍTULO
    1. DESARROLLO
    • 1.1. Equilibrio Vapor-Líquido (EVL):
    • 1.2. Historia de la ELV en la producción de bebidas alcohólicas
    • 1 .3. Procesos de ELV en la Producción de Bebidas Alcohólicas:
    • 1.5. Efectos de la ELV en las Características Organolépticas de las Bebidas:
    • 1.6. Control de Calidad en la Industria de Bebidas:
    • 1.7. Sistemas de Calidad y Control:
    • 1.8. Riesgos en la Cadena de Suministro:
    • 1.9. Calidad del Agua en la Producción:
    • 1.10. Garantizando Calidad y Procesos en la Industria:.............................................................
    • 1.11. Importancia del EVL en la separación de componentes durante la destilación.
    • 1.12. Procedimiento elaboracion: vino base
    • 1.13. Procedimiento elaboración: pisco
  • CAPÍTULO
    1. ANÁLISIS
    1. CONCLUSIONES
    1. BIBLIOGRAFÍA

CAPÍTULO 1

APLICACIÓN (EVL) EN LA INDUSTRIA DE BEBIDAS ALCOHÓLICAS

1. DESARROLLO

1.1. Equilibrio Vapor-Líquido (EVL): 1.1.1. Definición y conceptos fundamentales del EVL. El Equilibrio Vapor-Líquido (EVL) es un concepto termodinámico fundamental que describe la condición en la cual un líquido y su vapor coexisten en equilibrio, manteniendo una presión y temperatura específicas. En el contexto de la destilación de bebidas alcohólicas, el EVL es esencial para comprender y controlar el proceso de separación de componentes volátiles. 1.1.2. Presión de Vapor (Pvap): Es la presión ejercida por los vapores en equilibrio con su líquido en un sistema cerrado a una temperatura dada. Cada componente en la mezcla tiene su propia presión de vapor característica. 1.1.3. Temperatura de Ebullición: La temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido iguala la presión atmosférica circundante, permitiendo que el líquido pase al estado gaseoso. La destilación implica controlar y ajustar esta temperatura para separar los componentes deseados. 1.1.4. Composición y Diagrama de Fases: Se refiere a la proporción relativa de cada componente en las fases líquida y vapor en equilibrio. La composición puede variar dependiendo de las propiedades de los componentes y las condiciones termodinámicas. Representación gráfica que muestra las regiones de líquido y vapor en función de la temperatura y la presión. Un diagrama de fases es crucial para entender las condiciones bajo las cuales ocurre el EVL.

Diagrama de fases de los Azeótropos 1.1.5. Ley de Raoult y la ley de Henry: Establece que la presión de vapor de una mezcla de líquidos es igual a la suma ponderada de las presiones de vapor de las componentes individuales multiplicadas por sus fracciones molares. Esta ley es válida cuando las interacciones entre moléculas son mínimas. Relaciona la concentración de un gas en la fase gaseosa con su concentración en la fase líquida a una temperatura constante. Es particularmente relevante en el caso de componentes gaseosos disueltos en líquidos. Diagrama Ley de Raoult: este gráfico, resulta muy útil para la estimación de presiones parciales de vapor cuando una sustancia se encuentra formando parte de una mezcla, también nos permite describir la composición de solventes volátiles de una mezcla, en su fase gaseosa como así también otras tantas aplicaciones.

1.3. Procesos de ELV en la Producción de Bebidas Alcohólicas: La fermentación alcohólica, clave en la producción de diversas bebidas alcohólicas, es catalizada por la enzima zimasa, producida por levaduras. La teoría de Meyerhof (1934) detalla que la fermentación inicia con la reacción entre ácidos gliceroaldehidofosóforico y dioxiacetonfosórico, generando ácido fosfoglicérico y ácido D-glicerofosfórico simultáneamente. Fig 1. reacción de bebidas alcohólicas Continuando el proceso, el ácido fosfoglicérico se transforma en ácido fosfopirúvico y luego en ácido pirúvico y ácido fosfórico. La carboxilasa descompone el ácido pirúvico en dióxido de carbono y acetaldehído, que mediante reducción se convierte en etanol. Fig 2. reacción de bebidas alcohólicas En paralelo, el ácido dioxiacetonfosórico se desdobla en glicerina y ácido fosfórico por oxidorreducción, generando una reacción secundaria.

