tesis: diseño de una planta piloto para la obtencion de extracto de té verde (camellia sinensis)

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE

EEEEXTRACTO DE TÉ VERDE (Camellia sinensis).

Proyecto de Grado, Presentado Para Optar al Diploma Académico de

Licenciatura en Ingeniería Química.

Presentado por: MIRIAM FLORES PACO

PAMELA SANTOS QUISPE

Tutora: Ing. Jenny Espinoza Alcócer

COCHABAMBA – BOLIVIA

Diciembre, 2013

DEDICATORIA

A nuestras familias por brindarnos

su apoyo incondicional durante

toda la formación académica.

AGRADECIMIENTOS

A Dios por darnos la luz y guía espiritual para nuestro crecimiento

tanto intelectual como moral.

A nuestros padres por el amor que nos brindaron sus desvelos, sus

sacrificios, su amistad y compañerismo.

A nuestros amigos por brindarnos su amistad.

Al Centro de Tecnología Agroindustrial y a todo el personal en

general por darnos el apoyo necesario y por brindarnos sus

instalaciones para realizar la parte experimental del trabajo.

A nuestros tutora de la universidad: Ing. Jenny Espinoza

Céspedes por darnos el apoyo y la orientación necesaria para

culminar este trabajo.

Al señor Hernán Jordán propietario de la empresa

AGROINDUSTRIAL PATUJÚ por abrirnos las puertas de su

empresa para el desarrollo del estudio.

A los docentes por sus consejos y enseñanzas, haciendo de

nosotros personas de bien.

A la Universidad por abrirme las puertas y cobijarme hasta la

culminación mis estudios.

¡Muchas Gracias!

FICHA RESUMEN

El constante interés de la sociedad por consumir productos naturales, y sobre todo que preserven y cuiden la salud, hacen que el té verde sea un producto que se integre y cumpla las necesidades requeridas por la sociedad. Además hay que remarcar que cada vez las personas están interesadas en productos y servicios que sean rápidos y efectivos.

Bajo Este Contexto La Empresa PATUJÚ En Cooperación Del Clúster de Alimentos de la UMSS plantean la realización de un estudio sobre la obtención de extracto de té verde, que se producirá en el trópico Cochabambino. El diseño se llevo a cabo en base al estudio realizado en el laboratorio donde se obtienen los mejores parámetros para la extracción.

Se diseñó una planta a nivel piloto para la obtención de extracto de té verde (camellia sinensis).El diseño se llevó a cabo en base al estudio realizado en el laboratorio donde se obtuvieron los mejores parámetros para la extracción.

El estudio se inició con una caracterización de la materia prima. Los mejores resultados para la extracción se obtuvieron a una relación materia prima solvente de 1:10, una agitación de 400 rpm y una temperatura de 60°C; tiempo de extracción 1 horas. Se obtuvo el mayor rendimiento de antioxidantes en una sola etapa, con un rendimiento de 15.8 %.

Los datos obtenidos para determinar la cinética de extracción se ajustan a una cinética del tipo isoterma de Lagmuir. El producto se caracterizó determinando la densidad, viscosidad y antioxidantes.

Con los resultados de laboratorio elegidos para el diseño de los equipos se realizó el diseño de la unidad de extracción, tomando un rendimiento de 15.8 % .Se procesarán 3.7TM/ año de extracto seco de té verde; 19.7 Kg. /día. La planta consta de un tanque extractor con agitación y con chaqueta de calentamiento, centrifugador, evaporador de película descendente, secador por atomización y caldero generador de vapor de agua. De la estimación de costos de producción de extracto seco de té verde se obtuvo que el costo de producción por Kg de extracto seco de té verde es de 59 $us.

ÍNDICE GENERAL

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES .............................................................................. 1

1.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1

1.2 ANTECEDENTES ....................................................................................................... 2

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................ ................................................ 3

1.4 JUSTIFICACIÓN ..................................... ................................................................... 4

1.5 ALCANCE ........................................... ....................................................................... 4

1.6 OBJETIVOS ......................................... ...................................................................... 5

1.6.1 Objetivo general .................................. ............................................................. 5

1.6.2 Objetivos específicos ............................. ......................................................... 5

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 6

2.1 LOS ANTIOXIDANTES ................................. ............................................................. 6

2.2 PROCESO DE OXIDACIÓN ....................................................................................... 6

2.3 EL TÉÉÉÉ ......................................................................................................................... 8

2.3.1 Té (camellia sinensis) ...................................................................................... 8

2.3.2 Origen ............................................ ................................................................... 8

2.3.3 Cosecha ........................................... ................................................................. 8

2.3.4 Clases de té ...................................... ................................................................ 9

2.4 COMPOSICIÓÓÓÓN QUÍMICA DEL TÉ VERDE ............................ ................................. 12

2.4.1 Cafeína ........................................... ................................................................. 12

2.4.2 Aroma ............................................. ................................................................ 13

2.5 PRODUCTOS SOLUBLES DEL TÉ ......................... ................................................ 13

2.5.1 Polifenoles........................................ .............................................................. 13

2.5.2 Alcaloides ........................................ ............................................................... 18

2.5.3 Sales minerales ................................... ........................................................... 19

2.5.4 Vitaminas ......................................... ............................................................... 19

2.5.5 Otros ............................................. .................................................................. 19

2.6 ACEITES ESENCIALES ................................ ........................................................... 20

2.7 EXTRACCIÓN .......................................................................................................... 20

2.7.1 Características industriales de la extracción sólid o-líquido ....................... 20

2.7.1.1 Caudal ............................................ ....................................................... 21

2.7.1.2 Rendimiento ....................................... ................................................... 21

2.7.1.3 Selectividad ...................................... ..................................................... 21

2.7.1.4 Concentración del extracto ........................ .......................................... 21

2.7.2 Velocidad de extracción ........................... ..................................................... 21

2.7.2.1 Factores que influyen sobre la velocidad de extracc ión ................... 22

2.7.2.1.1 Tamaño de partícula ............................... ....................................... 22

2.7.2.1.2 Agitación ......................................... ............................................... 22

2.7.2.1.3 Relación materia prima /solvente .................. ............................... 22

2.7.2.1.4 Temperatura ....................................... ............................................ 22

2.7.2.1.5 Naturaleza del solvente ........................... ...................................... 23

2.7.2.1.6 Tiempo de extracción .............................. ...................................... 23

2.7.3 Filtración de los extractos ....................... ...................................................... 23

2.7.4 Concentración o evaporación ....................... ................................................ 24

2.7.5 Secado ............................................ ................................................................ 24

2.7.5.1 Descripción ....................................... .................................................... 25

2.7.5.2 Etapas del secadero por aspersión ................. .................................... 25

2.8 ANÁLISIS CUALITATIVO Y CUANTITATIVO DE ANTIOXIDAN TES .................... 27

2.8.1 Análisis cualitativo de flavonoides ............... ................................................ 27

2.8.2 Análisis cuantitativo de antioxidantes ............ ............................................. 28

2.8.2.1. Determinación de antioxidantes por el método del ra dical DPPH .... 28

CAPÍTULO III

DESARROLLO EXPERIMENTAL ........................... ........................................................ 30

3.1 MATERIALES Y EQUIPOS .............................. ........................................................ 30

3.1.1 Materia prima ..................................... ............................................................ 30

3.1.2 Equipos y materiales de laboratorio ............... .............................................. 30

3.2 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA ............... ....................................... 32

3.3 MOLIENDA Y ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO ................ ....................................... 32

3.4 CONTENIDO DE ACEITES ESENCIALES ................... ............................................ 34

3.5 PROCESO DE EXTRACCIÓN .................................................................................. 35

3.5.1 Planificación y diseño experimental ............... .............................................. 36

3.5.1.1 Determinación de condiciones óptimas de extracción ............................... 37

3.5.1.2 Diseño experimental ............................... ....................................................... 37

3.5.2 Cinética de extracción ............................ ....................................................... 38

3.5.3 Extracción hasta agotamiento ...................... ................................................ 38

3.6 SEPARACIÓN DE SÓLIDOS INSOLUBLES .................. ......................................... 39

3.7 CONCENTRACIÓN DEL EXTRACTO ........................ .............................................. 39

3.8 CARACTERIZACIÓN DEL EXTRACTO ...................... ............................................. 40

3.8.1 Caracterización del extracto obtenido ............. ................................... 40

3.8.2 Cuantificación de antioxidantes ................... ....................................... 40

3.8.3 Determinación cualitativa de flavonoides .......... ................................. 41

ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS .................... .................................................... 43

CAPÍTULO IV

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA .............. ....................................... 43

4.1.1 Calidad del té .................................... ............................................................. 43

4.1.2 Densidad del té ................................... ........................................................... 44

4.2 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO ........................... ................................................... 44

4.3 CONTENIDO DE ACEITES ESENCIALES ................... ............................................ 46

4.4 RESULTADOS DE LA EXTRACCIÓN ...................... .............................................. 46

4.4.1 Resultados del diseño de pruebas experimentales ... ................................. 46

4.4.1.1 Análisis e interpretación de resultados del diseño factorial ............. 47

4.4.2 Cinética y tiempo de extracción ................... ................................................ 49

4.4.2.1 Ecuación cinética de segundo orden ................ .................................. 49

4.4.2.2 Cinética tipo Michaelis Menten .................... ........................................ 50

4.4.2.3 Cinética tipo isoterma de Langmuir ................ .................................... 50

4.4.3 Determinación del número de extracciones .......... ...................................... 52

4.5 SEPARACIÓN DE SÓLIDOS INSOLUBLES .................. ......................................... 54

4.6 CONCENTRACIÓN DEL EXTRACTO ........................ .............................................. 54

4.7 CARACTERIZACIÓN DEL EXTRACTO ...................... ............................................. 54

4.6.1 Características del extracto obtenido ............. ............................................. 54

4.6.2 Cuantificación de antioxidantes ................... ................................................ 55

4.6.3 Determinación cualitativa de flavonoides .......... .......................................... 55

4.6.3.1 Reacción de Shinoda ............................... ............................................. 55

4.6.3.2 Cromatografía en capa fina ........................ .......................................... 56

4.8 CONCLUSIONES DE LA PARTE EXPERIMENTAL ............. ................................... 58

CAPÍTULO V

DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO DE EXTRACCIÓN ........ ........................................ 59

5.1 TAMAÑO ............................................ ...................................................................... 59

5.2 LOCALIZACIÓN ...................................... ................................................................. 59

5.3 DIAGRAMA DE PROCESOS .............................. ..................................................... 59

5.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO ...................................................... 62

5.4.1 Extracción ........................................ .............................................................. 62

5.4.2 Filtración ........................................ ................................................................ 62

5.4.3 Concentración del extracto ........................ ................................................... 62

5.4.4 Secado ............................................ ................................................................ 62

5.5 DISEÑO DE EQUIPOS ............................................................................................. 63

5.5.1 Diseño del extractor .............................. ........................................................ 63

5.5.2 Diseño del centrifugador .......................... ..................................................... 70

5.5.3 Diseño del evaporador ............................. ..................................................... 72

5.5.3.2 Cálculo de la temperatura de salida de agua en el e vaporador ......... 74

5.5.3.3 Cálculo de la longitud del evaporador ............. ................................... 75

5.5.4 Diseño del secador por aspersión .................. .............................................. 77

5.5.4.1 Diseño de la cámara de secado ..................... ...................................... 78

5.5.4.1.1 Condiciones de diseño ............................. ..................................... 78

5.5.4.1.2 Cálculo del flujo másico de aire necesario para la evaporación.80

5.5.4.1.3 Estudio y selección de la mejor boquilla para el se cador ........... 82

5.5.4.1.3.1 Valores seleccionados de la boquilla atomizadora .. ... 82

5.5.4.1.3.2 Potencia del atomizador ........................... ..................... 83

5.5.4.1.3.3 Flujo másico por paleta de alimentación ........... ........... 83

5.5.4.1.4 Diámetro Sauter ................................... .......................................... 83

5.5.4.1.5 Diámetro, humedad y temperatura de la gota en el pu nto crítico.84

5.5.4.1.5.1 Humedad critica de la gota ........................ .................... 85

5.5.4.1.5.2 Temperatura critica de la gota .................... .................. 85

5.5.4.1.6 Humedad y temperatura del aire en el punto crítico. .................. 86

5.5.4.1.6.1 Humedad crítica del aire .......................... ...................... 86

5.5.4.1.6.2 Temperatura crítica del aire ...................... .................... 87

5.5.4.1.7 Determinación del tiempo total del secado de la got a ................ 87

5.5.4.1.7.1 Tiempo de secado en el periodo constante .......... ................ 87

5.5.4.1.7.2 Tiempo de secado en el período de velocidad decreci ente . 88

5.5.4.1.8 Calor transferido a la gota durante el tiempo de vi aje ................ 89

5.5.4.1.9 Dimensiones de la cámara de secado. ............... .......................... 91

5.5.4.2 Diseños auxiliares ................................ ................................................ 93

5.5.4.2.1 Diseño del quemador ............................... ...................................... 93

5.5.4.2.2 Diseño del Ciclón ................................. .......................................... 94

5.5.4.2.2.1 Área necesaria en la entrada del ciclón............ ............ 95

5.5.4.2.2.2 Diámetro del cuerpo del ciclón .................... ................. 95

5.5.4.2.2.3 Velocidad de saltación ............................ ....................... 96

5.5.4.2.2.4 Eficiencia del ciclón ............................. .......................... 98

5.5.4.2.2.5 Estimativa de la caída de presión ................. ................ 98

5.6 DISEÑO DEL CALDERO ................................ ....................................................... 100

5.6.2 Cantidad de combustible requerido ................. .......................................... 102

5.6.3 Cálculo de la potencia del caldero................. ............................................. 102

5.6.4 Diámetro de tubos ................................. ...................................................... 103

5.6.5 Longitud de los tubos.............................. .................................................... 103

5.6.6 Número tubos ...................................... ........................................................ 104

CAPÍTULO VI

EVALUACIÓN ECONÓMICA A NIVEL PILOTO ............... ............................................ 105

6.1 MAQUINARIAS Y EQUIPOS ............................. ..................................................... 105

6.2 COSTOS DE PRODUCCIÓN .................................................................................. 107

6.3 GASTOS GENERALES .................................. ........................................................ 108

6.4 MANO DE OBRA ...................................... ............................................................. 108

CAPÍTULO VII

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................... ............................................. 110

7.1 CONCLUSIONES ................................................................................................... 110

7.2 RECOMENDACIONES ........................................................................................... 111

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................ ...................................................... 112

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro Nº Descripción Página

Cuadro 1.1 Árbol de problemas para obtener extracto de té verde ................................ 3

Cuadro 2.1 Características según el tipo de té ............................................................ 10

Cuadro 2.2 Procesamiento del Té verde ..................................................................... 10

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura Nº Descripción Página

Figura 2.8 Reacción de Shinoda ................................................................................ 27

Figura 2.9 Reacción del DPPH .................................................................................. 29

Figura 4.1 Distribución de tamaño de partícula .......................................................... 45

Figura 4.2 Variables del proceso de extracción ......................................................... 36

Figura 4.3 Efectos de las variables principales .......................................................... 47

Figura 4.4 Efecto de la interacción de las variables de proceso ................................. 48

Figura 4.5 Curva experimental para la cinética de extracción .................................... 51

Figura 4.6 Curva de ajuste para la cinética de extracción .......................................... 52

Figura 4.7 Numero de etapas ..................................................................................... 53

Figura 4.8 Extractos obtenidos a diferentes etapas. A) Primera etapa de extraccion. B)

Segunda etapa de extraccion. C) Tercera etapa de extraccion. ....................................... 53

Figura 4.9 Extracto concentrado de té ....................................................................... 54

Figura 4.10 Reacción de Shinoda ................................................................................ 56

Figura 4.11 Placa cromatográfica iluminada con luz UV .............................................. 57

Figura 4.12 Placa cromatográfica ................................................................................ 57

Figura 4.13 Dimensiones de la cámara de secado ....................................................... 91

Figura 5.1 Diagrama de los equipos .......................................................................... 60

Figura 5.2 Balance de masa ...................................................................................... 61

Figura 5.3 Factores de forma ..................................................................................... 64

Figura 5.4 Centrifuga canasta .................................................................................... 70

Figura 5.5 Esquema del evaporador de película descendente ................................... 72

Figura 5.6 Diagrama de calentamiento del extracto de té .......................................... 74

Figura 5.7 Secador por aspersión .............................................................................. 78

Figura 5.8 Esquema del ciclón ................................................................................... 94

Figura 5.9 Caldero pirotubular .................................................................................. 100

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla Nº Descripción Página

Tabla 2.1 Principales componentes del té (% del peso de sólidos) ........................... 12

Tabla 3.1 Características del molino de discos ......................................................... 33

Tabla 3.2 Características del tamiz vibratorio ........................................................... 34

Tabla 3.3 Niveles seleccionados para las variables del proceso de extracción ......... 37

Tabla 3.4 Matriz de pruebas experimentales para la extracción ................................ 38

Tabla 4.1 Composición nutricional del té verde ......................................................... 43

Tabla 4.2 Análisis microbiológico .............................................................................. 44

Tabla 4.3 Distribución de tamaño de partículas ........................................................ 45

Tabla 4.4 Diámetro de partícula del té verde ............................................................ 46

Tabla 4.5 Niveles seleccionados para las variables del proceso de extracción ......... 37

Tabla 4.6 Matriz de pruebas experimentales para la extracción ................................ 38

Tabla 4.7 Tabla Resultado de las pruebas experimentales ....................................... 46

Tabla 4.8 Efectos estimados de las variables y sus interacciones ............................ 47

Tabla 4.9 Análisis de varianza para el rendimiento de antioxidantes ........................ 48

Tabla 4.10 Resultados experimentales para la cinética de extracción. ....................... 49

Tabla 4.11 Constantes cinéticas de extracción ........................................................... 51

Tabla 4.12 Extraccion hasta agotamiento ................................................................... 52

Tabla 4.13 Características del extracto obtenido ........................................................ 55

Tabla 4.14 Determinación de antioxidantes en té verde .............................................. 55

Tabla 4.15 Recorrido de manchas .............................................................................. 57

Tabla 5.1 Características del equipo: ........................................................................ 63

Tabla 5.2 Características del equipo ......................................................................... 70

Tabla 5.3 Características del equipo ......................................................................... 73

Tabla 5.4 Condiciones de operación ......................................................................... 73

Tabla 5.5 Datos de longitud de tubo ......................................................................... 75

Tabla 5.6 Parámetros del extracto concentrado (entrada) (40 %) ............................. 78

Tabla 5.7 Parámetros del extracto seco (salida) (5%) .............................................. 79

Tabla 5.8 Parámetros del aire (entrada)................................................................... 79

Tabla 5.9 Parámetros del aire (salida) ..................................................................... 79

Tabla 5.10 Rangos de un atomizador rotatorio ........................................................... 82

Tabla 5.11 Parámetros de diseño del ciclón de recuperación ..................................... 94

Tabla 5.12 Dimensiones típicas de un ciclón de recuperación tipo Stairmand ............ 95

Tabla 5.13 Dimensiones del ciclón ............................................................................. 96

Tabla 5.14 Especificaciones del equipo .................................................................... 100

Tabla 5.15 Composición del gas Natural .................................................................. 101

Tabla 5.16 Productos generados por la combustión ................................................. 101

Tabla 6.1 Estimación de inversión en equipos ($US) .............................................. 106

Tabla 6.2 Requerimiento de energía eléctrica por equipos ($US) ........................... 107

Tabla 6.3 Estimación de costos de producción ....................................................... 107

Tabla 6.4 Descripción de costo de fábrica y otros ($US) ......................................... 108

Tabla 6.5 Descripción de costo de mano de obra ($US) ......................................... 108

Tabla 6.6 Resumen de costos ($US) ...................................................................... 109

Tabla 6.7 Costo de Producción ($US) ..................................................................... 109

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1

INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

1.1 INTRODUCCIÓN

En la actualidad a nivel nacional los productos naturales con propiedades adelgazantes y

antioxidantes vienen teniendo una creciente demanda, esto debido a que se viene

adoptando una cultura en lo que lo saludable y natural forma parte de la vida de las personas

de distintas edades y clases sociales.

El té es una de las bebidas más antiguas del mundo y sus extractos son uno de los agentes

medicinales usados desde tiempos ancestrales. Después del agua es la bebida de

preferencia y actualmente dos tercios de la población mundial lo ingieren. Contiene varios

antioxidantes como ser los polifenoles, pero los más abundantes son los flavonoides (Taylor ,

1998).

De este modo el té verde si bien ya es un producto de consumo ya antiguísimo por sus

propiedades adelgazantes y antioxidantes entre otras muchas, viene llegando a integrarse

dentro de lo que es la cultura de lo saludable y natural en la actualidad.

Los antioxidantes son compuestos que inhiben o retrasan la oxidación de moléculas,

inhibiendo la iniciación o propagación de las reacciones oxidativas en cadena (Velioglu et. al,

1998).

La principal utilización de la producción de té sigue siendo la industria alimenticia,

farmacéuticos y en menor medida, ha sido utilizado por la industria de los cosméticos.Es por

eso que la Planta Agroindustrial PATUJÚ con la ayuda del Clúster de Alimentos de la UMSS

pudo mejorar en varios sentidos su producción y comercialización de su producto, logrando

posicionarse dentro del mercado de té verde. Pero no conforme con ello la empresa vio la

necesidad de expandirse y dar mayor valor agregado al producto. Es de este modo que se

vio la necesidad de realizar un estudio sobre la obtención de extracto de té verde (Camellia

sinensis).

El proyecto comprende en el diseño de una planta a nivel piloto para la obtención de extracto

de té verde. Considerándose que para una extracción ideal debe presentar las siguientes

características: permitir una extracción rápida, asegurar un rendimiento de extracción

elevado, no degradar los compuestos extraídos, permitir una recuperación de los extractos

sin pérdidas, ser de bajo costo y utilizar solventes no tóxicos(Sharapin , 2000).

2

1.2 ANTECEDENTES

El té verde es una de las bebidas más antiguas del mundo y su origen e historia son un tanto

curiosos. Durante siglos, el té verde o negro (Camellia sinensis), permaneció como la bebida

de preferencia en los países asiáticos. No fue hasta el siglo XVI que los exploradores

europeos y comerciantes popularizaron el té en occidente. Entonces el precio del té era

elevado. Actualmente, es la segunda bebida más consumida mundialmente después del

agua.

El té verde (Camellia sinensis) es consumido mayoritariamente en los países asiáticos

(China, Japón e India). En estos países, el té significa bienestar, armonía, belleza, serenidad

y se convierte en un ritual. A esto hay que mencionar que China es el principal productor del

té verde.

Con el apoyo del Centro de Alimentos y Productos Naturales (CAPN), creado el 13 de

febrero de 1987, y el Centro de Tecnología Agroindustrial (CTA), creado en 1981, que

actualmente ejecutan proyectos de investigación en el tema de aceites esenciales y

extractos, fue posible realizar un trabajo conjunto con la finalidad de producir extracto de té

verde.

En 1981, el Centro de Tecnología Agroindustrial (CTA - Bolivia) inicia investigaciones sobre

la obtención de productos naturales en general y aceites esenciales en particular, con una

metodología que incluye investigaciones en laboratorio y en planta piloto. Como resultado de

este prolongado esfuerzo el CTA produce, vende y exporta aceites esenciales de diversas

especies vegetales y ha instalado en Bolivia numerosas unidades de extracción rural, así

como unidades de refinación de aceites esenciales (Centro de Tecnología Agroindustrial

CTA – UMSS, 2013).

La Planta Agroindustrial PATUJÚ, estableció su procesadora el año 2007 en Ivirgazama,

Carrasco Tropical, recolectando hojas de té (Camellia sinensis) en las plantaciones del valle

Ivirgazama ubicada en el trópico cochabambino. Esta empresa se caracteriza por proveer de

un té de alta calidad a su población consumidora.