Fig 3. Esquema de reacciones Durante la fermentación, diversas bacterias y hongos pueden intervenir, produciendo alteraciones perjudiciales o beneficiosas. La fermentación butírica, por ejemplo, genera ácido butírico a partir de ácido pirúvico y acetaldehído. Además de los compuestos mencionados, la fermentación alcohólica produce alcoholes superiores, ácidos (fórmico, acético, láctico, entre otros), aldehídos, ésteres, amidas, aminoácidos, sales orgánicas y minerales. Este proceso complejo, impulsado por diversas enzimas de microorganismos, contribuye a la formación de las características organolépticas únicas de las bebidas alcohólicas, incluyendo su sabor, aroma y textura. Los procesos específicos varían según el tipo de bebida, como vino, cerveza o licores, lo que contribuye a la diversidad de productos en la industria de bebidas alcohólicas. (joan dergham,29 abril

  1. cap 7) 1.5. Efectos de la ELV en las Características Organolépticas de las Bebidas: La calidad organoléptica de las bebidas alcohólicas, como la cerveza, puede ser afectada por microorganismos no deseados durante la fermentación. Levaduras, bacterias y hongos contaminantes pueden generar olores y sabores desagradables, así como provocar turbidez en la bebida. 1.5.1. Levaduras Contaminantes: ➢ Ciertas cepas de levaduras, como Saccharomyces cerevisiae y Saccharomyces uvarum, pueden causar defectos en la cerveza. ➢ La presencia de levaduras salvajes, como Saccharomyces pastorianus y S. validus, puede producir olores y sabores indeseados. ➢ La contaminación con levaduras ocurre a menudo debido a equipos y conducciones en mal estado de limpieza.

1.8. Riesgos en la Cadena de Suministro: 1.8.1. Minimización de Peligros: ➢ La exposición a peligros en la cadena de suministro es inevitable, pero puede minimizarse con técnicas de análisis apropiadas. ➢ Factores como malas prácticas, cambios no deseados y contaminación son riesgos comunes. 1.8.2. Problemas Físico/Químicos: ➢ Riesgos como oxidación de lípidos, pardeamiento enzimático y pérdida nutricional afectan la calidad de alimentos líquidos. 1.9. Calidad del Agua en la Producción: 1.9.1. Desafíos en el Uso del Agua: ➢ El agua, componente esencial, requiere tratamiento para garantizar calidad. ➢ Problemas de suministro y contaminación pueden afectar la seguridad y calidad del producto final. 1.9.2. Control de Fuentes y Desafíos Geográficos: ➢ Desafío de mantener calidad constante, especialmente al usar agua de diferentes fuentes geográficas. ➢ Plantas de tratamiento y monitoreo constante son esenciales. 1.10. Garantizando Calidad y Procesos en la Industria: 1.10.1. Sistema Integral de Control de Calidad: ➢ Especificaciones de ingredientes, listas de proveedores, estándares y programas de muestreo son componentes clave. ➢ Buenas Prácticas de Manufactura (BPM), limpieza, desinfección y análisis de laboratorio aseguran calidad. 1.10.2. Importancia de la Calidad en el Mercado Competitivo: ➢ La calidad es el diferenciador clave en un mercado competitivo. ➢ Un enfoque integral en estándares y expectativas del cliente es esencial. 1.10.3. Manual de Control de Calidad: ➢ Toda empresa debe contar con un manual que guíe enfoques y objetivos. ➢ Es crucial ofrecer productos que cumplan o superen las expectativas y regulaciones. (oscar acosta, 7 de diciembre 2020)