Bajo este contexto el Clúster de Alimentos dependiente del proyecto INNOVA-UMSS cubre

las necesidades ya mencionadas por la planta Agroindustrial PATUJÚ, es de este modo que

ambas entidades empiezan una relación en busca del progreso de la empresa a través del

modelo de la triple hélice (empresa, gobierno y universidad) para lograr el desarrollo

sostenible.

3

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El planteamiento del problema comienza como una necesidad que tiene la empresa de

obtener un extracto con un rendimiento elevado de antioxidantes a partir de té verde

(Camellia sinensis) para su comercialización.

El Cuadro 1.1 es un árbol de problemas, donde se muestra con más exactitud cuál es el

problema, el cual nos lleva a realizar dicho estudio, en el mismo mostraremos las causas y

los efectos del mismo y los efectos que este provoca, el árbol de problemas nos muestra con

más claridad toda la problemática a investigar.

Cuadro 1.1 Árbol de problemas para obtener extract o de té verde

Fuente: Elaboración propia.

4

1.4 JUSTIFICACIÓN

El té verde, se lleva bebiendo desde hace miles de años, las investigaciones científicas van

documentando los potenciales beneficios para la salud que este contiene gracias a sus

antioxidantes. Entre sus cualidades medicinales se pueden destacar: ser un adelgazante

natural, previene la formación y crecimiento de células cancerosas, retrasa el

envejecimiento, actúa contra el estrés, etc. Muchos de estos beneficios se los puede

conseguir a través de diferentes medicinas y suplementos alimenticios con un costo elevado,

el cual muchas personas no tienen posibilidades de adquirir. Sin embargo, el té verde

(Camellia sinensis) es un producto accesible.

La industria boliviana atraviesa una crisis muy profunda, y con ella los productos

agroindustriales, y el surgimiento de esta pequeña industria aparece como una opción para

el desarrollo empresarial e industrial y un producto alternativo a las exigencias del mercado.

El mercado nacional de productos alimentarios envasados se halla ocupado en su mayoría

por productos importados, teniendo un enorme apoyo publicitario que quita oportunidades a

nuestros productos.

Es por eso que la Planta Agroindustrial PATUJÚ vio la necesidad de realizar un estudio

sobre la producción de extracto de té verde (Camellia sinensis), con el fin de promover su

procesamiento e industrialización.

1.5 ALCANCE

En el presente estudio, se realizaron las siguientes actividades para la obtención de extracto

de té verde que son:

• Revisión bibliográfica.

• Caracterización de la materia prima.

• Determinación de las condiciones óptimas de extracción.

• Determinación de la cinética de extracción.

• Determinación de la capacidad antioxidante del extracto.

• Diseño de una planta piloto para la extracción de té verde.

• Estimación de costos de producción.

5

1.6 OBJETIVOS

1.6.1 Objetivo general

Diseñar una planta a nivel piloto para la obtención de extracto seco a partir de hojas de té

verde.

1.6.2 Objetivos específicos

• Caracterizar la materia prima.

• Realizar pruebas experimentales de extracción aplicando el diseño factorial.

• Analizar e interpretar los resultados experimentales.

• Optimizar el proceso de extracción.

• Caracterizar el producto obtenido.

• Realizar el diseño de equipos necesarios a escala piloto a partir de los datos

experimentales obtenidos de laboratorio.

• Evaluar costos de producción.

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

6

MARCO TEÓRICO

2.1 LOS ANTIOXIDANTES

Los antioxidantes son sustancias que previenen o demoran el daño molecular producido por

los radicales libres, para lograrlo, los antioxidantes entregan un electrón a los radicales

libres, con lo que desactivan la acción del radical libre, apagando el proceso de oxidación y

transformándose ellos en radicales libres inactivos o poco reactivos, esta propiedad se debe

a su estructura química que permite una gran movilidad de sus electrones en los orbitales

moleculares, los átomos que conforman la molécula comparten un gran número de

electrones en una nube de partículas que forman los orbitales moleculares, haciéndolos

estables (Pita et. al, 2000).

Para que un sustancia actúe como antioxidante debe ser capaz de reaccionar fácil y

específicamente con el radical libre, debe encontrarse próximo al radical libre, pues de otra

manera este último reaccionará con una biomolécula como lo son los ácidos nucleicos,

proteínas y lípidos, además debe encontrarse en cantidad suficiente para ser efectivo

(Negrete, 2003).

Los antioxidantes deben tener diferentes solubilidades, para proteger diferentes partes de las

células del organismo, por ejemplo la vitamina E es soluble en grasas, mientras que la

vitamina C es soluble en agua, esta condición permite proteger las zonas lipofílicas e

hidrofílicas de las células.

El organismo humano combate los radicales libres por medio de antioxidantes biológicos

como las enzimas, superóxido dismutasa, catalasa y dietéticos como la vitamina E, vitamina

C, carotenoides y flavonoides. Ya que el cuerpo no es totalmente efectivo en combatir los

radicales libres y sus efectos devastadores en las células es imperativo consumir una

variedad de antioxidantes, los cuales trabajan en diferentes partes del organismo, para

reducir el efecto de los radicales libres (Pineda et. al, 1999).

2.2 PROCESO DE OXIDACIÓN

Los antioxidantes actúan contra el proceso de oxidación. Todos estamos familiarizados con

la oxidación, es el proceso que hace que los plátanos se vuelvan negros, hace que al pan le

salga moho y que se oxide el metal. Este mismo proceso tiene lugar en el cuerpo y se cree

que es una de las grandes causas de enfermedad (Taylor, 1998).

7

Las reacciones de oxidación están ampliamente distribuidas en la naturaleza, siendo el

oxígeno el principal protagonista. Clásicamente, la oxidación se definió como la combinación

de un combustible con el oxígeno. Una definición más general. Desde el punto de vista

fisicoquímico, señala que la oxidación es la pérdida de electrones. Los electrones son

transferidos al agente oxidante, el cual se reduce, ganando electrones. Por lo mismo, la

oxidación esta siempre asociada a una reducción, en este sentido nos referimos a un

proceso de óxido-reducción, que implica un traspaso de electrones. Los electrones se

acomodan en pares en los orbitales atómicos o moleculares, buscando como resultado una

molécula más estable (Negrete, 2003).

El oxígeno suele desplazarse por el cuerpo en parejas. Estas parejas de moléculas de

oxígeno, que comparten pacíficamente electrones, los químicos las describen como O2. No

obstante, como parte de las reacciones metabólicas del cuerpo, una molécula doble se

divide y se convierte en dos moléculas de oxígeno separadas que se conocen bajo el

nombre de singlete de oxígeno.

El singlete de oxígeno es uno de los componentes de un grupo de sustancias denominadas

radicales libres, que son moléculas inestables altamente reactivas. Al singlete de oxígeno,

puesto que ha sido separado de la otra mitad, le falta un electrón, entonces busca con

urgencia emparejarse, de modo que corre por el cuerpo en busca de un electrón que

sustituya al que ha perdido. Los radicales libres son especies químicas, átomos o moléculas,

con un electrón solitario girando en su órbita externa, esta es una condición muy inestable,

razón por la cual el radical es sumamente activo, puesto que el electrón solitario busca

desesperadamente una pareja para salir del desequilibrio en el que se encuentra, para lograr

este objetivo, sustrae un electrón de cualquier molécula vecina oxidándola, lo que altera su

estructura y la convierte a su vez en otro radical libre que va en busca de un electrón,

generando así una reacción en cadena. La principal fuente de origen de los radicales libres

es la respiración, sin embargo la exposición a radiaciones ionizantes, rayos ultravioleta,

contaminación ambiental, humo de cigarrillos, también originan en el organismo radicales

libres (Negrete, 2003).

La salud de las personas se relaciona con el adecuado balance oxidativo, es decir, que los

radicales libres y antioxidantes se equilibren a tal modo que se minimice el daño y se retarde

la aparición de enfermedades. Sin embargo el estrés oxidativo ocurre en los organismos ya

sea por mala nutrición, por enfermedad u otras causas que generan un desequilibrio entre

los radicales libres y los antioxidantes (Negrete, 2003)

8

2.3 EL TÉÉÉÉ

2.3.1 Té (camellia sinensis)

El té es la bebida más consumida en el mundo (después del agua). Se cree que cada día se

toman entre dieciocho y veinte mil millones de tazas. Se trata de una infusión hecha con

los brotes y las hojitas más tiernas (deshidratadas y procesadas) de un árbol perteneciente a

la familia de las camelias, especie muy frecuente en los parques y jardines de las zonas

templadas. Su nombre científico es Camellia sinensis (Stevens, 2003).

2.3.2 Origen

El té procede de la familia Camellia sinensis. En su momento, los botánicos pensaron que

existían dos variedades de té: la Camellia sinensis, que procedía de China, que crecía en los

climas fríos de las altas mesetas y daba pequeñas hojas de unos 75 mm de ancho y la

Camellia assamica, procedente de la India y que crecía bien en climas semitropicales, donde

daba grandes hojas que podían llegar a tener hasta 7.5 cm de largo y 1 cm de ancho. No

obstante recientemente se ha llegado a la conclusión de que a pesar de las obvias

diferencias entre estas dos plantas, en realidad pertenecían a la misma especie: Camellia

Sinensis (Taylor, 1998).

Las plantas de té se desarrollan mejor en zonas cálidas y húmedas. Los climas adecuados

presentan temperaturas de entre 10 y 30 ºC, unas pluviosidad anual de 2000 a 2250 mm., y

una altitud de 300 a 2000 msnm. La combinación de altitud y humedad favorece el lento

crecimiento deseado. La calidad final del producto depende de factores como el clima, el

suelo, la altitud, los procesos de recolección y procesamiento, envasado, transporte y

almacenamiento (Ortuño, 2005).

2.3.3 Cosecha

Al cabo de dos años cuando alcanza los 150-180 cm se podan a 30 cm. La recolección con

fines comerciales no comienza hasta 3 o 5 años después, según la altitud y las condiciones

meteorológicas de la zona (Ortuño, 2005).

Para conseguir un té verde de calidad superior, los recolectores cogen el capullo o el capullo

más la hoja más joven, mientras que para un té normal, toman e capullo y las dos hojas

superiores. Para el té de calidad media a baja puede consistir en el capullo, las dos hojas

superiores, la hoja vieja debajo y algo de ramita. Los tés de calidad nunca se recolectan con

máquinas ya que la burda recolección propicia el inicio de la fermentación (Taylor, 1998).

9

2.3.4 Clases de té

El té de alta calidad procede del botón y las primeras dos hojas del tallo en crecimiento,

aunque se utilizan hojas más maduras en algunos tés. La calidad de la bebida del té está

influenciada por el clima donde crece la planta (Charley H., 2009).

Las hojas de té contienen una enzima denominada polifenol oxidasa. Cuando se arranca la

hoja esta enzima se mezcla con el oxígeno (un proceso denominado oxidación) y empieza

cambiar la estructura de las catequinas. Al fabricar el té verde, la meta número uno es

intentar que se produzca la mínima oxidación posible. La aplicación de calor desactiva la

enzima, así que es conveniente recoger la hoja fresca del campo y llevarlo lo antes posible a

una fuente de calor. Esta es la razón por la que el tiempo es la esencia en la

manufacturación del té verde (Taylor, 1998).

Hay tres tipos principales de té: verde, negro y oolong Cada uno de ellos procesados de

forma distinta (Taylor N., 1998), ya que difieren en la forma en que son tratadas las hojas

antes de secarse. En el té verde, los cosechadores llevan inmediatamente las hojas del

campo a la fábrica, con cuidado de no magullarlas o romperlas, dado que esto aceleraría el

proceso de oxidación. En la fábrica, se cuecen las hojas al vapor, se pasan por un secador

para detener los cambios que se producen en las enzimas y conservar cuantas más

catequinas mejor. Luego se enrollan, se doblan y se secan a fondo. La bebida hecha con

estas hojas de té es de color verde o dorado claro, con un sabor refrescante y ligeramente

amargo, pero suave. Para el té negro ocurre todo lo contrario, se dejan marchitar las hojas

para acelerar la oxidación, en bandejas o parrillas y se dejan secar al sol entre 18 y 24 horas

antes de envolverse (Charley, 2009). Durante éste periodo que se conservaron, las enzimas

presentes en la hoja verde catalizan la oxidación de los constituyentes, lo que origina

cambios en el color, sabor y aroma. Luego se enrrollan y se retuercen. Dejar secar y retorcer

hace que las hojas se fermenten y durante este proceso, las catequinas se oxidan en

componentes más complejos denominados tearubiginas y Teaflavinas. El té oolong tiene

algunas de las características del té verde y del negro es sólo parcialmente fermentado se

deja marchitar o secar al sol en cestas planas de 4 a 5 horas. Estas cestas se agitan para

aplastar los bordes de las hojas, asegurándose una mayor oxidación al borde de la hoja que

en el centro. Luego se llevan una fuente de calor para detener la fermentación y reducir la

humedad. Luego se enrrollan y se secan. El té se seca hasta un contenido de humedad de

aproximadamente el 3 porciento y (Taylor, 1998).

10

El cuadro 2.1 muestra cuales son las características de elaboración según el tipo de té.

Cuadro 2.1 Características según el tipo de té

Nombre Grado de

Fermentación Característica

Té negro Completa

Es el producto que presenta mayores propiedades aromáticas.

Su alto contenido en flavonoides protege al sistema

cardiovascular.

Té oolong Incompleta

Con 50-60 % de fermentación se denomina oolong, con 8-25 %

pouchong. Presenta propiedades antioxidantes,

anticancerígenas, efecto protector del sistema cardiovascular y

se usa para el tratamiento de la obesidad.

Té verde Ausente

Presenta elevadas cantidades de antioxidantes, colabora con la

nivelación de la insulina en la sangre y con la disminución de la

grasa corporal. Disminuye el nivel de triglicéridos y colesterol.


El cuadro 2.2, muestra cuáles son las etapas para el procesamiento del té verde.

Cuadro 2.2 Procesamiento del té verde

Etapa Objetivos Métodos Cambios Provocados

Escaldado

Inactivación de las

enzimas responsables

de la fermentación.

Determinación de la

intensidad de color en

el producto final.

Escaldado con vapor a

95 - 100 ºC, por 30 a

45 segundos.

Detención del proceso de

fermentado y fijación de

un color verde suave o

intenso. El contenido de

humedad alcanza el 75

%.

1er Secado y enrulado

Ruptura, distorsión y

secado rápido de

hojas. Incremento del

aroma en el producto

final.

Proceso mecánico de

rasgado, cortado,

aplastado, ruptura,

torsión y secado a 90-

110ºC, por 35-48

minutos.

El material es sacado , no

es necesario aplicar

mayor presión en el

siguiente enrulado. El

contenido de humedad se

reduce al 50%.

11

Continuación:

Fuente: Tapia, (2007).

Enrulado

Ruptura de las células

foliares. Uniformar la

humedad.


rasgado, cortado,

aplastado, ruptura y

torsión a temperatura

ambiente.

Se homogeniza la

humedad a nivel del 50

%.

2 do Secado y

enrulado

Reducción del

contenido de humedad.


rasgado, cortado,

aplastado, ruptura,

torsión y secado con

aire caliente 50-60ºC.

El material presenta una

mayor homogeneidad en

su forma. El contenido de

humedad se reduce al 30

%.

Secado y enrulado

final

Lograr la forma

definitiva de partícula y

fragancia del producto.

Reducción del

contenido de humedad.


rasgado, cortado,

aplastado, ruptura,

torsión y secado con

aire caliente 80-90ºC.

El material presenta su

forma típica. El contenido

de humedad se reduce al

13 %.

Secado

Reducir en forma

uniforme contenido de

humedad, conservando

la calidad y fragancia.

Exposición al aire

caliente, por espacio de

25-30 minutos, a una

temperatura promedio

entre 70 a 90 ºC.

La humedad se reduce

del 13 al 4-5 %, el

producto adquiere su

apariencia y color

característicos.

Almacenaje Conservar en

adecuadas condiciones.

Almacenaje en

ambientes refrigerados,

con baja humedad en

bolsas de papel.

El producto mantiene sus

características distintivas.

Limpieza, clasificación

o refinado

Resecar, limpiar y

clasificar por tipos,

mezclar y envasar.

Resecado, desfibrado,

quebrado, clasificado,

mezclado y envasado.

Clasificación del lote

según tamaño en

diferentes grados o tipos.

12

2.4 COMPOSICIÓÓÓÓN QUÍMICA DEL TÉ VERDE

Las hojas de té verde (Camellia sinensis) contienen varios elementos químicos, incluyendo

aminoácidos, taninos, hidratos de carbono, cafeína, teofilina, iones minerales y polifenoles,

que aportan al té su color y aroma característicos. Como gran parte de las plantas de hojas

muy verdes, el té verde también posee diversos nutrientes como vitaminas C, betacarotenos,

riboflavina, tiamina, y otros fitonutrientes como ácidos orgánicos, proteínas, clorofila, etc.

Gracias a que no se deja fermentar, el té verde después de su secado retiene los

polifenoles, que son una de sus sustancias activas más importantes y que son responsables

de gran parte de los atributos salutíferos de la planta y de la neutralización de la cafeína

natural (Ortuño, 2005).

En la tabla 2.1, se muestran los principales componentes del té, tanto para el té negro como

el té verde.

Tabla 2.1 Principales componentes del té (% del pes o de sólidos)

Componentes Té verde Té negro

Catequinas 30-42 03-10

Teaflavinas - 02-6

Polifenoles sencillos 2 3

Flavonoles 2 1

Otros polifenoles 6 23

Teanina 3 3

Amino ácidos 3 3

Péptidos/proteínas 6 6

Ácidos orgánicos 2 2

Azúcares 7 7

Otros carbohidratos 4 4

Cafeína 03-6 3-6

Potasio 5 5

Otros minerales/ceniza 5-8 5-8

Fuente: Tapia, (2007).

2.4.1 Cafeína

La bebida del té, igual que la del café, se valora por el efecto estimulante de la cafeína que

contiene. Las hojas del té contienen más cafeína (2.7 a 4.6 por ciento de la hoja de té verde

13

seca) que el café tostado, aunque la concentración en la bebida en promedio es un poco

menor en el té. Los valores encontrados en la literatura incluyen 70 mg por taza de bebida (el

tipo de té y los detalles de preparación no se especifican) y 28 mg, 44 mg y 47 mg por taza

para el té negro en bolsas (de tres marcas) extraídas por 1, 3 y 5 min. Los valores

comparables y proporcionados para el té negro suave fueron de 31 mg, 38 mg y 40 mg por

taza de bebida. Las bebidas de té verde y oolong, en bolsa o suelto, contienen menos

cafeína que el té negro. Además de cafeína, el té contiene pequeñas cantidades de otras

dos metilxantinas, la teobromina, la teofolina, dimetil y monometilxantina (Charley, 2009).

2.4.2 Aroma

El aroma del té contribuye a su apetencia. Los compuestos volátiles que lo emiten han sido

referidos como aceites esenciales. Se han identificado aproximadamente 30 compuestos en

el aroma del té verde, siendo los principales el alcohol bencílico, alcohol feniletílico, hexenol,

linalool, geraniol y el metil salicilato (Charley, 2009).

2.5 PRODUCTOS SOLUBLES DEL TÉ

Los productos solubles son los que encontramos en la taza y son los siguientes:

2.5.1 Polifenoles

Los polifenoles son compuestos químicos naturales que se encuentran en ciertas frutas y

verduras, en la patata, en el ajo y en algunos otros alimentos. Un subgrupo de polifenoles

(catequinas) son sustancias especialmente poderosas para luchar contra las enfermedades y

grandes antioxidantes (Taylor, 1998).

Hay muchos tipos de polifenoles, incluyendo los flavonoides que se encuentran en el té

verde y las verduras. (Los flavonoides también se denominan bioflavonoides) (Taylor, 1998).

Los flavonoides son pigmentos vegetales que dan color a las flores, frutos y hojas, se

encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza mayormente en las siguientes familias:

Leguminoceae y Asteraceae (Fuentes, 2005).

Los flavonoides son un grupo de sustancias cuyas estructuras derivan del núcleo aromático

flavano o 2-fenilbenzopirano. También son compuestos de la serie C6-C3-C6,por lo que su

esqueleto de carbonos consiste en dos grupos C6 que son anillos de benceno sustituidos por

una cadena alifática de tres carbonos (Valencia, 1995).

Presentan dos anillos aromáticos llamados A y B están unidos por una unidad de tres

carbonos que pueden o no formar un tercer anillo, que en caso de existir es llamado anillo C

(Fuentes, 2005). La figura 2.1 muestra cual es la estructura química de un fla

general:

Figura 2.1

Las sustancias naturales reunidas hoy en día con el nombre colectivo de flavonoides son las:

flavonas, flavanoles, flavanonas, flavanonoles, antocianidinas,

isoflavonas y auronas (Fuentes, 2005). En la figura 2.2 se presenta a la familia de los

flavonoides.

Figura 2.2

Las características estructurales de cada una de estas familias, se basan en los

grados de oxidación del heterociclo, siendo los flavanoles los de menor grado de oxidación y

los flavonoles, los de heterociclo más oxigenado.

14

(Fuentes, 2005). La figura 2.1 muestra cual es la estructura química de un fla

Estructura química general de un Flavonoide.

Fuente: Valencia, (1995).


flavonas, flavanoles, flavanonas, flavanonoles, antocianidinas, flavanos, chalconas e


Figura 2.2 Familia de los flavonoides

Fuente: Parra, (2012).

Las características estructurales de cada una de estas familias, se basan en los


los flavonoles, los de heterociclo más oxigenado.

(Fuentes, 2005). La figura 2.1 muestra cual es la estructura química de un flavonoide en

Estructura química general de un Flavonoide.


flavanos, chalconas e


Las características estructurales de cada una de estas familias, se basan en los distintos


15

Tabla 2.2 Estructuras de familia de flavonoides

Fuente: Conde, (1994).

El modo en que se procesa la hoja de té verde afecta en gran manera al contenido de

catequinas del té acabado (Taylor, 1998).

Las hojas del té son fuentes extraordinariamente ricas de un grupo de compuestos

conocidos como sustancias polifenólicas, que suman casi una tercera parte del peso de la

hoja seca. El color de la bebida y gran parte de su sabor, especialmente su astringencia, se

atribuye a estos compuestos polifenólicos o a sus productos de oxidación en el té negro. El

té verde contiene cierto número de flavonoles con la estructura básica (Charley, 2009).

Los flavonoles específicos en el té incluyen miricetina, quercetina, el kaempferol y sus

glucósidos.

Otros compuestos fenólicos encontrado en el té en concentración incluso mayor que los

flavonoles son los flavanoles. Este grupo contiene aproximadamente el 80 por ciento del total

de polifenoles en el té. Estos incluyen la catequina y galocatequina, sus ésteres con ácido

gálico, galato de catequina y galato de galocatequina, así como sus epímeros.

El galato de epigalocatequina es el principal flavanol en el té verde seco. Las catequinas son

responsables del sabor ligeramente astringente y metálico de la bebida del té verde.

También tienen que ver con el oscurecimiento y otros tipos de coloraciones extrañas en los

16

alimentos de origen vegetal. Otro constituyente fenólico en el té, la teogalina, suma

aproximadamente el 1 por ciento del peso seco de la hoja. El ácido clorogénico, también un

compuesto fenólico, es un constituyente menor del té (Charley, 2009).

Los compuestos activos del té son los flavonoides, un tipo de polifenoles que poseen

propiedades antioxidantes muy potentes, e incluyen polifenoles de los grupos catequina. Los

flavonoides se encuentran de manera natural en las plantas (Ortuño, 2005).

La distribución de flavonoides en el té verde es de 90 % de catequinas y 10 % de flavonoles

(Wiseman et al, 1997).

El té contiene varios tipos de polifenoles, los más abundantes son los flavonoides que

pertenecen a un grupo de sustancias conocidas genéricamente como catequinas. Los

principales polifenoles en el té verde son los flavonoides, 4 catequinas en este caso

relevantes: epicatequina, epicatequina galato, epigalocatequina y epigalocatequina – 3 –

galato (EC, ECG, EGC y EGCG). La composición en polifenoles del té verde es similar a la

de las hojas frescas: flavanoles (catequinas) y ácidos fenólicos.