1.11. Importancia del EVL en la separación de componentes durante la destilación. La destilación es un proceso versátil y ampliamente utilizado para separar mezclas líquidas en sus componentes basados en la diferencia de sus puntos de ebullición y volatilidad. Existen múltiples configuraciones como destilación simple, destilación al vacío, fraccionada, por arrastre con vapor o continua. Consiste conceptualmente en evaporar selectivamente ciertos componentes, condensarlos y recolectarlos de forma separada en función de su diferente volatilidad relativa. Tiene innumerables aplicaciones en la industria química, farmacéutica, de bebidas alcohólicas, entre muchas otras, permitiendo fraccionar y purificar productos valiosos de mezclas complejas de forma económica y eficiente. Modernas columnas de destilación y métodos de optimización del proceso aseguran una gran precisión y rendimiento. (Treybal, 2001). 1.11.1. Consideraciones de uso La selección adecuada del tipo de destilación depende principalmente de la naturaleza de la mezcla por separar y los resultados buscados. Si los puntos de ebullición son muy próximos, se prefieren columnas de fraccionamiento con múltiples platos que maximicen el contacto líquido- vapor. La formación de mezclas azeotrópicas requiere modificar la volatilidad relativa agregando agentes arrastradores. Las altas temperaturas pueden manejarse con destilación al vacío para prevenir descomposición. Los procesos continuos con reflujo permiten extraer selectivamente fracciones de distinta volatilidad. En esencia, cada caso debe evaluarse en particular según metas y limitaciones técnicas para elegir el sistema más óptimo. La versatilidad de la destilación facilita ajustar configuraciones específicas capaces de purificar virtualmente cualquier mezcla. (Treybal, 2001). 1.11.2. Innovaciones y Avances en ELV en la Industria de Bebidas Alcohólicas: 1.11.3. Producción de Bebidas Alcohólicas Destiladas: ➢ Innovaciones clave en técnicas de destilación y métodos de fermentación. ➢ Enfoque en la creación de perfiles de sabor únicos y características distintivas. 1.11.4. Eficiencia y Sostenibilidad: ➢ Innovaciones para mejorar la eficiencia y sostenibilidad en procesos de producción. ➢ Reducción del consumo de energía y minimización del impacto ambiental. 1.11.5. Innovación Social: ➢ Introducción de nuevos procesos, ingredientes y técnicas en producción. ➢ Mejora continua en calidad, sabor y experiencia del consumidor.

Luego se estruja para obtener el mosto.

c) Encubado

Este paso consiste en depositar el mosto en los depósitos para que fermente y se

convierta en vino, tomando muestras para analizar el grado de dulzor y acidez

para que se dé un buen procesamiento.

d) Escurrido/Prensado

Aquí se retira la cáscara u hollejo, liberando el mosto de la parte sólida y a la

vez se prensa para que el mosto que no ha sido escurrido se extraiga mediante

la prensa, el mosto obtenido se denomina mosto prensa.

e) Fermentación Alcohólica

Proceso anaeróbico que se realiza con microorganismos como levaduras y

algunas clases de bacterias con el fin de transformar el azúcar del mosto a

alcohol etílico. Obteniéndose así luego de 14 días, 2 subproductos, uno

denominado vino base y el otro, desborre ( levaduras muertas, restos de hollejos,

pepitas y otros sólidos en suspensión) el cual es descartado.

Nota. Químicamente la fermentación alcohólica comienza después de que la

glucosa entra en la celda. La glucosa se degrada en un ácido pirúvico. Este ácido

pirúvico se convierte luego en CO2 y etanol.

f) Vino base

Ya con el vino base se procede a colocarlo en un equipo denominado alambique,

el cual se encarga de destilar cualquier sustancia líquida (en este caso vino base)

a través de un proceso de evaporación por calentamiento y posterior

condensación por enfriamiento.

Como se sabe el propósito de la destilación se basa en concentrar una sustancia

líquida potenciando sus aromas, aumentando el grado alcohólico de la misma.

Es por esto que la destilación por medio del alambique ayuda a acumular un

grado alcohólico desde 12° hasta 50°.

Nota. Este proceso dura 12 h por cada 500 L de vino base, claramente

CAPÍTULO 2

2. ANÁLISIS

El modelado termodinámico del equilibrio líquido-vapor resulta muy útil en la industria de bebidas alcohólicas para entender, diseñar y optimizar los procesos de destilación involucrados. Algunas aplicaciones Predicción de volatilidades y temperaturas de ebullición, Simulación de columnas de destilación, Optimización de procesos, Diseño de nuevos productos. En este caso se hará un análisis de la destilación del vino para la obtención de pisco que tiene una un grado de alcohol(etanol) de 42% ELV Agua – Etanol Para este cálculo se necesita conocer algunos datos para poder predecir nuestro objetivo: Constantes de Antoine para los componentes agua – etanol A B C Agua 5,11564 1687,537 230, Etanol 5,33675 1648,22 230, Condiciones:

  • P, bar =1, Las composiciones(xi):
  • Agua = 0,
  • Etanol = 0,
  • T, K =?
  • yi =? Modelo Formulación   Coef. Actividad (NRTL) Realizaremos el cálculo del punto de burbuja a P ctte. i =1 para el agua así también para el etanol Calculamos de presiones de vapor de saturación mediante Antoine para componente usando la ec. De Antoine ( ) 1 A B sat T C C