Las estructuras de estos compuestos fenólicos son las que se muestran en las siguientes

figuras 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6 respectivamente:

Figura 2.3 Estructura química de la epicatequina EC

Fuente: Parra,(2012)

17

Figura 2.4 Estructura Química de la Epigalocatequin a EGC


Figura 2.5 Estructura Química de la epicatequina ga lato ECG


Figura 2.6 Estructura química de la epigalocatequin a galato EGCG


Los estudios científicos realizados hasta el momento ven en esta última sustancia EGCG el

constituyente más significativo. La epigalocatequina – 3 – galato (EGCG) ha sido analizada

18

en diversos modelos experimentales que han mostrado sus notables propiedades

antiinflamatorias y antioncogénicas.

También contiene taninos, responsables de la astringencia y el sabor amargo. El contenido

de polifenoles está en relación directa con la edad de las hojas, cuanto más joven o tierna

sea la hoja mayor es el contenido en polifenoles.

Un estudio sobre las propiedades del té verde fue presentado por investigadores de la

Universidad de Kansas en la reunión de la American Chemical Society, celebrada en Las

Vegas en Septiembre de 1997. Este estudio cuantificó la cualidad antioxidante de los

polifenoles tipo EGCG de las hojas verdes, concluyendo lo que se había estado sosteniendo

acerca de los atributos de esta planta:

La capacidad antioxidante de los EGCG es hasta 100 veces más que la vitamina C.

La capacidad antioxidante de los EGCG es hasta 20 veces más que la vitamina E.

Hay que destacar que el papel antioxidante que ejercen las catequinas, base de la mayor

parte de las propiedades saludables del té; previene enfermedades cardiovasculares, reduce

el riesgo de cáncer, retrasa el envejecimiento, etc. (Ortuño, 2005).

2.5.2 Alcaloides

El té contiene cafeína (hojas y sobre todo en los brotes tiernos) y pequeñas cantidades de

teofilina y teobromina (hojas).

Todos los tipos de té contienen cafeína, pero en diferentes proporciones. El té verde tiene

menos que el oolong y éste menos que el negro por ser productos obtenidos por diferentes

procesos. Cabe notar que el cuerpo absorbe rápidamente la cafeína del café, lo que provoca

un inmediato incremento de la actividad cardiovascular: los efectos de la cafeína del té se

notan más lentamente; pero son más duraderos, por lo que el té es mucho más revitalizante

que el café. La teobromina desempeña una función esencial a nivel cardíaco y respiratorio.

La teofilina ayuda a respirar mejor, porque abre las vías respiratorias.

19

2.5.3 Sales minerales

Los minerales presentes en el té son realmente numerosos. Entre ellos está el calcio, cromo,

magnesio, manganeso, hierro, cobre, zinc, molibdeno, sodio, fósforo, cobalto, estroncio,

níquel, potasio, aluminio, flúor y selenio.

Destaca un alto contenido en flúor, a lo que se atribuye la cualidad de prevención de caries

dentales (Ortuño, 2005).

2.5.4 Vitaminas

Vitamina A, grupo de vitaminas B2, vitamina C (en los no fermentados como el té verde)

vitamina E y carotenoides (Ortuño, 2005).

La vitamina A ejerce un efecto protector sobre las mucosas y protege al sistema

cardiovascular reduciendo la oxidación del colesterol LDL, causante de la arteriosclerosis.

La vitamina B2 ayuda a mantener una piel sana, así como el cabello y las uñas, siendo muy

beneficiosa para la visión ya que alivia la fatiga ocular.

La vitamina C es conocida por su capacidad para luchar contra las infecciones bacterianas y

reducir los efectos de las sustancias que producen alergias, protege contra los cánceres de

la cavidad oral, dé esófago, estómago y páncreas, al tiempo que evita la oxidación de las

vitaminas A y E, prolongando su efectividad (Taylor, 1998).

La vitamina E es también un potente antioxidante, que cumple la función de proteger las

membranas celulares del daño causado por los radicales libres. También reduce la

incidencia de ciertos tipos de cáncer, especialmente de pulmón, esófago y estómago (Taylor,

1998).

2.5.5 Otros

Pequeñas cantidades de aminoácidos: teanina, valina, arginina, aspargina, glicina, leucina,

niacina lisina, histidina, glúsidos y lípidos: el aminoácido exclusivo del té es la teanina, en la

actualidad se están realizando diversas investigaciones sobre la teanina, pues se ha

demostrado que incrementa significativamente la efectividad de diversas medicaciones

contra el cáncer.

El aporte calórico de una taza de té es de 2 calorías.

20

2.6 ACEITES ESENCIALES

Los aceites esenciales son una parte del metabolismo de un vegetal, compuesto

generalmente de terpenos, que están asociados o no a otros componentes, la mayoría de

ellos volátiles y generan en conjunto un olor característico a dicho vegetal (Bandoni, 2000).

Los aceites esenciales son mezclas de varias sustancias químicas biosintetizadas por las

plantas, que dan el aroma característico a algunas flores, arboles y semillas. Son

intensamente aromáticos, no grasos, volátiles y livianos. Son insolubles en agua, levemente

solubles en vinagre y solubles en alcohol, grasas, ceras y aceites vegetales (Maldonado,

2012).

2.7 EXTRACCIÓN

La extracción sólido – líquido consiste en que el soluto de una fase sólida se separa por

contacto del sólido con un líquido, el disolvente, en el que el producto deseado es soluble

(Brennan et. al, 1998).

En una etapa de una extracción sólido-líquido, el disolvente se mezcla íntimamente con el

sólido, el contacto se mantiene durante el tiempo requerido y la mezcla se divide en dos

corrientes: una liquida o ligera, constituida por la disolución del soluto con el disolvente

(ricos) y otra formada por el residuo agotado, constituida por los componentes sólidos

insolubles, a los que se adhiere parte de la disolución. En este contacto, el equilibrio se

puede definir como la situación lograda cuando la disolución adherida al residuo tiene la

misma composición que de la corriente líquida (ricos). Los procesos que dan como resultado

un equilibrio de la concentración son la maceración y la maceración dinámica. Los procesos

que agotan completamente la materia vegetal son: la percolación, la re percolación y la

extracción en contracorriente (Sharapin N., 2000). En realidad, la concentración del soluto en

la corriente líquida es siempre inferior a la presente en la disolución que se adhiere a la

corriente sólida (agotados) (Brennan et al, 1998).

2.7.1 Características industriales de la extracción sólido-líquido

La extracción ideal debería cumplir los cuatro factores siguientes (Coca, 2007):

• Caudal elevado

• Máximo rendimiento

• Elevada o débil selectividad en función del objetivo.

• Elevada concentración del extracto.

21

2.7.1.1 Caudal

Puede expresarse como la masa de extracto obtenida por la unidad de tiempo. En extracción

en continuo, resulta interesante cuantificar la facilidad de extracción mediante su número de

unidades de transferencia (NUT). Esta se define como:

= 1 − 2∆

C1: Concentración de soluto en la fase sólida a la entrada del extractor

C2: Concentración de soluto en la fase sólida a la salida del extractor

∆Cm: Diferencia media logarítmica de las concentraciones entre el extracto y la fase sólida.

2.7.1.2 Rendimiento

El rendimiento representa la masa de fracción deseada obtenida en el extracto respecto a la

masa de dicha fracción presente inicialmente en la fase sólida. Un sencillo balance de

materia de la extracción permite determinar el rendimiento. Basta conocer:

• Masa de sólido tratado

• Su contenido en el componente deseado y su extracto seco soluble

• Volumen del extracto obtenido

• Concentración del extracto en el componente deseado y su extracto seco total.

2.7.1.3 Selectividad

La preocupación en la selectividad se limita a no extraer ciertos componentes indeseables o

extraer un solo componente (Coca, 2007).

2.7.1.4 Concentración del extracto

El extracto debe ser concentrado y totalmente seco. Está claro que los costos de secado,

relacionado con el consumo de energía, serán tanto más elevados cuanto más diluido sea el

extracto (Coca, 2007).

2.7.2 Velocidad de extracción

Suele considerarse que la extracción de un soluto a partir de una partícula sólida tiene lugar

en tres etapas. Primero el soluto se disuelve en el disolvente; luego el soluto se difunde

hasta la superficie de la partícula sólida y, finalmente, migra desde la superficie de la

22

partícula en cuestión, en la que se supone se encuentra a saturación, hasta el grueso de la

disolución (Coca, 2007).

2.7.2.1 Factores que influyen sobre la velocidad de extracción

Cierto número de factores distintos intervienen y modifican directamente la velocidad de

extraccion, la concentración del extracto y el rendimiento.

Entre estos factores tenemos:

2.7.2.1.1 Tamaño de partícula

La velocidad de transferencia de masa desde la superficie del sólido es directamente

proporcional al área (Brennan et al, 1998). Así que la reducción del tamaño de partícula debe

aumentar la velocidad de extracción, debido al aumento de área y a la reducción de la

distancia que el soluto tiene que migrar en el interior del sólido para alcanzar la superficie, ya

que los intercambios osmóticos serán tanto más importantes cuanto mayor sea la superficie

total expuesta por las partículas y cuanto menor sea el radio de ellas (Mafarty, 1994).

2.7.2.1.2 Agitación

La agitación incrementa la transferencia de materia desde la superficie del sólido al lecho de

la solución. Por esta razón, el empleo de un sistema de agitación estará condicionado por el

mecanismo de transferencia de materia. Cuando se extraen partículas finas de sólido la

agitación facilita el contacto del sólido con el disolvente; sin embargo pese a mejorar la

extracción, puede causar la suspensión en el extracto y dificultar el proceso de filtración

(Himmelblau, 1997).

2.7.2.1.3 Relación materia prima /solvente

Desde el punto de vista es un factor muy influyente, si se emplea volúmenes altos de

solvente con el objetivo de agotar el material vegetal, se dificultará la recuperación del

solvente y en consecuencia se incrementarán los costos de producción (Maldonado, 2006).

2.7.2.1.4 Temperatura

La temperatura de extracción debe seleccionarse de tal manera que se obtenga el mejor

balance de solubilidad, presión de vapor del disolvente, difusividad del soluto, selectividad

del disolvente y sensibilidad del producto. En algunos casos puede ser significativa

sensibilidad a la temperatura de los materiales de construcción, relacionada con el ataque

por corrosión o erosión (Perry, 1993).

23

2.7.2.1.5 Naturaleza del solvente

El disolvente debe ser selectivo, con respecto al soluto a extraer sirviendo como base la

regla “semejante disuelve a semejante”, además existen algunos criterios de selección que

deben ser tomados en cuenta (Coca, 2007):

Selectividad: El solvente escogido deberá ser altamente selectivo, considerando que la

pureza del extracto recuperado determinará las etapas de purificación necesarias. .

Estabilidad térmica: El solvente debe ser estable a la temperatura de proceso, a fin de

evitar pérdidas y costos elevados de purificación.

Riesgos: El solvente no debe ser tóxico ni peligroso, no inflamable ni explosivo.

Costos: El solvente fresco debe ser relativamente barato y de fácil disponibilidad.

2.7.2.1.6 Tiempo de extracción

El tiempo de extracción se determina experimentalmente en función del solvente y del equipo

seleccionado. Esta variable es resultante de todos los factores mencionados previamente. El

tiempo de extracción debe ser suficiente para permitir la separación de los compuestos de

interés, aunque se debe prestar cuidado para que no sea excesivo. Prolongar el tiempo de

extracción más allá del estrictamente necesario, no influye en el proceso negativamente,

pero si influye en los costos de consumo de energía y de mano de obra no necesaria, lo que

acarrea un encarecimiento del proceso industrial (Sharapin, 2000).

2.7.3 Filtración de los extractos

El objetivo es retirar el residuo de vegetal que a veces queda presente en los extractos así

como el material indeseable formado durante el proceso de concentración. Mientras la

percolación da como resultado generalmente extractos límpidos. El proceso de maceración

generalmente involucra el paso de las partículas finas del material vegetal al extracto

(Sharapin, 2000).

La manera más simple de separar los sólidos indeseables del extracto es la sedimentación o

decantación, que consiste en dejar la suspensión en reposo hasta que las partículas solidas

se depositen en el fondo del recipiente. El sobrenadante límpido se separa haciendo sifón

(Sharapin, 2000).

24

2.7.4 Concentración o evaporación

Entre los propósitos de la evaporación a escala industrial se distinguen: (Coca, 2007).

• Reducción del volumen para economizar en costos de empaque, transporte y

almacenaje.

• Obtener un producto en su forma más útil.

• Eliminar pequeñas impurezas

• Retirar grandes contaminantes del producto

• Concentrar una corriente del proceso para recuperar recursos

• Recuperar agua o solventes, de corrientes impuras.

Cuando se estudia el uso de la evaporación en un proceso, ha de tomarse en cuenta las

características del liquido, entre ellas la concentración pues a medida que ella aumenta el

comportamiento del fluido se aleja a aquel del solvente puro; la formación de espuma; la

sensibilidad a la temperatura, que determinará la temperatura máxima a la que se debe

efectuar la concentración; la formación de costras y la corrosión de los materiales de

construcción del equipo (Coca, 2007).

2.7.5 Secado

La operación de secado consiste en retirar el agua u otros solventes y se lleva a cabo

cuando se quiere obtener extracto seco, que ofrecen ventajas particulares como la

estabilidad química y mayor facilidad de almacenamiento y transporte. Los extractos secos

normalmente presentan una menor carga bacteriana en relación con otros tipos de extractos,

pudiendo ser esterilizados con radiación gama. Al igual que en la operación de concentración

de extractos, las sustancias termolábiles pueden ser destruidas durante el proceso; por

consiguiente las condiciones de secado deben ser establecidas teniendo en cuenta la

naturaleza de sus constituyentes (Sharapin, 2000).

Para el secado de los extractos acuosos, que contienen sustancias termolábiles, la

liofilización seria el proceso a escoger. El proceso consiste en congelar la solución a una

temperatura de aproximadamente -40ºC y colocar al vacío, para que ocurra la sublimación

del hielo. La liofilización prácticamente no afecta los constituyentes del extracto; no obstante

cuando el vacío es muy alto puede que ocurran perdidas de sustancias termolábiles.

Industrialmente el proceso más utilizado es la atomización (Sharapin, 2000).

25

2.7.5.1 Descripción

El secado por aspersión también llamado atomización, rocío o spray es ampliamente

utilizada en la industria procesadora de alimentos, polímeros, cerámicas, etc. Consiste en la

transformación de una materia en forma líquida en forma seca se logra mediante la

generación de gotas minúsculas que poseen una gran área superficial para la evaporación

de su humedad, el medio secante suele ser un gas caliente en gran volumen; con la

suficiente energía para completar la evaporación del líquido (Long, 1978). Es recomendable

para sustancias termolábiles que son capaces de resistir altas temperaturas durante un

tiempo corto (Sharapin, 2000).

El proceso no es utilizable para sustancias hidroinflamables. Los extractos hidro-alcohólicos

solamente pueden ser secados por atomización después de evaporar el alcohol del extracto

(Sharapin, 2000). La figura 2.7 muestra un secador por aspersión industrial.

Figura 2.7 Secadero por aspersión industrial.

Fuente: http://www.niro.com/niro/cmsdoc.nsf/webdoc/ndkw5zyc4b

2.7.5.2 Etapas del secadero por aspersión

Los componentes esenciales del secadero atomizador son:

A) Sistema de calentamiento y circulación del aire.

B) Atomizador

26

C) Cámara de secado

D) Sistemas de recuperación del producto

A) Calentador y circulación del aire: El mismo consta de un ventilador para impulsar el aire y

un quemador o un conjunto de resistencias eléctricas que se encargan de elevar la

temperatura del aire a la requerida (Vagn, 1984). Comúnmente se emplean calentadores de

vapor, solos o como suplemento de calentamiento indirecto por quemadores de gas natural o

combustibles líquidos. Los calentadores eléctricos raramente se usan, salvo en equipos a

escala de planta piloto (Brennan et al, 1998).

B) Atomizador: Se encarga pulverizar el producto generando gotas para mejorar el proceso

de evaporación (Vagn, 1984). En el secado por atomización es de la mayor importancia que

el producto líquido forme una niebla con gotículas de tamaño uniforme y de las dimensiones

deseadas y que se distribuya por todo el aire caliente. En estos secaderos suelen emplearse

tres tipos de atomizadores: atomizadores de presión, atomizadores centrífugos y

atomizadores de dos fluidos (Brennan et al,1998).

C) Cámara de secado Es donde se produce el contacto entre la gota y el aire caliente, debe

tener el tamaño requerido para que el tiempo de residencia de las gotas sea el requerido

para el secado (Vagn, 1984).

Para seleccionar un secadero para un determinado uso, lo mejor es la experimentación en

planta piloto, o ensayos en plantas a nivel industrial. En el secado de alimentos, rara vez se

utilizan secaderos atomizadores de funcionamiento en contracorriente, debido al riesgo de

que el calor dañe a los productos sensibles (Brennan et al, 1998).

Existen tres formas básicas de contacto aire-gota (Martínez, 2009):

Flujo paralelo. El asperjado y el aire caliente se introducen en la zona superior de la cámara

y viajan en la misma dirección a través del secador. El aire caliente contacta inicialmente a

las gotas atomizadas. Esto favorece a los materiales termolábiles, ya que éstos son

protegidos de las altas temperaturas por enfriamiento evaporativo.

Flujo a contracorriente. El aire de secado y el asperjado se mueven en direcciones

opuestas en la cámara de secado Debido a que las partículas secas se ponen en contacto

con el gas más caliente y el tiempo de exposición es mayor, el diseño se propone para

productos no termolábiles.

27

Flujo mixto. Este arreglo no se recomienda para productos termolábiles ya que las

partículas secas están en contacto con el aire más caliente, sin embargo se recomienda para

partículas gruesas en cámaras pequeñas, ya que la longitud del patrón de viaje de las

partículas es grande. Tipos de contacto aire-gota

D) Sistemas de recuperación del producto: Debe separar el producto seco del aire que se

expulsa a la atmósfera (Vagn, 1984). En algunos secaderos por atomización, el producto

seco cae al fondo de la cámara, de donde se descarga mediante rastrillos, tornillos sinfín y

válvulas rotatorias. Cuando el producto seco es termoplástico y/o higroscópico, se pueden

necesitar diseños especiales de las cámaras, que a veces implica dotarlas de paredes

enfriadas, escobas neumáticas y otros dispositivos que faciliten la descarga del producto

fluidos (Brennan et al,1998).

2.8 ANÁLISIS CUALITATIVO Y CUANTITATIVO DE ANTIO XIDANTES

2.8.1 Análisis cualitativo de flavonoides

2.8.1.1 Reacción de Shinoda

La reacción más usual para la detección de flavonoides en un extracto de planta es la

reacción de Shinoda: al extracto alcohólico o acuoso se le coloca un pequeño trozo de

magnesio y unas pocas gotas de HCl concentrado, el desarrollo inmediato de coloración es

indicativo de la presencia de: flavonas y flavonoles(amarillo a rojo), flavonoles ( rojo a

magenta), flavononas ( rojo, violeta, magenta, azul), isoflavonas (amarillo), flavanonas

yflavanoles (rosadas débiles);todos los flavonoides, excepto chalconas, auronas, e

isoflavonas dan positiva esta reacción.( Lock, 1997).

La reacción se da de la siguiente forma:

Figura 2.8 Reacción de Shinoda

+ (Zn / HCl cc)

Flavonoide Sal de flavilio (rojo)

Fuente: Ganoza, (2001).

28

En la reacción de Shinoda, el magnesio metálico es oxidado por el ácido clorhídrico

concentrado, dando como productos al hidrógeno molecular, que es eliminado en forma de

gas y el cloruro de magnesio, que es el que forma complejos con los flavonoides dando

coloraciones características. El magnesio divalente, actúa sobre el grupo carbonilo de dos

flavonas, produciendo una coloración roja, este aumento de intensidad es debido a que el

magnesio divalente intensifica la coloración por estar doblemente coordinado (Ganoza,

2001).

El hidrógeno generado produce por reducción el ión flavilio de color rojo escarlata (varía

desde el rosa muy débil hasta rojo escarlata).

2.8.1.2 Cromatografía en capa fina

La cromatografía en capa fina es un caso de cromatografía de reparto en la que los

componentes de una mezcla se separan por diferencia de solubilidad entre dos sistemas

disolventes. Los elementos del sistema cromatográfico son: soporte, fase estacionaria

(disolvente A), y fase móvil o eluyente (disolvente B). Es una técnica simple en cuanto al

equipamiento necesario (placa y tanque cromatográfico) y de fácil desarrollo. El parámetro

experimental asociado a la técnica es el Rf (coeficiente de reparto), relacionado con la

solubilidad relativa de un compuesto entre la fase estacionaria y fase móvil, y que depende

de su estructura química y su hidrosolubilidad.

La detección de flavonoides en ambas cromatografías, de papel y de capa delgada, puede

hacerse por el color que desarrollan en el revelador UV, apareciendo como manchas

fluorescentes azules, rosadas, naranjas, púrpuras y otras, las cuales se intensifican o

cambian de color luego de su exposición a vapores de amoniaco (Lock, 1997).

2.8.2 Análisis cuantitativo de antioxidantes

2.8.2.1. Determinación de antioxidantes por el méto do del radical DPPH

El fundamento de esta técnica consiste en la medición a 517 nm de la reducción del radical

estable 2,2 –difenil-1-picnil hidrazilo (DPPH) (Dechinella,2004).

La absorvancia característica de este radical que posee un color violeta intenso, disminuye

en presencia de antioxidante (AH) u otro radical (R). Es posible por lo tanto cuantificar la

capacidad captadora de radicales libres que poseen determinados compuestos mediante la

determinación del grado de decoloración que provocan a una disolución etanólica.

29

La reacción química consiste en que el radical libre DPPH sustrae un átomo de hidrógeno

proveniente de un donador (compuesto químico puro o extracto), producto de este cambio se

desarrolla un cambio de color, de violeta a amarillo, al disminuir la concentración del radical

libre; esta intensidad es leída en el espectrofotómetro después de 5 minutos de reacción. La

siguiente figura muestra la reacción del DPPH más el antioxidante:

Figura 2.9 Reacción del DPPH

2,2 –difenil-1-picnil hidrazilo (DPPH) 2,2 –difenil-1-picnil hidrazilo (DPPH-H)

(Violeta) (Amarillo)

Fuent: Muedas, 2008

N

N

NO2

NO2O2NNH

N

NO2

NO2O2N+ A-H + A*

CAPÍTULO 3

DESARROLLO EXPERIMENTAL

30

DESARROLLO EXPERIMENTAL

En este capítulo se explicará detalladamente los pasos que se siguieron para el desarrollo

del trabajo, que consistieron básicamente en la determinación de los parámetros óptimos de

extracción que posteriormente serán utilizados para el diseño de los principales equipos que

forman parte de la planta de extracción.

3.1 MATERIALES Y EQUIPOS

3.1.1 Materia prima

La materia prima es té verde de la variedad Camellia sinensis, proveniente de la zona del

Chapare esta especie es de origen Chino.

La materia prima utilizada seca y molida se adquirió de la Planta Agroindustrial PATUJÚ.

Figura 3.1 Hojas de té verde seco

Fuente: Planta Agroindustrial PATUJÚ.

3.1.2 Equipos y materiales de laboratorio

Por razones metodológicas se decidió empezar el presente capítulo con un detalle de los

materiales y equipos empleados en toda la parte experimental del trabajo.

La caracterización fisicoquímica de la materia prima y extracto se encuentran en el anexo A,

y en el capítulo 4.

Los equipos y materiales utilizados para el diseño experimental se muestran a continuación:

• Tanque de extracción , provisto de un reactor de 2L, agitador y controlador de

temperatura.

• Balanza PAG Oerlikon , industria suiza, capacidad 3000 ± 0,01 g.

• Rotavapor Shimadzu , para la recuperación del solvente.

31

• Espectrofotómetro, Perkin – Elmer Lamba 2 UV/VIS.

• Lámpara UV

• Hidrodestilador

• Tamizador vibratorio, Zonytest.

• Estufa termostatizada MLW, de industria alemana, capacidad de calentamiento de

hasta 100 ºC, para el secado de la torta de filtración.

Material de laboratorio

• Probeta graduada, de 25 ml, 100 ml y de 2000 ml.

• Vasos de precipitado, de 250 ml y de 500 ml.

• Matraces erlenmeyers, de 125 ml y de 250 ml.

• Matraz aforado de 25 ml.

• Embudos de filtración.

• Placas de sílica gel

• Cubeta de 3 ml para espectrofotómetro.

• Cubeta para cromatografía en capa fina.

• Termómetro de alcohol.

• Varilla de vidrio.

• Tubos de ensayo

• Picnómetro

• Viscosímetro de ostwald

• Micropipetas de 50-200 µl.

Reactivos

• Metanol.

• Acetato de etilo.

• Acetona.

• Cloroformo.

• Etanol.

• Magnesio.

• Ácido Clorhídrico.

• Ácido ascórbico p. a.

• Agua destilada.

• Solución de DPPH (2,2-difenil-1-picril-hidrazilo).

32

3.2 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA

3.2.1 Calidad de la materia prima

Para diagnosticar la calidad de la materia prima, se realizaron análisis fisicoquímicos y

microbiológicos (Anexo A), que fueron solicitados como servicio al Centro de Alimentos y

Productos Naturales (CAPN) de la Universidad Mayor de San Simón.

a) Análisis fisicoquímico

Se realizó un análisis fisicoquímico general de la materia prima, usando técnicas analíticas

estandarizadas, las cuales fueron la medición de:

• Extracto seco por el método gravimétrico de secado en estufa a 105° C, hasta peso

constate, mediante el método de ensayo AOAC (Association of official analytical

chemists).

• Cenizas Método gravimétrico, calcinación a 550 ° C, hasta peso constante, mediante

el método de ensayo AOAC (Association of official analytical chemists).

• Hidratos de carbono, Calculados por diferencia es decir, sustrayendo de 100 la suma

de humedad, proteína, grasa, y cenizas : Hidratos de carbono totales = 100 – (Hm +

Prot +Grasa + Cenizas)

• Valor energético

b) Análisis microbiológico

Los parámetros microbiológicos realizados a la materia prima fueron: recuento de bacterias

aerobias, e. coli, mohos y levaduras tomando como referencia de límite la Norma Española

según la reglamentación vigente, RD 1354/83 (Jerke et. al, 2000).

3.2.2 Densidad del té

Para el posterior dimensionamiento del extractor se midió la densidad de las hojas de té con

un matraz aforado de gran precisión. Consiste en evaluar la densidad de las partículas

sólidas midiendo el volumen de ocupado par las partículas en el matraz (Anexo B).

3.3 MOLIENDA Y ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO

La molienda se realizó en la Planta Agroindustrial PATUJÚ, con un molino de discos (figura

3.2) cuyas características se presentan en la tabla 3.1:

33

Tabla 3.1 Características del molino de discos

Característica Descripción

Marca Mavimal

Modelo Artesanal

Tipo Discos

Capacidad 100 kg/h

Motor 2 HP


Figura 3.2 Molino de discos

Fuente: Planta Agroindustrial PATUJÚ.

Se realizó el análisis granulométrico con el fin de determinar el tamaño promedio

predominante de la partícula en el molino de discos.

La muestra seca y molida se sometió a un análisis granulométrico en un tamizador

electrónico marca Zony Test, utilizando tamices analíticos estandarizados de diferentes

aberturas de tamiz, el tiempo de tamizado fue de 10 minutos. Este análisis se efectuó en un

tamiz vibratorio en el Centro de Tecnología Agroindustrial (CTA), cuyas características se

presentan en la tabla 3.2.y se muestra en la figura 3.3.

34

Tabla 3.2 Características del tamiz vibratorio

Característica Descripción

Marca Zonytest

Modelo RR-1920

Tipo Vibratorio

Capacidad 0,1 Kg

Velocidad 2500 golpes/min.

Tamices ISO 3310/1

Motor 1/4 HP


Figura 3.3 Tamiz vibratorio

Fuente: Centro de Tecnología Agroindustrial (C.T.A.)

3.4 CONTENIDO DE ACEITES ESENCIALES

El contenido de aceites esenciales se realizó en el centro de Tecnología Agroindustrial

utilizando el método de hidrodestilación. Primero se colocó la materia prima seca en un balón

de base redonda provista de un manto calefactor como se ve en la figura 3.4, luego se llenó

con agua destilada hasta cubrir la muestra, y por último se procedió a la destilación.

35

La masa de té verde que se utilizó fue de 361.4 g con lo cual se determinó la cantidad de

aceite esencial y su rendimiento, en un tiempo de cinco horas y media de destilación.

Figura 3.4 Hidrodestilador


3.5 PROCESO DE EXTRACCIÓN

Este proceso es sin duda el más importante de todas las operaciones unitarias en la

obtención de extracto de té verde, ya que este define el rendimiento del extracto, es por eso

que le daremos mayor detalle analizando su comportamiento frente a diferentes parámetros.

Este proceso se realizó en el Centro de Tecnología Agroindustrial (C.T.A.).

El proceso de extracción se siguió mediante la determinación de la cantidad de

antioxidantes.

El sistema extractivo consiste en un tanque agitado de capacidad 2L con control de

temperatura y agitación como se muestra en la figura 3.5, donde se colocó una relación

adecuada de solvente y materia prima. La extracción se realizó de acuerdo al orden y valores

establecidos para las variables en el diseño factorial (tabla 3.4), durante 20 min.

Al término de cada extracción se separó el solvente de los sólidos semiagotados por

filtración, la extraccion con agitación

36

Figura 3.5 Equipo de extracción con agitación


3.5.1 Planificación y diseño experimental

Las variables que afectan en el proceso de extracción se presentan en la siguiente figura:

Figura 3.6 Variables del proceso de extracción

Agitación Rendimiento

Temperatura de

Relación solvente/ muestra Extracción


En la Fig. 3.6, no se observa la variable tiempo de extracción. En primera instancia para que

el diseño experimental sea mucho más puntual en cuanto a las variables de: agitación,

temperatura y relación solvente/muestra, el tiempo se decidió mantener constante para todas

las pruebas hasta obtener las condiciones óptimas de proceso y posteriormente realizar la

cinética de extracción para determinar el tiempo óptimo de extracción en esas condiciones.

EXTRACCIÓN

SÓLIDO - LÍQUIDO

37

3.5.1.1 Determinación de condiciones óptimas de ext racción

Para la determinación de las condiciones óptimas de extracción se seleccionaron 3 factores

importantes que tienen una gran influencia en el rendimiento, estos factores al interaccionar

entre sí pueden mejorar la extracción y aumentar su rendimiento, para evaluar estas

variables, se realizaron varios ensayos variando los factores en dos niveles de estudio.

Los factores elegidos fueron:

• Temperatura de extracción

• Velocidad de agitación

• Relación masa/solvente

3.5.1.2 Diseño experimental

De acuerdo a lo expuesto en los puntos anteriores se correrá un diseño factorial 23 con dos

réplicas.

Para poder aplicar los diseños experimentales, en las pruebas se utilizó la siguiente

codificación en las tres variables seleccionadas:

X1 = Temperatura [ºC]

X2 = Agitación [rpm]

X3 =Relación masa / solvente [m/v]

En la Tabla 3.3, se presentan los niveles elegidos para cada una de estas variables:

Tabla 3.3 Niveles seleccionados para las variables del proceso de

extracción

Variables Valor inferior ( -) Valor Superior(+)

Temperatura (ºC) X1 40 60

Agitación (rpm) X2 200 400

Relación masa / solvente (m/v) X3 1:30 1:10

Fuente: Elaboración propia

Todas las muestras se realizaron bajo un tiempo de extracción de 20 minutos. La relación de

masa/solvente para 1:10 fue de 50 g en 500 ml de agua tratada y para 1:30, fue de 50 g en

1500 ml en de agua tratada.

38

En la tabla 3.4, se presenta el número y la secuencia de las experiencias que se

desarrollará, tomando en cuenta las combinaciones de niveles entre variables adoptadas.

Tabla 3.4 Matriz de pruebas experimentales para la extracción

Nº X1 X2 X3 Yi1 - - - Y12 + - - Y23 - + - Y34 + + - Y45 - - + Y56 + - + Y67 - + + Y78 + + + Y8


Donde: (-),(+) son los límites superior e inferior de experimentación, correspondientes al

diseño factorial 23, donde el número de experimentos es: 23 = 8. Finalmente Yi es la variable

de respuesta que representa a la cantidad de antioxidantes que se expresa en Equivalentes

(mg Ac. Ascórbico/g té verde).

3.5.2 Cinética de extracción

Para la optimización de la extracción se procedió a analizar el tiempo óptimo de extracción.

Después de realizar el diseño experimental, encontrando los mejores parámetros de

extracción se procedió a realizar las pruebas de cinética de extracción para encontrar el

tiempo óptimo de extracción de antioxidantes, posteriormente ajustando los valores a

diferentes ecuaciones.

Este proceso se siguió mediante la determinación de la concentración de alícuotas tomadas

a diferentes tiempos de extracción.

3.5.3 Extracción hasta agotamiento

Para determinar el número de etapas de extracción óptimo se realizó una prueba de

extracción bajo las mismas condiciones de la cinética de extracción. Después de cada etapa

se separaron los sólidos semiagotados y se sometieron a una nueva extracción con las

mismas condiciones iniciales. Esta operación se realizó hasta agotamiento de la materia

prima. Posteriormente se cuantificaron cada uno de los extractos para determinar la cantidad

39

de antioxidantes presentes en el té. El tiempo de cada una de las pruebas fue el determinado

en la cinética de extracción.

3.6 SEPARACIÓN DE SÓLIDOS INSOLUBLES

Para poder separar los sólidos agotados de té verde del extracto se procedió a decantación

y filtración en papel filtro. Los sólidos agotados (torta del filtrado) separados en la

decantación fueron pesados. Y los sólidos insolubles que quedaron en el papel filtro fueron

secados en un secador y pesados.

El volumen obtenido de extracto con sedimento después de la decantación y el extracto

filtrado fueron pesados en una probeta. Se determinó la densidad y viscosidad del extracto

filtrado con el picnómetro y el viscosímetro de ostwald (ambos detallados en el anexo B),

que posteriormente se utilizaron en el diseño de equipos.

El secado de los sólido insolubles se realizaron en una estufa termostatizada detallada en el

punto 3.1.

3.7 CONCENTRACIÓN DEL EXTRACTO

La concentración del extracto se efectuó con ayuda de un rotavapor de la marca Fissaton

(fig. 3.7) operando a presión reducida a una temperatura de 45-50 ºC para evitar la

degradación térmica del producto. El extracto se concentró hasta 40 ºBrix y se guardaron en

frascos de vidrio tipo ámbar. Se pesó el extracto obtenido calculando su rendimiento y el

solvente evaporado.

El rotavapor está formado por un baño termostatizado, un condensador de vidrio, un

criostato que funciona con etilenglicol como refrigerante, además de una bomba de vacío

para reducir la presión y de esta manera reducir la temperatura de ebullición del solvente a

evaporar.

40

Figura 3.7 Rotavapor: Equipo empleado para la conc entración del extracto


Las condiciones de evaporación fueron:

Temperatura =45-50 ºC

Agitador del rotavapor = 60 rpm

3.8 CARACTERIZACIÓN DEL EXTRACTO

3.8.1 Caracterización del extracto obtenido

Se caracterizó el extracto concentrado, donde se valoraron los atributos de color, olor, sabor,

solubilidad, densidad, viscosidad y rendimiento de antioxidantes.

3.8.2 Cuantificación de antioxidantes

Se determinó la capacidad antioxidante del extracto de té verde, en el Centro de Alimentos y

Productos Naturales (C.A.P.N.), mediante el ensayo del DPPH, como lo describen Liuet al.

(2009) y Kubola (2008), utilizando acido ascórbico como patrón, el método consiste en que

este radical 2,2-difenil-1-picril-hidrazilo (DPPH) tiene un electrón desapareado y es de color

azul-violeta que presenta un máximo de absorbancia de 517 nm, decolorándose a amarillo

pálido por la presencia del antioxidante por lo tanto la decoloración del radical es

proporcional a la concentración de antioxidante. Al disminuir la concentración del radical libre

esta intensidad fue leída en el espectrofotómetro después de 5 min de reacción.

La curva patrón se realizo a diferentes concentraciones de 0, 20, 60, 100, 140 y 200 ppm de

ácido ascórbico. Las figuras muestran: el espectrofotómetro (fig. 3.8) ,las soluciones de

DPPH (fig. 3.9) y la solución de DPPH más el antioxidante (extracto de té y ácido ascórbico)

41

(fig. 3.10) que actúa como antioxidante observándose una decoloración de violeta a amarillo

por la presencia del antioxidante.

Figura 3.8 Espectrofotómetro

Fuente: Centro de Alimentos y Productos Naturales (C.A.P.N.).

Figura 3.1 Solución preparada de DPPH

Fuente: Centro de Alimentos y Productos

Naturales (C.A.P.N.).

Figura 3.2 DPPH más antioxidante

Fuente: Centro de Alimentos y Productos

Naturales (C.A.P.N.).

3.8.3 Determinación cualitativa de flavonoides

El análisis cualitativo de flavonoides en el extracto, comprenden la reacción de Shinoda y la

prueba por cromatografía en capa fina que permite la detección de flavonoides.

a) Reacción de Shinoda

Permite reconocer la presencia de flavonoides en un extracto de un vegetal. La alícuota del

extracto disuelta en etanol caliente se diluye con 1 ml de ácido clorhídrico concentrado y un

pedacito de cinta de magnesio metálico. Después de la reacción se espera 5 minutos, el

ensayo se considera positivo, si la solución produce colores rosas hasta rojos escarlata, es

señal de la presencia de flavonoles, flavanonas, flavanonoles y xantonas. Las chalconas y

42

auronas dan colores rojos inmediatamente al agregar el ácido. Las flavanonas y flavanoles

no producen color o producen coloraciones rosadas débiles (Domínguez, 1973).

b) Cromatografía en capa fina

Esta técnica se llevó a cabo sobre una placa de sílica gel, utilizando acetato de etilo:

metanol: agua (100:13.5:10) como fase móvil. Los componentes del extracto se visualizaron

por medio de un revelador químico en este caso el Neo para identificación de flavonoides.

Esta técnica también puede llevarse a cabo utilizando como fase móvil la siguiente

combinación de solventes: Cloroformo-Acetona (5:5).

La presencia de flavonoides muestra una fluorescencia que puede ir de amarillo-verde al

azul dependiendo del tipo de estructura de los flavonoides (Álvarez, 2012).

La identificación de las manchas se realizaron comparando la migración de éstas con la de

compuestos de referencia autentificados. En TLC cada componente es definido por su valor

de Rf (relación del flujo o factor de retención), que corresponde a su migración relativa

comparado con el solvente:

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS

43

ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA

4.1.1 Calidad del té

a) Análisis fisicoquímicos

Los resultados del análisis fisicoquímico se describen en la tabla 4.1:

Tabla 4.1 Composición nutricional del té verde

Parámetro UNIDAD Valor por 100 ml de extracto

(g)

Método de ensayo,

referencia

Normas o

rangos

Extracto seco g 0.32 AOAC Mét. 14,004 14ª Ed. -----

Cenizas g 0.02 AOAC Mét. 14,006 14ª Ed. -----

Hidratos de carbono totales g

0.30 TCAB, Bolivia (1984) -----

Valor energético Kcal 1.20 TCAB, Bolivia (1984) -----

Nota.- Los resultados obtenidos son de la infusión por cinco minutos de dos gramos de muestra en 200 mililitros de agua hervida.


El extracto seco nos dio un resultado de 0.32 g por 100 ml de extracto que se encuentra por

encima del mínimo aceptado por las normas Argentinas del té (Anexo G).

El contenido de cenizas fue de 0.02 g por 100 ml de extracto, se encuentra por debajo del

máximo aceptado por las normas Argentinas del té (Anexo G).

b) Análisis microbiológico

Los parámetros microbiológicos realizados a la materia prima fueron: Recuento de bacterias

aerobias, E. coli, mohos, levaduras, tal como se muestra en la tabla 4.2:

44

Tabla 4.2 Análisis microbiológico

*(UFC/g: Unidades Formadoras de Colonia por gramo de Muestra. NB: Norma Boliviana NE: Norma Española para infusiones


Como se puede observar los resultados en el análisis microbiológico se encuentran dentro

de los parámetros microbiológicos exigidos por la Norma Española según la reglamentación

vigente, RD 1354/83 (Jerke et. al, 2000).

4.1.2 Densidad del té

La densidad promedio de las hojas secas del té fue de 1.076 g/ml (Anexo B).

4.2 ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO

Se evaluó el molino considerando el tamaño de partícula obtenido.

Los resultados del tamizaje se presentan en la tabla 4.3 y la figura 4.1:

Nº DE NORMA DE ENSAYO Parámetro de ensayo

M-01 Resultados

*(UFC/g) Límite Max.

(por g)

Norma de referencia de limite

Recuento:

NB-32003 B. aerobias mesófilas

<10 1*10 6 NE

NB-32005 E. coli 0 1*10 4 NE

NB-32006 Mohos 9*10 1 1*10 4 NE

Levaduras 0 1*10 4 NE Detección :

NB-32007 Salmonella Ausencia/

25g Ausencia/

25g NE

45

Tabla 4.3 Distribución de tamaño de partículas

Luz de Malla [mm] Media del % Retenido

850 17,5

600 21

500 31,5

425 21,5

300 17

250 16

180 11,5

150 8,5

0 5,5


Figura 4.1 Distribución de tamaño de partícula


De acuerdo a la representación gráfica de los resultados el tamaño de partícula que

predomina oscila entre 400 y 600µm.

La tabla 4.4 muestra cual es el diámetro de partícula del té verde calculada a partir de la

ecuación presentada a continuación:

Dp= ∑(m*f)/∑m

Donde:

Dp: diámetro de partícula (µm).

m: masa retenida (g).

0

10

20

30

40

0 200 400 600 800 1000% d

e p

eso

re

ten

ido

Luz de Malla (µm)

46

f: apertura de malla (µm).

Tabla 4.4 Diámetro de partícula del té verde

Nº Prueba Diámetro de

partícula (µm)

1 430.03

2 434.07

Promedio 432.05


Por lo tanto el tamaño promedio predominante de partículas del té verde es de 432 µm.

4.3 CONTENIDO DE ACEITES ESENCIALES

Después de 5 horas y media de destilación, se determinó que la cantidad de aceite esencial

del té verde es de 0.24 ml, con un rendimiento de 0.066 % (v/m), lo que significa que el té

verde no contiene aceites esenciales, razón por la cual no se pudo realizar el gráfico

volumen vs tiempo.

4.4 RESULTADOS DE LA EXTRACCIÓN

4.4.1 Resultados del diseño de pruebas experimental es

En la Tabla 4.5 se presentan los resultados de las pruebas experimentales de extracción

para 50 g de materia prima.

Tabla 4.5 Tabla Resultado de las pruebas experiment ales

Nº X1 X2 X3 Antioxidantes (mg/g té)

1 - - - 3.14 2 + - - 5.02 3 - + - 4.61 4 + + - 5.80 5 - - + 3.94 6 + - + 5.77 7 - + + 4.87 8 + + + 5.97


47

Las ocho pruebas experimentales de la tabla 4.5, corresponden a los valores obtenidos con

el diseño experimental, donde dicha variable de respuesta es la concentración de

antioxidantes Yi.

4.4.1.1 Análisis e interpretación de resultados del diseño factorial

Con los datos presentados en la tabla 4.5 se realizó el análisis estadístico de los efectos

individuales y colectivos de las variables, utilizando como herramienta el programa

estadístico SAS SYSTEM 9.2, los resultados se detallan a continuación:

Tabla 4.6 Efectos estimados de las variables y sus interacciones

Term Estimate Std Err t Pr > |t| T 1.5 0.01 150 0.004244 R 0.845 0.01 84.5 0.007534 V 0.495 0.01 49.5 0.012859 T*R -0.355 0.01 -35.5 0.017928 T*V -0.035 0.01 -3.5 0.177171 R*V -0.28 0.01 -28 0.022727

Fuente: Programa Estadístico SAS SYSTEM 9.2

La tabla 4.6 muestra los valores obtenidos para cada uno de los efectos estimados para

cada variable, además de las interacciones entre las mismas, así como el error estándar de

cada uno de estos efectos.

Figura 4.2 Efectos de las variables principales


La figura 4.2 muestra que un incremento de la temperatura de 40 a 60ºC, así como el

incremento de la relación materia prima/ solvente de 1:30 a 1:10 y la velocidad de agitación

de 200 a 400 rpm aumenta el rendimiento de antioxidantes en el extracto acuoso.

48

Figura 4.3 Efecto de la interacción de las variable s de proceso


La figura 4.3 muestra las interacciones entre las variables del proceso, se aprecia una

interacción con la temperatura y la relación masa/solvente y la interacción de velocidad y

relación masa/solvente, mientras que las otras variables no muestran interacción.

Tabla 4.7 Análisis de varianza para el rendimiento de antioxidantes

Source DF SS MS F Pr > F T 1 4.5 4.5 22500 0.004244 R 1 142.805 142.805 7140.25 0.007534 V 1 0.49005 0.49005 2450.25 0.012859 T*R 1 0.25205 0.25205 1260.25 0.017928 T*V 1 0.00245 0.00245 12.25 0.177171 R*V 1 0.1568 0.1568 784 0.022727


La tabla 4.7 muestra el análisis de varianza que muestra la significancia estadística de cada

efecto respecto a la cantidad de antioxidantes presentes en el extracto acuoso, comparando

su cuadrado medio contra un valor estimado del error experimental. Además se encontró que

la interacción de temperatura y relación masa solvente, con un valor de probabilidad de

0.017928 a un nivel de confianza de 95% es una de las variables más significativas del

proceso, la otra es la interacción se da entre la relación materia prima/solvente y velocidad

de agitación con un valor de probabilidad de 0.022727 a un nivel de confianza del 95%, no

se considera las variables principales debido a que presentan interacción entre sí y estas

predominan su efecto sobre las principales.

49

4.4.2 Cinética y tiempo de extracción

Se utilizaron las siguientes condiciones: temperatura de 60 ºC, agitación de 400 rpm y una

relación de solvente/muestra de 1:10 (m/v), a partir de 50 g de materia prima. Estas

condiciones se eligieron de acuerdo a los resultados que se presentaron en el diseño

experimental.

En la Tabla 4.8, se presentan los resultados en términos de equivalente de acido ascórbico

para muestras que se recogieron a diferentes tiempos.

Tabla 4.8 Resultados experimentales para la cinétic a de extracción.

Peso (g)

Tiempo (h)

Eq. (mg Ac. Ascórbico/g

té verde) Rendimiento

(%)

0.3050 0.17 5.47 4,36

0.3060 0.333 5.97 4,76

0.3570 0.5 8.88 7,08

0.3537 1 17.94 14,30

0.3074 2 15.25 12,16

0.3073 3 13.47 10,74

0.3037 4 12.75 10,17

0.3010 5 12.32 9,81

0.3050 6 11.81 9,42

0.3068 7 11.04 8,80

0.3060 8 10.54 8,40 Fuente: Elaboración propia.

Para determinar la cinética de extracción ajustamos los valores a diferentes ecuaciones:

4.4.2.1 Ecuación cinética de segundo orden

= 1( − )

Linealizando la función se tiene: 1 = −

Donde: A y B son constantes

50

Y= Eq (mg Ac. Ascórbico/g té verde).

t= tiempo de extracción (h).

4.4.2.2 Cinética tipo Michaelis Menten

Es una cinética cuyo comportamiento es de orden cero al principio y de primer orden al final

del proceso.

y=Yinf*tb+t

Linealizando la función se tiene:

1y

=b

Yinf*t+

1Yinf

1Y = A + Bt

B=b

Yinf; A=

1Yinf

Donde:

A y B son constantes.