P e

−^ ^  ^ ^ + 

= log sat

B

T C

A P

5,11564 1687, 364,06 230,

sat agua sat agua

T sat K

P e

P

−^ ^  ^ + 

5,33675 1648, 364,06 230,

sat etanol sat e n s ta ol

T at K

P e

P

−^ ^   + 

Estimación inicial de temperatura de burbuja (364.06 K) 1

N sat 364, 06

i i i sat i (^) i i

T K

x P

P

=

Cálculo de coeficientes de actividad con NRTL Para ello se necesita los parámetros de interacción binaria BIP/NRTL/K Agua Etanol etanol 0 - 109, 3MeC5 1,33E+06 0 BIP/NRTL/α Agua Etanol etanol 0 0, 3MeC5 0,303 0 Agua Etanol

Cálculo de presión de vapor de la mezcla (P1sat) con Ley de Raoult y gi (^1 )

sat i (^) N sat i i i sat i (^) i

P

P

x P

P

Ajuste de temperatura de burbuja (T) hasta que P1sat ≈ P aplicando una condición

SI(control = 0; 364, 06 3; 70,88)

log

sat

B

T C

A P

Calcular P saturación de vapor a la T final ( ) 1 Agua Etanol

A B sat T C C sat sat

P e

P

P

−^ ^  ^ ^ + 

Interpretación de la gráfica:

  • Relación inversa entre x1 y y1: Se observa que a medida que aumenta la fracción molar de agua (x1) en la fase líquida, la fracción de etanol (y1) en la fase vapor disminuye. Esto se explica por la mayor volatilidad relativa del etanol comparado con el agua.
  • Aumento de temperatura de equilibrio al incrementar x1: La temperatura de equilibrio (T) va subiendo a medida que se incrementa la concentración de agua en la fase líquida, pasando de 363.54 K para agua pura hasta 373.23 K para etanol puro. Esto indica que se requiere más temperatura para vaporizar el agua.
  • Temperatura de equilibrio para vino con 42% etanol: Para x1=0.58 (concentración de agua en el vino), la temperatura de equilibrio es 370.88 K. Esta es la temperatura necesaria para la destilación.
  • Composición de vapor en equilibrio: Para x1=0.58, la fracción molar de etanol en la fase vapor es y1=0.5065, cercana al 50%. Esto confirma que existe una concentración razonable de etanol en la fase vapor.
  • Validez del modelo EVL: La correspondencia entre las tendencias de x1, y1 y T con las reglas termodinámicas indican que el modelo EVL describe adecuadamente el sistema agua-etanol y su equilibrio líquido-vapor en un amplio rango de concentraciones. 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1, Temperatura (K) Composicion (xi, yi)

3. CONCLUSIONES

conclusiones se resalta que el modelado de EVL resulta una poderosa herramienta para entender, diseñar y mejorar operaciones de destilado de bebidas. Permite predecir variables clave como composiciones de fase, temperaturas de ebullición, etc. El control preciso de condiciones termodinámicas en las columnas de destilación es esencial para garantizar la calidad del producto final. En general se concluye que los fundamentos de EVL son cruciales en esta industria.

4. BIBLIOGRAFÍA de Cote Orozco, L. J. M. (s/f). Las bebidas alcohólicas Las bebidas alcohólicas Las bebidas alcohólicas Las bebidas alcohólicas Las bebidas alcohólicas en la historia de la humanidaden la historia de la humanidaden la historia de la humanidaden la historia de la humanidaden la historia de la humanidad. Medigraphic.com. Recuperado el 11 de diciembre de 2023, de https://www.medigraphic.com/pdfs/aapaunam/pa- 2010/pae101i.pdf (S/f). Upc.edu. Recuperado el 11 de diciembre de 2023, de https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/4867/03_Memoria.pdf?sequence = Acosta, O. (2020, diciembre 7). ¿Cómo asegurar el control de calidad de bebidas en la industria alimentaria? THE FOOD TECH - Medio de noticias líder en la Industria de Alimentos y Bebidas; THE FOOD TECH. https://thefoodtech.com/columnistas/como- asegurar-el-control-de-calidad-de-bebidas-en-la-industria-alimentaria/ Innovaciones en la Producción de Bebidas Alcohólicas Destiladas. (2023, julio 25). Mezcal y Agaves; Mezcal.org. https://mezcal.org/innovaciones-en-la-produccion-de-bebidas- alcoholicas-destiladas/ Treybal Robert (2001). Operaciones de transferencia de masa. Editorial: Mc Graw Hill. México. ISBN 968 6046 34 8 Procesos de separación, columnas de destilación utilizando simuladores en laboratorios de ingeniería química industrial, en el Instituto Politécnico Nacional M. en A. Jahel Valdés Sauceda M. en C. Ana María Atencio de la Rosa Ing. Sergio Valadez Rodríguez Instituto Politécnico Nacional