B= constante obtenida de la linealización.

Yinf= rendimiento que se obtendría a tiempo infinito, se obtiene de la linealización.

4.4.2.3 Cinética tipo isoterma de Langmuir

Cuya ecuación en términos generales se puede describir de la siguiente forma:

y=a*t

b*t+c

Linealizando la ecuación se tiene:

ty

=ca

+ba

*t

Y=A+B*t

51

Y=ty

; A=ca

; B=ba

Donde:


a, b, c= constantes.


Los datos experimentales fueron ajustados a estas 3 ecuaciones que se detallan en el

ANEXO C, de los resultados obtenidos se concluye que los datos se ajustan mejor a una

cinética del tipo isoterma de Langmuir, los resultados de las constantes se detallan a

continuación:

Tabla 4.9 Constantes cinéticas de extracción

Temperatura A B r

60 ºC - 0.012 0.089 0.999


Los datos experimentales y los datos ajustados por la ecuación cinética se muestran en los

gráficos siguientes:

Figura 4.4 Curva experimental para la cinética de e xtracción


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,17 0,333 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8

Eq

(m

g A

c. A

sco

rbic

o/g

té

ve

rde

)

t (h)

52

Figura 4.5 Curva de ajuste para la cinética de extr acción


Se observa que la curva de datos experimentales (Fig.4.4) y ajustados (fig. 4.5) tienen la

misma tendencia, es decir que existe un tiempo para el cual el rendimiento de la extracción

es máximo después del mismo el rendimiento va decreciendo paulatinamente, esto se debe

a que los antioxidantes se degradan al ser sometidos a temperaturas elevadas durante un

tiempo prolongado. El tiempo requerido para extraer la mayor cantidad de antioxidantes es

de 1 h.

4.4.3 Determinación del número de extracciones

Para determinar el número de etapas de extracción óptimo se realizó una prueba de

extracción bajo las mismas condiciones de la cinética de extracción, es decir, extracción por

agitación con agua a 60ºC, relación masa/solvente de 1:10, velocidad de agitación de 400

rpm y tiempo de extracción de 1hora por etapa, al finalizar este periodo de tiempo los sólidos

semiagotados se sometieron a una nueva extracción con las mismas condiciones iniciales.

Esta operación se realizó hasta agotamiento de los sólidos insolubles. Los extractos

obtenidos fueron cuantificados y los resultados se muestran en la tabla 4.10 y figura 4.6. De

acuerdo al gráfico se observa que durante la primera extracción el porcentaje de

antioxidantes es muy elevado, en la segunda y tercera etapa los rendimientos son bajos.

Tabla 4.10 Extraccion hasta agotamiento

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,17 0,333 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8

t/E

q

tiempo (h)

Figura 4.7 Extractos obtenidos a diferentes

B) Segunda etapa de extracci


10

15

20

% R

en

dim

ien

to

53

Nº de

extracciones

Rendimiento

Antioxidantes (%)

1 15.8

2 2.4

3 0.8


Figura 4.6 Numero de etapas


Extractos obtenidos a diferentes etapas. A) Primera etapa de extracci

B) Segunda etapa de extracci ón. C) Tercera etapa de extracci

A) B) C)


0

5

10

15

20

Nº de etapas

% R

en

dim

ien

to

etapas. A) Primera etapa de extracci ón.

n. C) Tercera etapa de extracci ón.


54

Al cuantificar los antioxidantes en las diferentes etapas se determinó que el proceso de

extracción debe contar solo con una etapa, debido a que se obtienen bajos rendimientos de

antioxidantes en las demás etapas.

4.5 SEPARACIÓN DE SÓLIDOS INSOLUBLES

Mediante la decantación y filtración se logró eliminar los sólidos insolubles presentes en el

extracto. Los sólidos agotados secos pesó 292.53 g. El peso del extracto al finalizar la

extracción fue de 257.47g y el peso del extracto después de la filtración fue 254.74; casi

insignificante, logrando separar 2.73 g de impurezas que es el 1.06 %.

Mediante la determinación experimental de la densidad del extracto sin sedimento se obtuvo

una densidad de 1.0148 g/ml a 25 ºC (Anexo B).

4.6 CONCENTRACIÓN DEL EXTRACTO

El extracto obtenido fue concentrado en un rotavapor a una temperatura de 45 ºC para evitar

la degradación térmica del producto hasta una concentración de 40 ºBrix. Debido a la

capacidad del refractómetro utilizado se tuvo que hacer una dilución de 1:2 para realizar la

medición obteniéndose una lectura de 20 ºBrix. Se obtuvo 28.79 g de extracto a partir de 50

g de té con un rendimiento de la concentración fue de 57.58 % (p/p), se evaporó un 88.7 %

de agua.

4.7 CARACTERIZACIÓN DEL EXTRACTO

4.6.1 Características del extracto obtenido

En la tabla 4.11 se muestran las características del producto obtenido. El rendimiento se

refiere a la cantidad de antioxidantes extraídos durante una sola etapa. Los detalles de la

densidad y viscosidad se encuentran en el anexo B.

Figura 4.8 Extracto concentrado de té

55


Tabla 4.11 Características del extracto obtenido

Propiedad Extracto

Color Marrón oscuro

Presentación Extracto

Olor Característico

Sabor Astringente

Solubilidad Agua fría y caliente

Viscocidad 2.1 cp

Densidad 1.035 g/ml

Rendimiento 15.8 %


4.6.2 Cuantificación de antioxidantes

Para la determinación de la cantidad de antioxidantes se desarrolló el análisis cuantitativo

por el método del radical DPPH (utilizando ácido ascórbico como patrón) para determinar

antioxidantes. Los resultados se expresan en equivalentes (mg Ac. ascórbico/g té verde).

Los resultados generales expresados en la tabla 4.12 se describen en detalle en el anexo

A.7.

Tabla 4.12 Determinación de antioxidantes en té ver de

peso muestra (g) Absorbancia

Ácido ascórbico

(ppm)

Eq (mg Ac. Ascórbico/g

té verde)

Promedio Eq (mg Ac.

Ascórbico/g té verde)

0.364 0.091 41.2 18.5 17.9

0.345 0.087 40.89 17.3


4.6.3 Determinación cualitativa de flavonoides

4.6.3.1 Reacción de Shinoda

El té verde contiene una gran cantidad de flavonoides en especial los flavanoles (derivados

de los flavonoides) conocidos como catequinas por lo tanto se confirma la presencia de

56

flavonoides, donde se observa un cambio de color del extracto, a rojo pálido, dando un

resultado positivo, ya que todos los flavonoides con el núcleo benzopirona, (flavonas,

flavonoles, flavononas, flavanoles, etc.) reaccionan excepto chalconas, auronas, e

isoflavonas (Lock , 1997).

Figura 4.9 Reacción de Shinoda

Fuente: Centro de Tecnología Agroindustrial (C.T.A.).

4.6.3.2 Cromatografía en capa fina

Mediante el análisis cromatográfico en capa fina, teniendo en cuenta la polaridad de

flavonoides se obtuvo mejores resultados con el sistema de solventes: acetato de etilo:

metanol: agua (100:13.5:10) como fase móvil. La figura 4.10 presenta la placa luego de

revelada con Neo y siendo iluminada con luz ultravioleta a 365nm; se observó 5 manchas,

de color azul, anaranjado, amarillo, y verde menta. Los colores amarillos y naranjas indican

la presencia de flavonoides que pueden ser flavonas y/o flavonoles (Lock, 1988) y (Oviedo,

1977).

57


Tabla 4.13 Recorrido de manchas


Figura 4.10 Placa cromatográfica

iluminada con luz UV

Figura 4.11 Placa cromatográfica sin

iluminación con UV

Recorrido (mm) Rf Color

25 0.80 Azul

15 0.48 Amarillo

12 0.39 Anaranjado

7.5 0.24 Verde menta

2.5 0.08 Azul

58

4.8 CONCLUSIONES DE LA PARTE EXPERIMENTAL

De acuerdo a los resultados obtenidos en el diseño experimental, donde se hizo el estudio

de la influencia de variables en la extracción, tales como temperatura, agitación y relación

masa/solvente después de realizar un análisis estadístico, se encontró lo siguiente:

a) Para X1 (Temperatura):

Si existe aporte significativo en la variable de respuesta, sea 40ºC o 60ºC el valor de

temperatura.

b) Para X2 (Agitación):

Para una mayor agitación, también es el valor de la variable de respuesta.

c) Para X3 (relación masa/ solvente):

A una mayor cantidad de solvente, tenemos un aumento en el valor de la variable de

respuesta, también es significativa.

d) Para X1*X3(Temperatura*Relación masa/solvente):

Si elevamos la temperatura es necesario mayor cantidad de solvente.

e) Para X2*X3(Agitación* Relación masa/solvente):

A mayor cantidad de solvente es necesaria mayor agitación.

f) Para X1*X2 (Temperatura*Agitación)

A mayor cantidad de temperatura no es necesario aumentar la agitación.

De acuerdo al anterior análisis se vio que las condiciones más apropiadas para la extracción

son:

X1 = Temperatura [ºC] =60ºC

X2 = Agitación [rpm] = 400

X3 =Relación Relación masa/solvente [m/v] = 1:10

Tiempo = 1 hora

CAPÍTULO 5

DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO DE EXTRACCIÓN

59

DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO DE EXTRACCIÓN

En el presente capítulo se realizó el dimensionamiento de los equipos necesarios para

implementar una planta piloto de producción de extracto seco de té verde, los diseños se

basaron en las pruebas experimentales y los datos obtenidos en laboratorio.

Con tal motivo tomamos como dato 114 Kg/día de materia prima considerando 176 días

hábiles de trabajo al año.

5.1 TAMAÑO

La temporada de cosecha del té verde es de 8 meses, de agosto a abril. Por tanto se

procesarán 3467 Kg/año de extracto seco de té verde a partir de 20.000 Kg/año,

considerando que la planta trabajará 8 horas por día y 176 días al año.

5.2 LOCALIZACIÓN

La Planta Agroindustrial PATUJÚ se encuentra en Cochabamba, situada en la zona de

Ivirgazama en la provincia Chapare, donde proviene la materia prima, dispone de servicios

básicos como agua y energía eléctrica.

5.3 DIAGRAMA DE PROCESOS

Los diagramas presentados a continuación nos muestran un detalle de los equipos que

conforman el proceso (Figura 5.1), así como también el balance general de masa por día

(Figura 5.2).

60

Figura 5.1 Diagrama de los equipos

61

EXTRACCIÓN

114 Kg té verde

Agua 1140 Kg

587.12 Kg extracto con sedimento 46.8 %

666.88 Kg Torta, 53.18%

FILTRACIÓN

580.9 de extracto 98 %

6.22 Kg Sólidos insolubles 1.06 %

CONCENTRACIÓN 515.26 Kg Vapor de agua 88.7 %

SECADO

19.7 Kg Extracto en polvo

45.95 Kg agua 70 %

65.64 Kg extracto 11 %

Figura 5.2 Balance de masa

Hojas secas de té verde


62

5.4 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO

5.4.1 Extracción

El sistema de extracción consiste en un tanque agitado con chaqueta de calefacción. Las

condiciones de operación son las siguientes:

• Temperatura de extracción: 60 ºC

• Agitación: 400 rpm

• Relación de masa/solvente (p/p): 1:10

• Tiempo de extracción: 1 hora

• Solvente : Agua tratada

5.4.2 Filtración

Las partículas insolubles presentes en el extracto son separadas mediante un centrifugador

de canasta.

5.4.3 Concentración del extracto

La concentración del extracto se efectuará en un evaporador de película descendente hasta

un 40 % de sólidos solubles, a una temperatura de 50 ºC.

5.4.4 Secado

El secado del extracto se lo realizará en un secador por aspersión.

63

5.5 DISEÑO DE EQUIPOS

5.5.1 Diseño del extractor

El equipo consta de un tanque agitado con una chaqueta de calefacción para mantener la

temperatura constante, un agitador de turbina de seis placas planas como agitador que es

accionado por un motor y reductor de velocidad, y cuatro placas deflectoras. El extractor será

diseñado para que el total del té, sea extraído en dos lotes y de esta manera se evite el

taponamiento debido a la carga excesiva. La siguiente tabla muestra las características del

equipo:

Tabla 5.1 Características del equipo:


5.5.1.1 Diámetro del tanque:

[Ec.5.1]

Vtotal=π

4*Hté*Dt

2

Donde:

Vtotal: Volumen de té por lote (Anexo E.1.1)= 0.631m3

Hté: Altura de té (m).

Dtanque: Diámetro del tanque (m).

Tomando en cuenta un factor de seguridad del 30% (Brawnell, 1980). Tenemos dimensiones

finales del tanque:

Propiedad Valor Unidad Capacidad de materia prima 57 Kg Relación Masa/Solvente 1:10

Temperatura de extracción 60 ºC Tiempo de extracción 1 h Velocidad de agitación 400 rpm

64

[Ec.5.2]

HtDt

=1.3

Despejando Dt:

[Ec.5.3]

Dt=Ht1.3

Reemplazando [Ec.5.3] en [Ec.5.1], tenemos:

Ht = 1.1 (m3).

Reemplazando Ht en [Ec.5.3], tenemos:

Dt= 0.85 (m).

5.5.1.2 Diseño del agitador:

En la siguiente figura se muestran los factores de forma:

Figura 5.3 Factores de forma

Fuente: Geankoplis, (1998).

Según Geankoplis,(1998) se tiene las siguientes relaciones:

Da

Dt=

Dt

=1

J

Dt=

1

12

65

E

Dt=

1

3

W

Da=

1

5

L

Da=

Donde:

Da: Diámetro del agitador

Dt: Diámetro del tanque

H: Altura

J: Deflectores

E: Altura del agitador al fondo del tanque

W: Ancho de la turbina

L: Longitud de la turbina

Reemplazando en los factores de forma tenemos.

Da=0.283 (m).

E= 0.283 (m).

L= 0.071(m).

H= 1.1 (m).

J=0.071(m).

W= 0.057(m).

5.5.1.3 Consumo de potencia del agitador

[Ec.5.4]

Np=P

ρ*N3*Da5

Donde:

P: Potencia (watts).

Np: Número de potencia =4

ρ : Densidad de la mezcla (Anexo E.1) = 994,51Kg/m3

N: Velocidad de agitación = 400 rpm= 6.67 rps

Da: Diámetro del agitador = 0.283 m.

66

Calculamos el número de Reynolds:

Re=863450,34 Turbulento, luego se va a la gráfica para turbinas de 4 placas deflectoras

(Geankoplis, 1998) donde se obtiene Np=4.

Tenemos una potencia igual a:

[Ec.5.5]

Np*ρ*N3*Da5=P

P= 2.139Kw

P= 3Hp

5.5.1.4 Consumo de calor en el tanque

5.5.1.4.1 Cálculo del coeficiente global de transfe rencia de calor limpio U

El coeficiente global de transferencia está dado por:

[Ec.5.6]

1Uc

=1he

+∆xk

+1hi

Donde:

hi: Coeficiente de transferencia de calor interno (Anexo E.1.2) = 8127,422 w/m2*k

he: El coeficiente de transferencia para vapor condensado dentro la chaqueta (Paz, 2002)

= 8512.12 w/m2*k

K: Conductividad térmica (acero inoxidable 304) = 16,3W/m* K

∆x: Espesor = 0.002 m

Reemplazando datos se tiene:

Uc= 2753,159 w/m2*k

67

5.5.1.4.2 Coeficiente de transferencia de calor suc io

Tomando en cuenta el factor de obstrucción R d, que contempla la formación de escamas o

ensuciamiento, y el coeficiente global limpio Uc, se calcula el coeficiente global total UD:

[Ec.5.7]

1UD

= 1Uc

+RD Donde:

Uc: Coeficiente global de transferencia de calor limpio=2753,159w/m2*k

Rd: Factor de obstrucción 0.0005h *pie2°F/Btu= 8.81*10-5m2*K/w

Rd: Factor de obstrucción total 0.001 h *pie2°F/Btu =1.7617*10-4 m2*K/w

UD= 1853.949 w/m2*k

5.5.1.4.3 Cálculo del tiempo de calentamiento

Cálculo del flujo de calor:

El flujo de calor necesario para elevar la temperatura de 20 °C a 60 °C, se calcula con la

siguiente ecuación:

[Ec.5.8]

Q=UD*A*∆Tml

Q: Flujo de calor necesario (Kcal/h)

UD: Coeficiente global de transferencia de calor sucio (w/m2*k)

A: Área total de transferencia de calor (Anexo E.1.3) (m2)

∆Tml: Media logarítmica de la diferencia de temperatura= 50.38 k

El flujo de calor necesario es:

Q= 380145.9 w

Q= 327085.38 Kcal/h

68

Cálculo del calor perdido por convección:

[Ec.5.9]

Qpérdidas=h*A*(Tw - Tb)

Donde:

Qpérdidas: Calor perdido Kcal/h.

h: Coeficiente convectivo para el aire (Anexo E.1.4) = 3,97 w/m2*K

A: Superficie de las paredes expuestas al aire m2.

Tw: Temperatura de la pared = 93 ° C=366 K.

Tb: Temperatura general del aire=25 °C= 298 K.

Todas las propiedades físicas para el aire, se extrajeron del anexo 3-3 del Geankoplis,

evaluadas a la temperatura general del aire Tf=(93+20)/2=56.5°C= 239.5 K.

Con los datos anteriores, el calor perdido por convección es:

Qpérdidas= 944,6 Kcal/h.

Cálculo del calor total necesario para el calentami ento del líquido

QT= Qpérdida + Q

QT=328029.98 Kcal/h.

Cálculo del flujo de calor necesario:

[Ec.5.10]

QTotal= ṁvap* λvap

Donde:

QTotal: Calor total necesario para el calentamiento del líquido (Kcal/h)

ṁvap: Flujo de vapor Kg/h.

λvap: Calor latente a 93 °C= 543.82 Kcal/Kg.

ṁvap= 603.19 Kg/h

69

Reemplazando se tiene:

Q total= 328029.98 Kcal/h

5.5.1.4.4 Cálculo del tiempo de calentamiento

El extractor estará provisto de una camisa de calefacción que utiliza vapor de agua saturado

que entrega calor latente de vaporización.

La ecuación para estimar el tiempo de calentamiento del agua para la extracción, desde

temperatura ambiente hasta una temperatura de 60 °C, corresponde a recipientes

enchaquetados usando vapor de agua como medio calefactor.

[Ec.5.11]

Ln Ts-T1

Ts-T2 =

UD*A*tM*Cp

Donde:

Cp: Calor especifico del agua a 60 ° C =4,178KJ/Kg*K

T1: Temperatura inicial del agua= 25 ºC

T2: Temperatura final del agua= 60 ºC

TS: Temperatura del vapor saturado= 93 ºC

M: Masa de agua= 570 Kg

UD: Coeficiente de transferencia de calor sucio= UD= 1853.949 w/m2*k =6674.2KJ/h*m2* K

A: Área total de transferencia de calor= 4.07 m 2

Por lo tanto el tiempo de calentamiento resulta ser:

t= 0,058209374h.

t= 3,8 min.

70

5.5.2 Diseño del centrifugador

Cuando se usa centrífuga para una sedimentación (separación de partículas por

asentamiento), una partícula de cierto tamaño puede separarse del líquido en la taza cuando

su tiempo de residencia en dicha taza es suficiente para que la partícula llegue hasta la

pared.

La modelización de la filtración en centrifugas es compleja y los modelos teóricos no

permiten predecir con precisión las características de la filtración. Esto es debido a que el

área para el flujo y la fuerza impulsora se incrementan con la distancia al eje y la resistencia

de la torta también varía.

Las características más importantes de la centrífuga se detallan en la siguiente tabla:

Tabla 5.2 Características del equipo

Símbolo Propiedad Valor Unidad ω Velocidad máxima 700 rev/min m Carga máxima 154.4 Kg P Capacidad del motor 7.5 hp Vc Volumen 0.176 m3 Ω Velocidad angular 104.72 rad/s

Fuente: Perry,(1993)

Figura 5.4 Centrifuga canasta

Fuente: Geankoplis, (2006)

71

A partir de estos datos se puede calcular el diámetro y la altura de la centrífuga y tiempo de

residencia.

El volumen de la centrífuga se calcula mediante la siguiente ecuación (GeanKoplis, 2006):

[Ec.5.12]

Vc=π*b*r22-r1

2

Donde:

b: altura = 0.81m.

: Radio de la superficie de la capa del líquido

: Radio de la centrifuga

: 3*(Corrales, 1998):

: 0.27 m

r1: 0.09 m

El tiempo de residencia es igual a (GeanKoplis, 2006):

[Ec.5.13]

tT=18*µ

ω2* !ρp-ρ" *Dp2

*Lnr2

r1

Datos:

ρp: Densidad de partícula (Anexo B.1.2) =1076 Kg/m3.

ρ: Densidad del extracto (tabla B.2) = 1007.8 Kg/m3.

Dp: Diámetro de partícula (suposición) = 1,47*10-4 m.

µ: Viscosidad del extracto =2.55*10-3 Kg/ms

tT= 12.13 min.

5.5.3 Diseño del evaporador

Luego de la extracción y filtración es necesario concentrar el extracto, el equipo seleccionado

para el proceso de concentración es un evaporador de

tipo de evaporador es muy usado en la concentración de productos densos y sensibles al

calor, puesto que no deben ser expuestos mucho tiempo a la superficie caliente.

Es un equipo de bajo costo, fácil construcción y amp

requerir poco espacio y tener buenos valores de coeficientes de transmisión de calor.

Descripción del equipo

El equipo consiste básicamente de un duplo tubo de tubos circulares concéntricos. Por las

paredes del tubo interior circula el producto en forma descendente formando una película

delgada de líquido y con un movimiento

tubo, mientras que por la parte anular circula el medio de calefacción , en forma ascendente,

que puede ser vapor de agua

Figura 5.5 E

m1

m4

72

Diseño del evaporador

n y filtración es necesario concentrar el extracto, el equipo seleccionado

para el proceso de concentración es un evaporador de película descendente al vacío, este



Es un equipo de bajo costo, fácil construcción y amplia superficie de calefacción además de



interior circula el producto en forma descendente formando una película

quido y con un movimiento más rápido a medida que desciende por la pared del


que puede ser vapor de agua (Coca, 2010).

Esquema del evaporador de película de scendente

m3

Fuente: Geankoplis, (2006).

m2

m5

n y filtración es necesario concentrar el extracto, el equipo seleccionado

película descendente al vacío, este



lia superficie de calefacción además de



interior circula el producto en forma descendente formando una película

rápido a medida que desciende por la pared del


scendente

73

En la siguiente tabla se detalla las características del equipo:

Tabla 5.3 Características del equipo

Propiedad Valor Unidad Tiempo de concentración 8 horas Temperatura del sistema <60 ºC Presión de operación 100 mmHg Temperatura de ebullición del agua 51.31 ºC


La capacidad de procesamiento se definió 580.9 Kg/día. La simbología es la siguiente:

Tabla 5.4 Condiciones de operación

Símbolo Propiedad Valor Unidad m1 Flujo másico del extracto de alimentación 72.62 Kg/h m2 Flujo másico de agua evaporada 64.4 Kg/h m3 Flujo másico del extracto concentrado 8.2 Kg/h T1 Temperatura de entrada del extracto 298.15 K k T2 Temperatura de saturación del extracto 324.46 k T3 Temperatura de vaporización del extractoӿ 329.46 k

T4 Temperatura de entrada del agua para la calefacción 366.15 k

T5 Temperatura de salida del extracto concentrado 329.46 k

T6 Temperatura de salida del agua para la calefacción 355.91 k

ӿSe considera 5 ºC más que la temperatura de saturación del agua


5.5.3.1 Calor absorbido por el extracto

Es el calor necesario para subir la temperatura ambiente hasta la temperatura de ebullición

del agua (T2) más el calor necesario para la evaporación del agua y el calor requerido para

sobrecalentar la mezcla. Es decir:

Figura 5.6

Q

Donde:

Cp1: Capacidad calorífica del

Cp2: Capacidad calorífica del agua

T3.

2λ : Calor latente de vaporización=

sistema a temperatura T2.

∆T1: T2-T1

∆T2: T3-T2


5.5.3.2 Cálculo de la temperatura de salida de agua en el e vaporador

Se supone que todo el calor del evaporador es ganado del agua de calentamiento. Para un

flujo de agua de calefacción igual a

de agua con la siguiente ecuación:

74

Diagrama de calentamiento del extracto de té


22222111 TCpmmTCpmQtotal ∆++∆= λ

: Capacidad calorífica del extracto: 0.999 Kcal/Kg K.

: Capacidad calorífica del agua =0,9962 Kcal/Kg K, evaluada a temperatura media T

e de vaporización= 310 kcal/kg, evaluada a la temperatura de saturación del

Q total=19972.06 Kcal/h

Cálculo de la temperatura de salida de agua en el e vaporador


de agua de calefacción igual a mac=1.2 Kg/s, se puede calcular la temperatura de salida

de agua con la siguiente ecuación:

evaporadoragua QQ =−

Diagrama de calentamiento del extracto de té

[Ec.5.14]

2T

evaluada a temperatura media T2 y

a la temperatura de saturación del

Cálculo de la temperatura de salida de agua en el e vaporador


, se puede calcular la temperatura de salida

75

[Ec.5.15]

Donde:

mac: Flujo másico del agua de calefacción (suposición) = 1.2 Kg/s

Cp ac: Capacidad calorífica del agua de calefacción = 1 Kcal/Kg K

T4: temperatura de entrada del agua de calefacción = 366.15 K

La temperatura de salida de agua será de:

T6= 355.73 K =82.7 ºC

5.5.3.3 Cálculo de la longitud del evaporador

En la Tabla 5.5, se presenta los valores estándar para tubos según Kern Donald.

Tabla 5.5 Datos de longitud de tubo

Diámetro nominal en pulg. Cedula

40

Diámetro real

interno m

Diámetro real

externo m

6 0,1541 0,1683

2 0,0525 0,06033

Fuente: Kern, (1977)

Para determinar el área total se tiene:

LnDtotal TAUQ ∆= **

Despejando At:

[Ec.5.16]

At=Qtot

UD*∆Tml

Donde:

At: Área total (m2)

Qtot: Calor total absorbido por el extracto =19972.06 Kcal/h

UD: Coeficiente global de transferencia de calor (Anexo E.2.4)=424.57 Kcal/ h*m2 *K

( ) Kcal/h 19972.0664 =−− TTCpm acac

76

∆Tml: Temperatura media logarítmica= 48 K

[Ec.5.17]

∆Tml=(T4-T2)-(T6-T1)

Ln !T4-T2

T6-1"

∆Tml= 48 K

Reemplazando los datos y la [Ec. 5.17] en [Ec.5.16]se tiene:

A= 0.798 m2

Asumiendo el 20% por seguridad se tiene (Kern, 1999):

A= 0.96 m 2

Asumiendo un largo de 2 m, calculamos el número de tubos, de acuerdo a la siguiente

ecuación:

[Ec.5.18]

A=n*Π*dext*L

Despejando n de la [Ec. 5.18] se tiene:

n= 2.53 ~ 3 tubos

77

5.5.4 Diseño del secador por aspersión

La etapa de secado se realizará en un secador por atomización donde el extracto

concentrado entrará a 40 % de sólidos solubles hasta un 5% de humedad final del producto

según norma NTE INEN 2381:2005 (anexo F) de té instantáneo. Con este porcentaje de

humedad final se evita el desarrollo de hongos y/o bacterias que son perjudiciales para el

alimento.

Tanto la alimentación como el aire de secado entran por la parte superior de la cámara y

viajan en la misma dirección (flujo paralelo), esto es para favorecer el secado de materiales

termolábiles (Orna, 2012).

Las partículas secas y el aire húmedo salen de la cámara, siendo separadas y recolectadas

posteriormente por un ciclón.

El dimensionamiento de la cámara debe cumplir los siguientes criterios (Masters, 1994):

• La humedad relativa del aire a la salida de la cámara debe ser menor o igual que la

humedad relativa del aire en equilibrio con la humedad deseada del producto de tal

forma que no humedezca al producto.

• El tiempo de secado de la gota asperjada, desde una humedad inicial hasta otra final,

sebe ser menor o igual al tiempo de viaje de la gota de la pared del secador y así

evitar que se adhiera a ésta.

• El calor suministrado a la gota asperjada durante el tiempo de viaje de la misma a la

pared debe ser mayor o igual al calor necesario para el secado.

78

Figura 5.7 Secador por aspersión

Fuente: Treybal, (2000)

5.5.4.1 Diseño de la cámara de secado

5.5.4.1.1 Condiciones de diseño

Los datos requeridos para el diseño del secador por atomización son:

Tabla 5.6 Parámetros del extracto concentrado (entr ada) (40 %)

Símbolo Propiedad Valor Unidades xss1 Fracción de sólido seco 0.4

mss1 Flujo de sólido seco 9.08 *10-4 Kg/s xws1 Fracción de agua 0.6

mws1 Flujo de agua 1.47 *10-3 Kg/s Ts1 Temperatura de entrada 25 ºC

Hs1 Humedad en Base seca 1,5 Kg agua/Kg sólido

seco

ρs1 Densidad del extracto concentrado de entrada 1034ᴥ Kg/m3

ᴥ Valor obtenido experimentalmente (Tabla B.2).


79

Tabla 5.7 Parámetros del extracto seco (salida) (5 %)

Símbolo Propiedad Valor Unidades ms2 Flujo de extracto seco 6.84*10-4 Kg/s xss2 Fracción de sólido seco 0,95 mss2 Flujo de sólido seco 9.5*10-4 Kg/s xws2 Fracción de agua 0.05 mws2 Flujo de agua 3.422 *10 -5 Kg/s Ts2 Temperatura de salida 80 ºC Hs2 Humedad en Base seca 0.053 Kg agua/Kg sólido seco ρs2 Densidad del extracto de salida 750ӿ Kg/m3

ӿ Valor obtenido experimentalmente (Tabla B.3).


Tabla 5.8 Parámetros del aire (entrada)

Símbolo Propiedad Valor Unidades ma1 Flujo de aire en la entrada Kg/s 0.01581 Kg/s xsa1 Fracción de aire seco 0.993

msa1 Flujo de aire seco 0.0157 Kg/s xw a1 Fracción de agua 0.007

mw a1 Flujo de agua 1.13 *10-4 Kg/s T a1 Temperatura de entrada 230ᴥ ºC H a1 Humedad en Base seca 0.0072 * Kg agua/Kg aire seco

*El valor de la humedad en base seca del aire es obtenido de la carta psicométrica de la figura (E.1) .A partir de una

temperatura ambiente de 30 ºC y humedad relativa de 30% (Villegas, 2008).

ᴥ Seltzi ,(1960). Patent “Method of making a tea extract”.


Tabla 5.9 Parámetros del aire (salida)

Símbolo Propiedad Valor Unidades ma2 Flujo de aire en la salida 0,017 Kg/s xsa2 Fracción de aire seco 0,92

msa2 Flujo de aire seco 0,0157 Kg/s xw a2 Fracción de agua 0,08

mw a2 Flujo de agua 1,42*10-3 Kg/s

T a2 Temperatura de aire de salida 90 ᴥ ºC H a2 Humedad en Base seca 0,0906 Kg agua/Kg aire seco

ᴥ Seltzi,(1960). Patent “Method of making a tea extract”

. Fuente: Elaboración propia.

80

5.5.4.1.2 Cálculo del flujo másico de aire necesari o para la evaporación.

Para calcular la cantidad de aire que se requiere para la evaporación del agua contenida en

la alimentación realizamos el balance energético y de masa en la cámara de secado. Primero

se realizó el balance de flujo de masa de agua, para lo cual a continuación se calcula la

cantidad de agua que posee la alimentación y el aire:

El balance de agua en la cámara de secado será:

[Ec.5.19]

mws1 + mwa1=mws2+mwa2

Donde:

mws1: Flujo de masa de agua contenida en el sólido de alimentación al ingreso de la cámara

(kg/s)

mwa1: Flujo de masa de agua contenida en el aire al ingreso de la cámara (kg/s)

mws2: Flujo de masa de agua contenida en el producto a la salida de la cámara (kg/s)

mwa2: Flujo de masa de agua contenida en el aire a la salida de la cámara (kg/s)

Como:

[Ec.5.20]

Hs=mws/mss

y

[Ec.5.21]

Ha= mwa/mas

Reemplazando [Ec. 5.20] y [Ec. 5.21] en [Ec. 5.19] se obtiene:

[Ec.5.22]

mss1*Hs1 + msa1*Ha1=mss2*Hs2+ma2*Ha2

Suponiendo que no hay fugas ni retención de producto mss1=mss2=mss y msa1=msa2=msa.

Despejando msa:

81

[Ec.5.23]

msa=Hs1-Hs2

Ha2-Ha1

• Balance de masa y energía:

El balance general de energía sobre la cámara de secado es:

[Ec.5.24]

ms1*hs1 + ma1*ha1=ms2*hs2+ma2*ha2

Donde:

hs1: Entalpia del flujo de extracto de la alimentación (Kcal/Kg)

ha1: Entalpia del flujo de aire en la alimentación (Kcal/Kg)

hs2: Entalpia del flujo de extracto seco en la salida (Kcal/Kg)

ha2: Entalpia del flujo de aire en la salida (Kcal/Kg)

• Entalpía del extracto

Es igual a la suma de la entalpía de los sólidos secos más la entalpia del agua contenida que

se detalla en el anexo E.3.2, por lo tanto se tiene:

[Ec.5.25]

ms*hs= mss*(Ts-T0)*(Cps+Cpws*Hs)

Donde:

Cps: Calor especifico del sólido seco (Kcal/Kg*K)

Cpw: Calor especifico del agua contenido en el sólido (Kcal/Kg*K)

T0: Temperatura de referencia (0ºC)

• Entalpía del aire

Es igual a la suma de la entalpía del aire seco, el vapor de agua y la energía requerida para

la evaporación, se detalla en el anexo E.3.3, por lo tanto se tiene:

[Ec.5.26]

ma*ha= msa [(Ta-T0)*(Cpsa+ Cpwa*Ha) + Ha*λwa]

Donde:

82

Cpsa: Calor específico del aire seco (Kcal/Kg*K)

Cpwa: Calor específico del vapor de agua (Kcal/Kg*K)

λwa: Calor latente de vaporización (Kcal/kg)

Ta: Temperatura del aire (K)

T0: Temperatura de referencia (0ºC)

Reemplazando las ecuaciones [Ec. 5.23], [Ec. 5.25] y [Ec. 5.26] en [Ec. 5.24] y despejando

Ha2 se tiene:

Ha2=0.0906 Kg agua/ Kg de aire seco

Reemplazando Ha2 en [Ec. 5.21] se tiene:

msa=0.0157 kg/ s

5.5.4.1.3 Estudio y selección de la mejor boquilla para el secador

5.5.4.1.3.1 Valores seleccionados de la boquilla at omizadora

El valor seleccionado de la boquilla depende de los factores como el flujo de alimento y sus

propiedades físicas como: la viscosidad, tamaño de partícula deseado en el producto final y

disposición respecto a la dirección del flujo del gas secante. En la tabla 5.10 se muestra los

rangos apropiados y el valor requerido según los cálculos realizados posteriormente:

Tabla 5.10 Rangos de un atomizador rotatorio

Características Rangos Valor

seleccionado

Diámetro del disco (mm) 100-300 200

Velocidad del disco (rpm) 10.000-30.000 10.000

Altura de aspas (mm) 8-30 8

Velocidad periférica (m/s) 100-200 104.3

Numero de aspas 18-36 18

Fuente: Filková, (2006)

83

5.5.4.1.3.2 Potencia del atomizador

[Ec.5.27]

P=ms1*Vp

2

2*Ƞ

Donde:

P: Potencia del atomizador (W)

ms1: Flujo de alimentación del extracto concentrado (kg/s)

Vp: Velocidad periférica (m/s)

Π: Rendimiento de la bomba de rotación 60 % (Masters, 1991).


P= 20.66 w= 0.03 Hp

5.5.4.1.3.3 Flujo másico por paleta de alimentación

La ecuación es (Masters, 1994):

[Ec.5.28]

mp=ms1

hp*n

Donde:

mp: Flujo másico de la alimentación por cada paleta del atomizador (Kg/s).

ms1: Flujo del extracto de alimentación (kg/s).

hp: Altura de la paleta del atomizador (m).

np: Número de paletas del atomizador.


mp=0.0158 kg/m s

5.5.4.1.4 Diámetro Sauter

El diámetro Sauter se define como el diámetro de una gota que tiene la misma relación

superficie-volumen que la de todas las gotas formadas por aspersión (Masters, 1994):

84

[Ec.5.29]

Dvs=5240*mp

0.171

(π*Ddisco*N)0.537*µs10.017

Donde:

mp: Flujo másico de la alimentación por cada paleta del atomizador (g/s*cm)

D disco: Diámetro del atomizador (cm)

N: Velocidad angular del atomizador (rev/s)

µs1: Viscosidad del extracto en la alimentación (Poise)


Dvs=42.9 µm

El dimensionamiento de la cámara se realizará en función del diámetro de la gota D95 es

decir, el diámetro dentro del cual se encuentra el 95% de la nube asperjada, de tal forma que

si se garantiza que una gota de este tamaño se seca antes de llegar a la pared de la cámara

entonces el 95% de la nube también lo hará, por lo tanto (Masters, 1994):

D95= 1.4* Dvs


D95=6.01*10-5 m =60.1 µm

5.5.4.1.5 Diámetro, humedad y temperatura de la got a en el punto crítico.

El punto que divide el periodo de velocidad de secado constante y velocidad decreciente es

el punto crítico, una vez que se alcanza este el diámetro, la gota permanece constante hasta

la salida de la cámara de secado y se denomina diámetro crítico, el mismo puede ser

calculado a partir de un balance de materia de los sólidos secos de la gota.

El diámetro crítico se obtiene a partir de la ecuación demostrada en el anexo E.3.4:

[Ec.5.30]

Dc=D95 # ρs1*(1+Hs2

ρs2*(1+Hs1)$1/3

Donde:

Dc: Diámetro de la gota en el punto crítico (m)

85

D95: Diámetro de la gota en a la entrada (m)

ρs1: Densidad de la alimentación (kg/m3)

ρs2: Densidad de los sólidos secos (kg/m3)

Hs1: Humedad del extracto en la alimentación (Kg agua/Kg sólido seco)

Hs2: Humedad del extracto en la salida (Kg agua/Kg sólido seco)


Dc=5.247 *10-5 m = 52.47 µm

5.5.4.1.5.1 Humedad critica de la gota

Cuando se alcanza el punto crítico, se calcula dividiendo la humedad remanente para la

masa de sólidos que posee la gota, por lo tanto:

[Ec.5.31]

Hcg=ap

Π

6* !D95

3* ρs2

1+Hs1"

Hcg= Humedad crítica de la gota (kg agua/ kg sólido seco)

ap= agua remanente (Anexo E.3.5) (kg)



Hs1: Humedad del extracto en la alimentación (Kg agua/Kg sólido seco)


Hcg=0.28 Kg agua / Kg sólido seco

5.5.4.1.5.2 Temperatura critica de la gota

La temperatura superficial de una gota que contiene sólidos insolubles o soluciones no

electrolíticas en el periodo de velocidad constante puede ser considerado como la

temperatura de bulbo húmedo del aire de secado de forma tal que en el punto crítico la

temperatura de la gota está dada por:

Tsc=Tbh

86

Donde:

Tsc = Temperatura superficial de la gota en el punto crítico (K)

T bh = Temperatura de bulbo húmedo del aire de secado (K)

A partir del diagrama psicométrico del anexo F. figura F.2 se obtiene:

Tbh= 306.15 K

5.5.4.1.6 Humedad y temperatura del aire en el punt o crítico.

5.5.4.1.6.1 Humedad crítica del aire

La humedad absoluta del aire cuando se alcanza el punto crítico se obtiene del balance de

agua sobre la cámara de secado desde la entrada hasta el punto crítico, el balance es

realizado en el anexo E.3.7, entonces:

[Ec.5.32]

Hac=Ha1+mss

msa*(Hs1-Hsc)

Donde:

Hac: Humedad crítica del aire (Kg agua/ Kg sólido seco)

Hsc: Humedad crítica del sólido (Kg agua/ Kg sólido seco)

Hs1: Humedad del extracto en la alimentación (Kg agua/ Kg sólido seco)

Ha1: Humedad del aire en la alimentación (Kg agua/ Kg aire seco)

mss: Flujo másico del extracto seco (Kg/s)

msa: Flujo másico del aire seco (Kg/s)

Reemplazando se obtiene:

Hac=0.078 (Kg agua/ Kg sólido seco)

87

5.5.4.1.6.2 Temperatura crítica del aire

La temperatura del aire cuando alcanza el punto crítico la podemos calcular a partir del

cálculo de la entalpía del aire en el punto crítico que se encuentra detallado en el anexo

E.3.10:

[Ec.5.33]

Tac=To+hac-λwac*Hac

Cpac+Hac*Cpwac

Donde:

Tac: Temperatura crítica del aire (K)

hac: Entalpia crítica del aire (Anexo E.3.9) ( Kcal/Kg)

λwac: Calor latente de vaporización a la temperatura de aire crítico (Kcal/kg)

Hac: Humedad crítica del aire (Kg agua/Kg aire seco)

Cpac: Capacidad calorífica del aire a la temperatura crítica (Kcal/ Kg K)

Cpwc: Capacidad calorífica del vapor a la temperatura crítica (Kcal/ Kg K)


Tac= 380.91 K

5.5.4.1.7 Determinación del tiempo total del secado de la gota

Existen dos periodos de secado: el de velocidad constante y el de velocidad decreciente, por

lo tanto, el tiempo total de secado se define como:

[Ec.5.34]

tT= tc+ td

tT: Tiempo total de secado (s)

tc: Tiempo de secado en el periodo de velocidad constante (s)

td: Tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente (s)

5.5.4.1.7.1 Tiempo de secado en el periodo constant e

Se tiene la siguiente ecuación encontrada en el anexo E.3.11 (Masters, 1985):

88

[Ec.5.35]

tc=λbh*ρwbh

8*∆Tml1*Ksa2*(D95

2-Dc2)

Donde:

tc: Tiempo de secado en el periodo de velocidad constante (s)

λbh: Calor latente de vaporización a temperatura de bulbo húmedo o temperatura crítica de la

gota (Kcal/kg)

ρbh: Densidad del agua a temperatura de bulbo húmedo o temperatura crítica de la gota

(kg/m3)

∆Tml1: Temperatura logarítmica de temperatura entre el periodo de velocidad constante (K)

Ksa2: Conductividad térmica del aire que rodea la gota a la temperatura media de Ts2 y Ta2

(Kcal/s m K).

Suponiendo que es flujo paralelo:

[Ec.5.36]

∆Tml1=(Ta1-Ts1)-(Tac-Tsc)

ln(Ta1-Ts1)(Tac-Tsc)

∆Tml1= 129.12 K

Reemplazando datos en la [Ec. 5.35] se obtiene:

tc=0.0177s

5.5.4.1.7.2 Tiempo de secado en el período de veloc idad decreciente

El tiempo de secado en el tiempo decreciente se halla a partir de la siguiente ecuación

(Masters, 1985):

[Ec.5.37]

td=λbhDc2*ρs2

12*Ksa2*∆Tml2*(Hsc-Hs2)

td: Tiempo de secado en el periodo de velocidad decreciente (s)

89

ΔTml2 Temperatura logarítmica de temperatura en el periodo de velocidad decreciente (K)

λbh: Calor latente de vaporización a temperatura de bulbo húmedo o temperatura crítica de

la gota (Kcal /kg)



(Kcal/ s m K)

Temperatura logarítmica:

[Ec.5.38]

∆Tml2=(Tac-Tsc)-(Ta1-Ts1)

ln(Tac-Tsc)(Ta1-Ts1)

∆Tml2=37.2 K

Reemplazando en la [Ec. 5.37] se tiene:

td= 0.024 s

Por lo tanto las condiciones propuestas cumplen la condición:

tc<td

Reemplazando tc y td en la ecuación Ec. 5.34 se tiene:

tT= 0.029s

5.5.4.1.8 Calor transferido a la gota durante el ti empo de viaje

El flujo de calor transferido por convección a la alimentación durante el tiempo de viaje a la

pared de la cámara se calcula con la siguiente expresión (Glueckert, 1962):

[Ec.5.39]

Qft= #12*Ksa2*∆Tml3

ρs1*D952 $ *ms1*tT

Donde:


(Kcal/s m K).

90


tT: Tiempo total de secado (s)

ΔTml3 Temperatura logarítmica de temperatura entre la gota y el aire desde la entrada hasta la

salida (K).

ms1: Flujo másico de extracto concentrado (kg/s)


Qtf=567.25 cal/s

El flujo de calor necesario para secar la alimentación se calcula así:

[Ec.5.40]

Qnec=mas1*(Ta1-Ta2)*(Cpa1+Ha1*Cpwa1)

Donde:

mas1: Flujo másico del aire seco en la entrada (Kg/s)

Ta1: Temperatura del aire en la entrada (K)

Ta2: Temperatura del aire en la salida (K)

Cpa1: Capacidad calorífica del aire en la entrada (Kcal/Kg K)

Ha1: Humedad del aire en la entrada (Kg agua/ kg aire seco)

Cpwa1: Capacidad calorífica del vapor en la entrada (Kcal/Kg K)


Qnec =486.54 cal/s

Por lo tanto las condiciones propuestas cumplen la condición:

Qft>Qnec La humedad relativa a la salida del aire de secado es obtenida a partir de la carta

psicométrico del anexo E1, la cual es de 4 %, por tanto, la humedad relativa del aire es

menor que la humedad del producto.

91

5.5.4.1.9 Dimensiones de la cámara de secado.

La cámara de secado tiene la siguiente forma:

Figura 5.8 Dimensiones de la cámara de secado


Donde:

Dcs = Diámetro de la cámara de secado (m)

Hcs = Altura de la cámara de secado (m)

Hcl = Altura del cilindro de la cámara de secado (m)

Hco = Altura del cono de la cámara de secado (m)

Dco = Diámetro del cono de la cámara de secado (m)

Diámetro de la cámara de secado:

El tiempo de viaje de la gota a la pared de la cámara de secado se obtiene con la siguiente

expresión, haciendo la consideración que R cámara> 5*Dr / 2 (Glueckert, 1962):

[Ec.5.41]

Rcs= 'tT*2.4*V* b*Ddisco

2(1/2

+Ddisco

4

Donde:

tT: Tiempo de viaje de la gota a la pared de la cámara de secado (s)

92

Rcs: Radio de la cámara de secado (Anexo E.3.12) (m)

Dr: Diámetro del atomizador (m)

Vres: Velocidad de la gota que sale del atomizador (Anexo E.3.12) (m/s)

b: Ancho de un chorro de aire que sale del atomizador (Anexo E.3.12) (m)

Según las condiciones para el diseño de la cámara de secado se debe cumplir que el tiempo

de viaje de la gota sea mayor o igual al tiempo de secado, por lo tanto para cumplir con esta

condición se establece:

tv=tT

Despejando Rcs y reemplazando en la [ec . 5.39] con un 30 % de seguridad se tiene:

Rcs= 0.6 m

Por lo tanto se cumple:

R cámara > 5*Dr / 2

0.6 m > 0.5 m

Y

Dcs= 2* Rcs

Dcs= 1.2 m

Como ya tenemos el diámetro de la cámara de secado que es 1.2 m podemos calcular las

demás dimensiones. La relación entre las dimensiones de la cámara de secado se exponen

a continuación (Alamilla, 2001):

[Ec.5.42]

Hcs=1.5*Dcs: Hcs= 1.8 m

[Ec.5.43]

Dc0=Dcs

10:

Dc0= 0.12 m

93

[Ec.5.44]

Hc0= !Dcs-Dc0

2" *tg600:

Hc0=0.93 m

[Ec.5.45]

Hcl=Hcs-Hc0 Reemplazando Hcs y Hc0 en la Ec. 5.45... se tiene:

Hcl=0.3 m

5.5.4.2 Diseños auxiliares

5.5.4.2.1 Diseño del quemador

El quemador se encargará de calentar el aire requerido para el proceso de secado desde la

temperatura ambiente (Tae) hasta la temperatura a la entrada en la cámara de secado (Ta1),

donde se produce un calor sensible del aire por lo tanto la humedad se mantiene constante.

Entonces el calor necesario para calentar el aire es:

[Ec.5.46]

Qnec=mas1*(Ta1-Ta2)*(Cpa1+Ha1*Cpwa1)


Qnec =486.54 cal/s

Por lo tanto la potencia del calentador es:

P= 2.04 Kw= 2.7 HP

Ahora se debe calcular la cantidad de combustible que se consume, para ello utilizamos la

siguiente expresión:

[Ec.5.47]

mc=Qnec

PCI

Donde:

94

mc: Flujo de masa de combustible (kg/h)

Qnec: Calor generado por el quemador (kcal/h)

PCI: Poder calorífico inferior del combustible (tabla 5.15) = 9535,88 kcal/kg


m c= 0.18 kg/h

5.5.4.2.2 Diseño del Ciclón

Los ciclones generalmente tienen como parámetros de diseño el diámetro del ciclón, la caída

de presión, la velocidad de entrada y velocidad de saltación, en la siguiente tabla se

muestran los parámetros a considerar en el diseño de ciclones con entrada tangencial .En la

figura 5.9 muestra el esquema de ciclón y sus variables de diseño:

Figura 5.9 Esquema del ciclón

Fuente: Masters.,(1991)

Tabla 5.11 Parámetros de diseño del ciclón de recup eración

Parámetro Valor

Diámetro del ciclón (D) < 1 m Caída de presión < 2488,16 Pa Relación de velocidades (Vi/Vs) < 1,35 Velocidad de entrada 15,2-27,4 m/s

Fuente: Zenz ,(2001).

La siguiente tabla muestra las dimensiones típicas de un ciclón de recuperación tipo

Stairmand de alta eficiencia:

95

Tabla 5.12 Dimensiones típicas de un ciclón de recu peración tipo Stairmand

Dimensiones Símbolo Valor Diámetro del cuerpo Dc/Dc 1 Altura de la entrada a/Dc 0,5 Ancho de la entrada b/Dc 0,2 Diámetro de la salida del gas Ds/Dc 0,5 Longitud del buscador del vórtice S/Dc 0,5 Longitud del cuerpo h/Dc 1,5 Longitud del cono z/Dc 2,5 Altura total del ciclón H/Dc 4 Diámetro de enchufe del polvo B/Dc 0,375 Factor de configuración G 551,22 Número de cabezas de velocidad NH 6,4 Numero de vórtices N 5,5

Fuente: Zenz,(2001).

5.5.4.2.2.1 Área necesaria en la entrada del ciclón

[Ec.5.48]

Ac = ma1v

Ac: Área de la entrada del ciclón (m2)

ma1: Flujo volumétrico de aire requerido en el proceso (m3/s)

V: Velocidad de entrada al ciclón = 5.2 (m/s)

Ac= 0.0073 m2

5.5.4.2.2.2 Diámetro del cuerpo del ciclón

Ac=a*b

Donde:

AC: Área del ciclón.

a: Altura de la entrada del ciclón

b: Ancho de la entrada del ciclón

96

Reemplazando los datos de la tabla 5.12 se tiene:

Ac = 0.1 ∗ Dc2 Donde:

Dc: Diámetro del cuerpo del ciclón (m)

Despeja do Dc se tiene:

Dc=5Ac0.1

Dc= 0.27 m

Una vez calculado el diámetro del cuerpo del ciclón se calcula todas las demás dimensiones

que se detallan en la tabla 5.13:

Tabla 5.13 Dimensiones del ciclón

Dimensiones Símbolo Valor Altura de la entrada (m) a 0,135

Ancho de la entrada (m) b 0,054

Diámetro de la salida del gas (m) Ds 0,135

Longitud del buscador del vórtice (m) S 0,135

Longitud del cuerpo (m) h 0,404

Longitud del cono (m) z 0,673

Altura total del ciclón (m) H 1,076

Diámetro de enchufe del polvo (m) B 0,101


5.5.4.2.2.3 Velocidad de saltación

En los ciclones, la velocidad de entrada es un parámetro fundamental; velocidades muy

bajas producen la sedimentación de partículas y neutralizan el efecto de la fuerza centrífuga

generando disminución en la eficiencia de colección velocidades muy altas pueden re

suspender partículas previamente colectadas, disminuyendo también la eficiencia (Alberto,

2006).

97

Lo ideal es trabajar con velocidades de entrada lo suficientemente altas para aprovechar el

efecto de la aceleración centrífuga, velocidad de entrada al ciclón debe situarse en el

intervalo de 15.2 a 27.4 m/s.

Kalen y Zenz propusieron que la correlación semiempírica para la velocidad de saltación es

(Alberto, 2006):

[Ec.5.49]

vs= 4.913*veq*Kb4*Dc0.067*√vi23√1-Kb3

Donde:

vs = Velocidad de saltación (m/s).

vi = Velocidad de entrada del aire en el ciclón (m/s).

veq: Velocidad equivalente (detalle en el anexoE.3.13.1 ) (m/s)

Kb: Relación entre la base de entrada y el diámetro del ciclón (b/Dc).

Dc: Diámetro del cuerpo de ciclón (m)


v s= 0.0278 ms

Kalen y Zenz desarrollaron correlaciones en donde la relación entre velocidades para evitar

la re suspensión de las partículas debe ser menor a 1.35 según las condiciones de diseño

(Alberto, 2006): BCBD < 1.35

Por lo tanto:

0.001822 < 1.35

Por tanto, el cumplimiento de relajación, asegura que no habrá re suspensión de las

partículas. Por lo tanto se puede calcular la eficiencia del ciclón.

98

5.5.4.2.2.4 Eficiencia del ciclón

La teoría de Leith y Licht es la que mejor se adapta al comportamiento experimental,

basándose en las propiedades físicas del material particulado y el gas de arrastre, y en las

relaciones entre proporciones del ciclón. Por lo tanto la ecuación propuesta es (Alberto,

2006):

[Ec.5.50]

ȠI = 1 − J'K ∗!L∗MN∗OP∗(QRS)TUV " W.XQRS(

Donde:

Ƞc : Eficiencia del ciclón

G : Factor de configuración del ciclón .

ti :Tiempo de relajación (detalles en anexo E.3.13.3) (s)

ma: Flujo de aire (m3/s).

Dc : Diámetro del ciclón (m).

n: Exponente del vórtice del ciclón (detalles en anexo E.3.13.2)


ȠI =0.88

Es un valor aceptable para un ciclón de alta eficiencia.

5.5.4.2.2.5 Estimativa de la caída de presión

La caída de presión es un parámetro importante debido a que relaciona directamente los

costos de operación. La caída de presión en un ciclón puede deberse a las pérdidas a la

entrada y salida, pérdidas de energía cinética y fricción en el ciclón. A mayor pérdida de

presión aumentan los requerimientos de potencia en el ventilador y, por lo tanto, mayor

consumo de energía.

Las pérdidas de presión menores a 2488.16 pascales (10 plg H2O) son generalmente

aceptadas.

Una de las ecuaciones para calcular la pérdida de presión en un ciclón es la desarrollada por

Shepherd y Lapple (Alberto, 2006):

99

[Ec.5.51]

∆P= 12 *ρa*vi2*NH

Donde:

∆P: Caída de presión en el ciclón (N/m2).

vi = Velocidad de entrada del gas en el ciclón (m/s).

ρa: Densidad del aire a la temperatura de entrada del ciclón(kg/m3).

NH: Número de cabezas de velocidad a la entrada del ciclón.


∆P=709.8 N/m2

Se considera un valor aceptable ya que no supera el valor recomendado.

100

5.6 DISEÑO DEL CALDERO

El calentador seleccionado es una calentador pirotubular, debido a su facilidad de

construcción, y bajo costo. Utilizará como combustible gas natural ya que es accesible y de

bajo costo. El calentador servirá para el calentamiento del extracto de tanque agitado y

posteriormente al evaporador de película descendente en forma discontinua.

El caldero calentará el agua desde 25ºC hasta 93 ºC, con un 10 % de exceso de aire para

garantizar una combustión completa.

La siguiente figura muestra un caldero pirotubular horizontal:

Figura 5.10 Caldero pirotubular

Fuente: www.calderasvaporvalero.com

En la siguiente tabla se muestra las especificaciones del equipo:

Tabla 5.14 Especificaciones del equipo

Símbolo Propiedad Valor Unidad m vap Flujo másico de vapor requerido 100 Kg/h

T w1 Temperatura de entrada del agua de calefacción 298.15 K

Tw2 Temperatura de salida del agua de calefacción 363.15 K Tg1 Temperatura de entrada del combustible 298.15* K Tg2 Temperatura de salida del combustible 459.15* K

*Caballero , (2013)


101

Las reacciones que se dan en la combustión son:

CH4+2 O 2 CO2+2H2O

C2H6+7/2 O2 2CO2+3H2O

C3H8+5 O2 3CO2+4H2O

C4H10+13/2 O2 4CO2+5H2O

La siguiente tabla muestra la composición del gas natural:

Tabla 5.15 Composición del gas Natural

Composición Porcentaje peso (%)

Porcentaje (%) Volumen

CH4 65,54 88,36 C2H6 13,45 7,17 C3H8 7,17 1,57 C4H10 4,43 0,19 CO2 0,45 1,14 N2 1,17

Poder calorífico (Kcal/Kg) 9535,88

Fuente: Maldonado,(2012)

Los productos generados por la combustión a partir de las reacciones dadas realizados en el

balance de masa realizados en el anexo E.4, se detallan en la siguiente tabla:

Tabla 5.16 Productos generados por la combustión

Productos de combustión Fórmula CO2

(kg/h) H2O

(kg/h) N2

(kg/h) O2

(kg/h) Total

Metano CH4 14,86 12,15

27,01 Etano C2H6 3,25 2,00

5,25

Propano C3H8 1,77 0,97

2,74 Butano C4H10 1,11 0,57

1,67

Aire N2+O2

105,787 2,92 108,71 Anhidro carbónico del gas CO2 0,04

0,04

Total

21,02 15,68 105,79 2,92 145,42


102

5.6.1 Calor necesario para vaporizar el agua:

QT=Qsensible+Qlatente

Donde:

Qsensible: Calor para elevar la temperatura del agua desde temperatura ambiente hasta la

temperatura de saturación (70.14 Kpa).

Qlatent; Calor de vaporización a 70.14 Kpa o temperatura de ebullición.

Qt=Cp ∗ (f − 0)+λvap

Qt= 6.29 *104 Kcal/h

5.6.2 Cantidad de combustible requerido

[Ec.5.52]

m comb=Qt

Q(poder calorífico de combustión)

Como el rendimiento del proceso es del 80 % se calcula el flujo másico de combustión:,

mTcomb=m comb

Ƞ

m T comb= 8.24 Kg/h Gas natural

5.6.3 Cálculo de la potencia del caldero

Dada la formula (Bolívar, 2008):

[Ec.5.53]

Pcaldero=mv*(hs-he)

15.44*λvap

Donde:

Pcaldero: Potencia del caldero (Hp)

mv: Flujo de vapor generado por el caldero= 100 Kg/h

hs: Calor latente del agua a la temperatura de salida del caldero (Ocon Tojo, 1970)

103

= 636.2 Kcal Kg

he: Calor latente del agua líquida a temperatura de entrada ( Tojo, 1970)

= 25.02 Kcal Kg

λvap= Calor latente del agua = 380 Kcal/ Kg


Pcaldero= 10.4 Hp

La potencia de diseño tiene que ser superior a la potencia de trabajo por lo tanto se toma un

20% más aproximadamente.

Pcaldero= 12.4 Hp

5.6.4 Diámetro de tubos

Se recomienda utilizar tubos de 2 pulg IPS 40, con diámetros de (Tojo, 1970):

di= 52.5 mm (diámetro interno)

de= 60.3 mm (diámetro externo)

e= 3.9 mm (Espesor de la pared del tubo)

5.6.5 Longitud de los tubos

Se recomienda la siguiente formula (Bolívar, 2008):

[Ec.5.54]

L= 0.048* Pcaldero+0.3

L= 0.98 m~ 1m

104

5.6.6 Número tubos

El área de tubos se obtiene a partir de los cálculos del realizado en el anexo E.4.2

N tubo=A total

A tubo

Donde:

A tubo= Área de cada tubo (detallado en anexo E.4.2.1 ) = 0.17 m2

A total: Área total de calefacción (detallado en anexo E.4.2.4) = 6.053 m2


N tubo=35.6 ~ 36 tubo

CAPÍTULO 6

EVALUACIÓN ECONÓMICA A NIVEL PILOTO

105

EVALUACIÓN ECONÓMICA A NIVEL PILOTO

Uno de los objetivos de este proyecto es encontrar el costo de producción de extracto seco

de té verde. De acuerdo a los equipos y a las condiciones de proceso mencionados

anteriormente en el capítulo cinco, en esta sección se da a conocer la estructura de costos a

nivel planta piloto.

El estudio de costos contempla el costo básico del proceso de producción basándose en los

parámetros que se consideran más importantes para su estudio (todos los costos están

expresados en dólares americanos).

6.1 MAQUINARIAS Y EQUIPOS

Los costos de maquinarias y equipos requeridos para el proceso, se obtuvieron mediante

cotizaciones en base a ofertas de importadoras de equipos nacionales.

Los equipos con los que cuenta la empresa es un molino de discos con 4 años de

funcionamiento.

La tabla 6.1muestra la estimación de costos de equipos:

106

Tabla 6.1 Estimación de inversión en equipos ($US)

Ítem Descripción Vida útil (años) Cant. Costo

unitario Costo de

depreciación Costo

total

Equipos de producción 1 Molino 8 1 200 2 Tanque Extractor 10 1 3500 350 3850 3 Motor de agitación 10 1 100 10 110 4 Centrifugador 10 1 1100 110 1210 5 Tanque de extracto filtrado 10 1 1000 100 1100

6 Evaporador de película descendente 10 1 1000 1100 12100

7 Tanque de concentrado 10 1 1000 100 1100 8 Secador 10 1 60000 6000 66000 9 Ciclón 10 1 800 80 880

10 Tanque de agua tratada 10 1 1000 100 1100 Calentador de agua 10 1 450 45 495 Calentador del aire 10 1 1000 100 1100

Bombas 12 Bomba de alimentación 5 1 100 20 120

13 Bomba de alimentación al centrifugador 5 1 100 20 120

14 Bomba de vacío 5 1 4000 800 4800 Equipos auxiliares

17 Controlador de temperatura 5 3 400 80 480

19 Controlador de presión 5 2 400 80 480 Total 9295 95045


107

6.2 COSTOS DE PRODUCCIÓN

Los costos de equipos se estimaron a partir de las necesidades técnicas de los insumos y

sus respectivos precios. La energía eléctrica está calculada sobre la base de los

requerimientos de la planta, los mismos que están detallados en la Tabla 6.2.

Tabla 6.2 Requerimiento de energía eléctrica por eq uipos ($US)

Descripción Potencia

[HP]

Potencia

[KW]

Tiempo

[horas/día]

Energía Eléctrica

[KW-h/día] Motor de agitación 3 2,24 2 4,47 Bomba centrifugación 7,5 5,59 0,205 1,15 Atomizador 0,27 0,20 8 1,61 Caldero 10,4 7,75 8 62,04 Iluminación y otros 2 1,49 8 11,93 Calentador de aire 2,7 2,01 8 16,11 TOTAL 25,87 19,29 8 154,33


Entonces la energía total requerida en un año es 27162 Kw:

Tabla 6.3 Estimación de costos de producción

Ítem Descripción Cantidad Unidad Costo unitario

Costo total

Matera prima 1 Té verde 20000 Kg 0 0

Insumos 2 Frascos de envasado de (100g) 17335 unidad 0,071 1230,78

3 Frascos de envasado de (200g) 8667,5 unidad 0,035 303,36

Servicios 4 Energía eléctrica 27162,09 Kw-h 0,063ᴥ 1711,21

5 Agua potable 1000 m3 2 2000

6 Gas natural 3144,6 m3 0,23 723,26

TOTAL 77309,19 2,399 185464,75

ᴥ ELFEC.


108

6.3 GASTOS GENERALES

Los gastos generales contemplados en el estudio representan los más importantes y están

caracterizados en el siguiente cuadro:

Tabla 6.4 Descripción de costo de fábrica y otros ( $US)

Ítem Descripción Costo total

1 Gastos de laboratorio 200

2 Mantenimiento y reparación 400 3 Comunicación 200

TOTAL 800


6.4 MANO DE OBRA

Los requerimientos de mano de obra para el proceso, son los siguientes:

Supervisor de la producción: encargado de la supervisión de todo el proceso

productivo.

Operario 1: encargado de los procesos de extracción, evaporación y secado.

Operador 2: encargado de los procesos de filtración y almacenamiento.

Analista: encargado de los análisis químico y control de calidad.

Tabla 6.5 Descripción de costo de mano de obra ($US )

Item Descripción Cantidad Costo mes Costo anual

1 Supervisor de producción 1 400 3200 2 Operario 2 300 2400

TOTAL 5600


109

6.5 PRECIO DE VENTA UNITARIO

En la siguiente tabla se presenta el resumen de costo para la producción de extracto seco de

té verde:

Tabla 6.6 Resumen de costos ($US)

Costo de fabricación Costo ($)

Materiales ,Insumos y servicios 185464,75 Mano de Obra 5600 Gastos generales 800 Total 191864 Depreciaciones Depreciación de equipos 9295 Depreciación de obras civiles 2750 Total 12045 TOTAL 203909


Tabla 6.7 Costo de producción ($US)

Descripció n Costo

Costo de fabricación 191864 Depreciaciones 12045 Costo De Producción 203909 Precio de venta ($us/kg.) 59


El precio de venta actual en el mercado internacional de té instantáneo de 200g es de 12

euros que equivale a 114 Bs, con el siguiente tipo de cambio 1 euro= 9.538 Bs.

Nuestro precio de venta se definirá con una utilidad neta del 100 % además de incluir I.V.A.

(13%). I.U. (3%), obteniéndose un precio de venta de 12 $ en presentación de 200 g y 6 $ en

presentación de 100 g.

A partir de la tabla 6.5 se obtiene un costo de 203909 $ para producir 3467 Kg/año los cuales

estarán en presentaciones de 100 g y 200 g.

CAPÍTULO 7

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

110

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7.1 Conclusiones

Del análisis de los resultados obtenidos en el proceso de extracción antioxidantes del té

verde se concluye que:

1. Se caracterizó la materia prima tomando como referencia normas internacionales. La

calidad del té verde se encuentra dentro los parámetros fisicoquímicos de la Norma

Argentina. Y también los parámetros microbiológicos exigidos por la Norma Española según

la reglamentación vigente, RD 1354/83. También se tiene una densidad de 1.076 g/ml de té.

2. De acuerdo al diseño factorial, los parámetros principales que influyen en el proceso

de extracción de antioxidantes son: relación materia prima/solvente * temperatura y materia

prima/solvente*agitación.

3. La relación materia prima/solvente, temperatura y agitación tiene un efecto positivo

sobre el % de antioxidantes extraídos, es decir a mayor relación materia prima/solvente,

mayor temperatura y mayor agitación se tiene mayor cantidad de antioxidantes.

4. Las mejores condiciones para la extracción fueron:

• Relación materia prima/solvente= 1:10

• Temperatura de extracción= 60 °C

• Velocidad de agitación= 400 rpm

5. No se obtuvo aceite esencial en las hojas de té.

6. Se optimizó el proceso de extracción determinando la cinética y el tiempo de

extracción. Donde el tiempo requerido para extraer la mayor cantidad de antioxidantes es de

1 hora, después del mismo el rendimiento va decreciendo paulatinamente, debido a que los

antioxidantes se degradan al ser sometidos a temperaturas elevadas durante un tiempo

prolongado. De los resultados obtenidos se concluye que los datos se ajustan mejor a una

cinética del tipo isoterma de Langmuir.

7. Al cuantificar los antioxidantes en las diferentes etapas se determinó que el proceso

de extracción debe contar solo con una etapa, debido a que se obtienen bajos rendimientos

de antioxidantes en las demás etapas.

8. Se caracterizó el extracto concentrado ya que no se contaba con un secador spray.

Los resultados obtenidos fueron: el extracto tiene un color marrón, es de un olor

característico, sabor astringente, es soluble en agua, densidad de 1.035 g/ml y un

rendimiento de antioxidantes de 15.8 % (p/p)

111

Se determinó cualitativamente la presencia de flavonoides en el extracto. La reacción fue

positiva a la prueba de Shinoda indicando la posible presencia de flavonas, flavononas,

flavonoles, flavononoles, flavanoles o xantonas.

9. Se realizó el diseño de equipos necesarios proponiendo un secador por aspersión

para la planta piloto.

Consta de un tanque de extracción, una centrifuga de canasta, un evaporador de película

descendente, en secador por aspersión y un caldero pirotubular. Con una capacidad de

procesamiento de 114 Kg/día de té verde, lo que permitirá obtener 19.7 Kg/día de té en

polvo.

10. El costo de producción de extracto es de 59 $/Kg y el precio de este en el mercado

será de 12 $ en presentación de 200 g y 6 $ en presentación de 100 g.

7.2 Recomendaciones

Se citan las siguientes recomendaciones:

1. Realizar un tamizaje fitoquímico de la materia prima y el producto obtenido para

identificar la presencia de metabolitos secundarios como ser: alcaloides, flavonoides,

taninos, etc.

2. Realizar un estudio sobre la recuperación de las hojas de té agotadas después de la

extracción.

3. Realizar el estudio sobre la recuperación de aromas.

4. Estudiar el mejoramiento del proceso de producción y la calidad del té verde.

5. Estudiar el tiempo de vida útil del extracto.

CAPÍTULO 8

BIBLIOGRAFÍA

112

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Alamilla, L., (2001). “Aspectos sobre el uso de secadores por aspersión”. Documento

predoctoral, México: ENCB-IPN,. Pp. 81-90.

2. Álvarez B., (2012). “Biocontrol de Botrytis cinérea a partir de extractos fenólicos de

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ANEXOS

ANEXO A

CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS

117

A.1 Extracto seco

Método gravimétrico secado es estufa a 105° C, hasta peso constate, el valor de la

incertidumbre de la medición es de +/- 0.30% (m/v) con k=2 (Adaptación de la ref.

ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALYTICAL CHEMIST, método 9.038, 14aEdic. 1984 USA)

A.2 Cenizas

Valor expresado en gramos que representa el contenido mineral del té obtenido por

incineración a 550ºC.

Cuando los alimentos se calientan a temperaturas de 500 y 600 ºC. El agua y los otros

constituyentes volátiles se eliminan como vapores y los constituyentes orgánicos se queman

en presencia del oxígeno del aire a dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno que se eliminan

junto con el hidrogeno y el agua. El azufre y el fósforo se convierten a sus óxidos y si no hay

suficientes elementos alcalinostérreos, se puede perder por volatilización. Los componentes

minerales permanecen en el residuo como óxidos, sulfatos, fosfatos, silicatos y cloruros,

esteres, el residuo inorgánico es el que constituye las cenizas.

Método gravimétrico, calcinación a 550 ° C, hasta peso constante, el valor de la

incertidumbre de la medición es de +/- 0.02% (m/v) con K=2( Ref.: OFFICIAL METHODS OF

ANALYSIS of the association of Oficial Analytical Chemist, Mét. 14.006, 14aEdic. 1984 USA).

A.3 Hidratos de carbono

Calculados por diferencia es decir, sustrayendo de 100 la suma de humedad, proteína,

grasa, y cenizas. Este término expresado en gramos comprende además los almidones y

azucares ácidos orgánicos pentosanos, etc.

Hidratos de carbono totales = 100 – (Hm + Prot +Gra sa + Cenizas)

(Ministerio de Previsión Social y Salud Pública, 1984 Bolivia).

A.4 Valor energético

Determinación por cálculo empleando los factores calóricos de Atwater:

Proteína F (Kcal/g)=4

Extracto Etéreo F (Kcal/g)=9

Hidratos de Carbono F (Kcal/g)=4

118

Ref. Tabla de Composición de Alimentos Bolivianos Ministerio de Previsión Social y Salud

Pública, 1984 Bolivia).

A.5 Reacción de Shinoda

1 mg de la muestra disuelta en etanol se trata con limaduras de magnesio, se le aplica calor

y después unas gotas de HCl conc. por las paredes. Se considera positiva con las

apariciones de colores naranjas, roja, rosa, azul a violeta.

A.6 Cromatografía en capa fina

• Disolver el extracto acuoso con un poco del solvente.

• Tener la placa previamente medido

• Mediante un capilar de vidrio, pinchar en la parte inferior de la placa.

• Introducir la placa en el recipiente

• Cerrar el recipiente y dejar que el líquido ascienda por capilaridad.

• Revelar con luz UV y/o solución de Neo

Fase móvil: Acetato de etilo: metanol: agua (100:13.5:10)

Revelador: solución Neo; para detectar flavonoides y Uv.

A.7 Método del radical libre

(Utilizando Ácido ascórbico como patrón)

Principio

El radical libre DPPH es reducido por los antioxidantes. La decoloración del radical es

proporcional a la concentración de antioxidante.

Reactivos:

• DPPH: Solución etanólica diluir 0.0033 g DPPH en 100 ml de EtOH.

• ACIDO ASCORBICO: 20 mg/100 ml de etanol- agua (1:1).

• ETANOL-AGUA (1:1).

Extracción

Tomar de 0.3 a 1 g ( con precisión del miligramo) de muestra en un vaso limpio y seco de 50

ml, y pasar a un matraz aforado de 25 ml con una mezcla de EtOH-agua (50:50) con ayuda

de una pizeta, y dejar extraer por 2 horas con agitación cada cierto tiempo (15 a 20 min.).

119

Filtrar antes de tomar la alícuota de medición. Diluir 0.5 ml del filtrado en 25 ml de EtOH-

agua en un matraz aforado de 25 ml.

Determinación

Blanco: En un tubo de ensayo agregar 3 ml de solución de DPPH+0.08ml de etanol – agua.

De la solución preparada de ácido ascórbico de 20mg/100ml de EtOH-agua (200ppm de

ácido ascórbico) diluir a diferentes concentraciones de 0, 20, 60, 100, 140 y 200 ppm.

Curva patrón: en 5 tubos de ensayo agregar 3 ml de solución de DPPH + 0.08 ml (80 µl) de

las diluciones de ácido ascórbico preparadas de 20, 60, 100, 140 y 200 ppm

respectivamente.

Dejar reposar durante 5 min. a temperatura ambiente. Y luego leer en el espectrofotómetro a

una longitud de onda de 517 nm.

Los resultados serán expresados en equivalente de ác. ascórbico mg/g extracto té verde.

Determinación de antioxidantes

Tabla A.1 Curva de calibración

Nº

Ac. Ascórbico

ppm (teórico)

Absorvancia Ac. Ascórbico

ppm (experimental)

1 0 0 0

2 20 0,027 19,95

3 60 0,125 53,68

4 100 0,277 105,99

5 140 0,39 144,89

6 200 0,537 195,48 Fuente: Elaboración propia.

Con los resultados de la curva patrón se determinaron los valores de:

A=-0,03

B=0,002905

r=0,996

120

Con los cuales determinamos las concentraciones de las muestras detalladas en la siguiente

tabla:

Tabla A.2 Contenido de antioxidantes.

Tiempo (h)

Peso muestra (g) Absorbancia Ac. Ascórbico

ppm Ac. Ascórbico (mg Ac. Ascórbico/g te verde)

0,17 0,305 0,001 11 5,47

0,33 0,306 0,003 11,69 5,97

0,5 0,357 0,028 20,29 8,88

1 0,3537 0,087 40,6 17,94

2 0,3074 0,057 30 15,25

3 0,3073 0,047 26,83 13,47

4 0,3037 0,041 24,78 12,75

5 0,301 0,038 23,74 12,32

6 0,305 0,036 23,05 11,81

7 0,3068 0,032 21,67 11,04

8 0,306 0,029 20,65 10,54 Fuente: Elaboración propia.

Cálculos previos para hallar la concentración de acido ascórbico (mg Ac. Ascórbico/g te

verde) se muestran en la tabla A.3 para una dilución 0.5:25 :

121

Tabla A.3 Concentración de ácido ascórbico

Tiempo Peso muestra (g)

Ac. Ascórbico

ppm (1)

Ac. Ascórbico ppm (2)

Ac. Ascórbico

ppm (3)

Ac. Ascórbico

mg (4)

Ac. Ascórbico

Equivalente (5)

0,17 0,305 11 3437,50 68,75 1,72 5,64

0,33 0,306 11,69 3653,13 73,06 1,83 5,97

0,5 0,357 20,29 6340,63 126,81 3,17 8,88

1 0,3537 40,6 12687,50 253,75 6,34 17,94

2 0,3074 30 9375,00 187,50 4,69 15,25

3 0,3073 26,83 8384,38 167,69 4,19 13,64

4 0,3037 24,78 7743,75 154,88 3,87 12,75

5 0,301 23,74 7418,75 148,38 3,71 12,32

6 0,305 23,05 7203,13 144,06 3,60 11,81

7 0,3068 21,67 6771,88 135,44 3,39 11,04

8 0,306 20,65 6453,13 129,06 3,23 10,54 Fuente: Elaboración propia.

Nota:

Solución A.- 0.3 g de la muestra de té verde aforado en 25 ml de Etanol-Agua (50:50)

Dilución B.- 0,5 ml de la solución A filtrada en 25 ml de Etanol-Agua (50:50)

Ac. Ascórbico ppm (1).- Concentración de ácido ascórbico para 0.08 ml de la Dilución B.

Ac. Ascórbico ppm (2).- Concentración de acido ascórbico para 25 ml de la Dilución B.

Ac. Ascórbico ppm (3).- Concentración de acido ascórbico para 0.5 ml de la solución A

filtrada.

Ac. Ascórbico mg (4).- Masa (g) de acido ascórbico para 25ml de la solución A.

Ac. Ascórbico Equivalente (5).- Mg de acido ascórbico/ g de la muestra de té verde (0.3g).

ANEXO B

TÉCNICAS ANALÍTICAS

122

B.1 Densidad del extracto

B.1.1 Densidad aparente

Para determinar este parámetro se pesa las hojas de té verde seco en una probeta

previamente pesada de 100 ml con un precisión de +-0.1 g y compactar ligeramente con

algún objeto de goma hasta la marca de 100 ml. La densidad se calcula con la siguiente

ecuación:

[Ec.B.1]

ρap=mV

Donde:

m= masa del té = 1.066 g = 0.001066 Kg

V= volumen de la probeta = 100 ml = 1E-4 m 3


ρap=1060kgm3

B.1.2 Densidad real de las hojas del té

La densidad real (Dr) se mide con un matraz aforado de gran precisión. Consiste en evaluar

la densidad de las partículas sólidas midiendo el volumen de ocupado par las partículas en

el matraz. Los pasos a seguir son los siguientes:

• Pesar exactamente 10 gramos de la muestra seca.

• Introducirlos en un picnómetro de 100 ml previamente tarado y pesar

• Limpiar el cuello del matraz con un frasco lavador con agua destilada para arrastrar

partículas de suelo que hubieran podido quedar adheridas llenándolo así hasta la

mitad.

• Calentar lentamente hasta el matraz aforado con la muestra agitando suavemente

durante 10 segundos cada minuto para evitar la formación de espuma. Hervir durante

10 minutos para que el aire que ocupa los poros escape.

• Cuando ya esté frío dejar reposar el matraz.

• Al cabo dé este tiempo rellenar con agua destilada hasta enrasar y pesarlo.

• Finalmente limpia bien el matraz, enrásalo únicamente con agua destilada y pesar.

123

La densidad o peso específico se calcula:

[Ec.B2]

ρ real =m s V s

Donde:

Ρ real: Densidad real del té (g/ml)

m s: masa de las hojas de té (g)

Vs: Volumen que ocupan las hojas de té (ml)

Datos:

Masa balón = 52.80 (g.).

Densidad del agua= 0.99823 (g/ml)

Tabla B.1 Densidad del té verde

Nº Hojas de té (g)

Hojas de té +agua

(g)

Masa de Agua(g)

Volumen del agua

(ml)

Volumen del té (ml)

Densidad del té (g/ml)

1 10 100,58 90,5 90,715 9,289 1,075 2 10 100,54 90,59 90,71 9,288 1,078 3 10 100,53 90,55 90,709 9,289 1,074

Promedio 10 100,55 90,55 90,711 9,289 1,076 Fuente: Elaboración propia.

Nota: Algunos factores que hacen inexacto al método son: la volatilidad de los solventes y la

viscosidad del extracto, especialmente si éste es concentrado.

B.1.3 Densidad absoluta del extracto

La densidad del extracto concentrado y extracto diluido después de la filtración se determinó

con ayuda de un picnómetro de rebalse.

El método utilizado es el siguiente:

• Pesar el picnómetro vacío.

• Llenar con agua destilada a dicha temperatura y la masa de agua se determina el

volumen del picnómetro.

124

• Pesar el picnómetro lleno con el extracto a la misma temperatura que se utilizó para

el agua.

• Una vez conocida la masa y el volumen se calcula la densidad del extracto.

• Se debe secar el picnómetro cada vez que se produzca derrame. Para pesarlo debe

estar completamente seco.

Densidad del extracto:

ρs = m sV ag

Donde:

ρ s: Densidad del extracto (g/ml)

m s: Masa del extracto (g)

v ag: Volumen del agua (ml)

Tabla B.2 Densidad del extracto diluído:

Temperatura ( 0C )

Masa extracto (g)

Masa agua (g)

Densidad del agua

(ml)

Volumen del agua

(ml)

Densidad del

extracto (g/ml)

20 67.55 66.41 0.998204 66.53 1.0153

25 67.52 66.34 0.997045 66.54 1.0148 30 67.50 66.28 0.995647 66.57 1.0139 35 67.45 66.23 0.994032 66.63 1.0124


Tabla B.3 Densidad del extracto concentrado:

Temperatura ( 0C )

Masa extracto (g)

Masa agua (g)

Densidad del agua

(ml)

Volumen del agua

(ml)

Densidad del

extracto (g/ml)

20 22.814 21.9992 0.998204 22.038 1.035

25 22.771 21.955 0.997045 22.019 1.034 30 22.770 21.947 0.995647 22.0424 1.033 35 22.770 21.942 0.994032 22.0640 1.032


125

Tabla B.4 Densidad del extracto seco

Temperatura ( 0C )

Masa extracto (g)

Masa agua (g)

Densidad del agua

(ml)

Volumen del agua

(ml)

Densidad del

extracto (g/ml)

20 17,524 21.999 0.998204 22,0383 0,795

25 17,449 21.954 0.997045 22,019 0,792

30 17,373 21.946 0.995647 22,042 0,789

35 17,298 21.9414 0.994032 22,064 0,784


B.2 VISCOSIDAD

B.2.1. Método de Ostwald

Figura B.1 Viscosímetro de Ostwald

El método más sencillo para medir viscosidades es mediante un viscosímetro de Ostwald

(ver figura B.1). En este tipo de viscosímetros, se determina la viscosidad de un líquido

midiendo el tiempo de flujo de un volumen dado V del líquido en un tubo capilar bajo la

influencia de la gravedad.

Utilización del viscosímetro de Ostwald:

• Llenar el viscosímetro limpio y seco con 10ml del líquido problema.

• Introducir el viscosímetro en el baño térmico y esperar unos cinco minutos para que el líquido

problema alcance la temperatura de medida.

• Succionar líquido por encima de la marca superior del viscosímetro y medir el tiempo de

paso del mismo entre las marcas superior e inferior.

126

• Hacer hasta 4 medidas independientes.

• Cuando se termine la serie de medidas con un líquido limpiar el viscosímetro primero con

agua abundante y por ultimo secar.

η1

η2=

t1*γ1

t2*γ2

Donde:

η1: viscosidad del agua (g/m*s).

η2: viscosidad del extracto (g/m*s).

γ1: densidad del agua (g/m3).

γ2: densidad del extracto (g/m3).

t1: tiempo recorrido del agua (s).

t2: tiempo recorrido del extracto (s).

Tabla B.5 Viscosidad del extracto diluido:

Agua Extracto

T˚ C t1 (s) ρ (g/m3) η1 (g/m*s) T˚ C t2 (s) ρ (g/m3) η2 (g/m*s)

20 56,7 0,99283 1,005 20 140.9 1.0153 2.5535

25 51,7 0,99708 0,8999 25 137.2 1.0148 2.4307

30 46,9 0,99568 0,8007 30 136.2 1.0139 2.3679

35 42,4 0,99445 0,7154 35 134.2 1.0124 2.3051 Fuente: Elaboración propia.

B.3 Análisis granulométrico

El análisis granulométrico permitirá determinar el tamaño promedio de partícula.

El método empleado para la determinación de la distribución de tamaño de partícula,

establecido por la norma ASTM D2862-52, consiste en colocar una cantidad determinada en

la malla superior y agitar, después de los cuales se determina el porcentaje en peso retenido

en cada una de las mallas restantes y en la base. El diámetro promedio de la partícula se

calcula a partir de la ecuación presentada a continuación:

127

Dp= ∑(M*f)/∑M

Donde:

Dp: diámetro de partícula (µm).

M: masa retenida (g).

f: apertura de malla (µm).

Tabla B.6 Análisis granulométrico

Malla Tamiz

Masa retenida

1

Masa retenida

2

Masa retenida

3

Masa retenida

promedio

850 320 19,7 15,3 17,4 17,5

600 346 23,5 20,6 20,1 21,4

500 356 34,5 30,1 29,9 31,5

425 336 20,3 20,2 22,8 21,1

300 326 17,5 15,2 18,3 17,0

250 320 15,8 17,1 15,9 16,3

180 301 9,8 13,0 11,5 11,4

150 274 8,5 9,0 7,5 8,3

0 473 4,9 6,3 5,4 5,5 Fuente: Elaboración propia.

ANEXO C

DATOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA

CINÉTICA DE EXTRACCIÓN

128

Las extracciones se realizaron en el tanque agitado con control de temperatura de extracción

de 60 ºC, 400 rpm, relación masa solvente de 1:10 y agua tratada como solvente de

extracción por un tiempo de 8 horas.

C.1 Ecuación cinética de segundo orden

La ecuación cinética de segundo orden para la determinación de la cinética de extracción se

muestra en la Tabla C.1 y en la figura C.1:

Tabla C.1 Ecuación cinética de segundo orden

t (h) Eq (mg Ac.

Ascórbico/g té verde)

1/Eq

0,17 5,47 0,183

0,333 5,97 0,167

0,5 8,88 0,113

1 17,94 0,056

2 15,25 0,066

3 13,47 0,074

4 12,75 0,078

5 12,32 0,081

6 11,81 0,085

7 11,04 0,09

8 10,54 0,095 Fuente: Elaboración propia.

A= 0.119

B= -6.097∗ 10K

R= -0.423

Y= 0.119-6.097*10-3X

129

Figura C.1 Cinética de extracción de segundo orden


C.2 Cinética de tipo Michaelis Menten

Tabla C.2 Cinética de extraccion tipo Michaelis Men ten

A= 0.074

B= 0.019

R= 0.882

Y= 0.074 + 0.019 X


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,17 0,333 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8

1/E

q

tiempo (h)

1/t 1/Eq

5,882353 0,183

3,003003 0,167

2 0,113

1 0,056

0,5 0,065

0,333333 0,074

0,25 0,078

0,2 0,081

0,166667 0,085

0,142857 0,090

0,125 0,095

130

Figura C.2 Cinética de extracción tipo Michaelis Me nten


C.3 Cinética tipo isoterma de Langmuir

Tabla C.3 Cinética de extracción tipo isoterma de Langmuir

t (h) t/Eq

0,17 0,031

0,333 0,056

0,5 0,056

1 0,056

2 0,131

3 0,223

4 0,314

5 0,406

6 0,508

7 0,634

8 0,759 Fuente: Elaboración propia.

A= - 0.012

B= 0.089

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 1 2 3 4 5 6 7

1/E

q

1/h

131

R= 0.99

Y= - 0.012 + 0.089* X

Figura C.3 Cinética de extracción tipo isoterma de

Langmuir


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,17 0,333 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8

t/E

q

tiempo (h)

ANEXO D

ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES

132

D.1 Densidad de la mezcla en el extractor

[Ec.D.1]

ρ m= té*Xté+ρH2O*XH2O

Donde:

ρ m: Densidad de la mezcla (kg/m3)

ρ Té: Densidad del té =1076.36 Kg/m3

X té: Fracción másica del té= 57/570=0.1

ρ H2O: Densidad del agua = 986 Kg/m3

XH2O: Fraccion másica del agua =1- X té= 0.9


ρm= 994.51 Kg/m3

D.2 Viscosidad de la mezcla

La viscosidad de la mezcla en el tanque agitado se puede calcular a partir de la siguiente

fórmula (Treyball , 2000):

[Ec.D.2]

µm=µl!1-

Φsm

Φss"1.8

Donde:

µl= Viscosidad del agua a 60ºC= 0.4688*10-3 Kg/m*s

Φ ss: Fracción de volumen de sólido=0.6

Nota: Φ ss puede calcularse como 0.6 si no hay datos medidos. Los resultados son malos

con respecto a números de Reynolds del impulsor menores a 1000 (Treyball, 2000)

Φ sm: Fraccion hueca. Puede calcularse así:

[Ec.D.3]

133

Φsm=Vté

Vtotal

Donde:

[Ec.D.4]

Vté=mtéρ té

Donde:

m té= 57 Kg

ρté a 60°C= 1076 Kg/m3

Vté= 0.053 m3

[Ec.D.5]

VH2O=mH2O

ρ H2O

Donde:

mH2O= 570 kg

ρH2O a 60°C= 986.36 Kg/m3

[Ec.D.6]

Vtotal= VH2O+Vté

Reemplazando datos en [Ec. D.6] se tiene:

Vtotal= 0.63 m3

Reemplazando V té y V total en [Ec. D.3] se tiene:

Φsm = 0.084

Reemplazando datos en [Ec. D.2], se tiene:

µm= 6.15 E-4 Kg/ms

134

D.3 Temperatura de la pared del evaporador

[Ec.D.7]

TP=T1+T3

2 +T4+T62

2

Donde:

Tp: Temperatura de la pared del evaporador (K).

T1: Temperatura de entrada del extracto= 298.15 K = 25 ºC

T3: Temperatura de vaporización del extracto, se considera 5 ºC mas que la temperatura de

saturación del agua = 329.46 K = 56.31 ºC

T4: Temperatura de entrada del agua para la calefacción= 366.15 K =93 ºC

T6: Temperatura de salida del agua para la calefacción = 355.91 K = 82.76 ºC


Tp= 355.91 K

D.4 Estimación de propiedades del secado por aspe rsión

La temperatura de entrada y salida del aire para un flujo paralelo es conveniente de 200

hasta 90 ºC (Masters, 1991):

Tabla D.1 Eficiencias térmicas en operaciones típic as de secado por aspersión que

comprenden diferentes diseños de cámaras

Diseño de cámara Temperatura de entrada del aire (ºC)

Temperatura de salida del

aire (ºC)

Eficiencia aprox.

Tamaño medio de

partícula(µm) Flujo paralelo 200 90 60 40-100 Flujo paralelo 500 100 82,5 40-100 Flujo contracorriente 750 110 88 40-100 Flujo mezclado 350 90 80 150-350 Flujo mezclado 220 60 78 200-1000

Fuente: Masters , (1991)

ANEXO E

CÁLCULOS AUXILIARES DE DISEÑO DE

EQUIPOS

135

E.1 Extractor

E.1.1 Cálculo del volumen requerido para el reactor

El extractor será diseñado para que el total del té, sea extraído en dos lotes y de esta

manera se evite el taponamiento debido a la carga excesiva.

Los datos:

ρté a 60°C= 1076 Kg/m3

ρH2O a 60°C= 986.36 Kg/m3

La carga de té será de 57 Kg por lote y el volumen de agua será de 570 Kg.

Vtotal= VH2O+Vté

V total=mH2O

ρ H2O+

mté

ρ té

V total=0.6308563 m3 =630,8563 L

E.1.2 Cálculo del coeficiente de transferencia de c alor en el tanque hi

El cálculo del coeficiente de transferencia de calor se realiza mediante la siguiente

correlación:

[Ec.E1]

hi*Dt

K=a* 'Da

2*N*ρµ

(b

* #Cp*µK

$13

* µµw

m

Donde:

Da: Diámetro del agitador=0.283 m

Dt: Diámetro del tanque= 0.85 m

N: Velocidad rotacional= 6.667 rev/s

Las propiedades del agua son evaluadas a temperatura media de 40 ºC:

ρ: Densidad = 992,25 Kg/m3

Cp: Calor específico = 4181 J/Kg* K

K: Conductividad térmica = 0,628 W/m* K

136

µ: Viscosidad de la mezcla = 6,56*10-4 K/m*seg

µw: Viscosidad pared = 4,69*10-4 K/m*seg

Que puede expresarse como:

[Ec.E2]

hi*Dt

K=a*(Re)b*(Pr)1

3* µµw

m

Número de Reynolds:

Re= 807645,2

Número de Prandtl:

Pr= 4,367414

Para un agitador de turbinas con aspas y deflectores, se tiene de acuerdo a la referencia

(Geankoplis, 2006):

a= 0.74

b= 0.6667

m= 0.14

Reemplazando todos los valores se tiene:

hi= 8127.422 W/m2*k

E.1.3 Cálculo del área de transferencia de calor

El área se calcula con la siguiente ecuación: (Kern, 1998)

[Ec.E3]

A=π*Dt*h+2*π*Dt

2

4

Reemplazando los valores de altura y diámetro del tanque anteriormente hallado, tenemos

el área de transferencia de calor:

A= 4,07 m2

137

E.1.4 Cálculo del coeficiente convectivo para el ai re

Para una superficie o placa vertical isotérmica, el coeficiente promedio de transferencia de

calor por convección natural puede expresarse mediante la siguiente ecuación (Geankoplis,

2006):

[Ec.E4]

Nu=h*lk

=a* 'L3*ρ2*g*β*∆T*Cp*µ

µ2*k(m

=a*(Gr*Pr)m

Donde:

ρ2*g*β

µ2 (Geankoplis, 2006)= 8,2*106 1/K*m3

∆T: Diferencia de la temperatura de la pared de la chaqueta y el aire= 73 ºC

K: conductividad térmica para el aire= 0,028w/m*K

L: Altura del extractor= 1,1 m

Cp: Calor específico para el aire= 1,00872 Kj/Kg*K

µ: Viscosidad del aire a 56,5 °C= 1,99*105 Kg/m*seg

Número de Prandtl

Pr= 0,70

Número de Grashof:

[Ec.E5]

Gr= L3*ρ2*g*β*∆T

µ2

Gr =7,97*107

Puesto que Gr>10`, entonces se usa la siguiente correlación (Perry, 1993):

[Ec.E6]

Nu=h*lk

=0.683*Gr0.25*Pr0.25* Pr0.861+Pr

0.25

h= 3,97 w/m2*° K.

138

E.2 Evaporador

E.2.1 Cálculo del coeficiente de transferencia por los tubos (extracto)

Como la velocidad de flujo másico es pequeña, se considera régimen laminar por lo tanto el

coeficiente de película se calcula según la ecuación de Nusselt (Holfman,1998), para una

película delgada con flujo laminar:

[Ec.E7]

hi=0.943* #λextr*g*ρextr2*Kextr

3

Ltubo*(Tp-T2)*µextr$1/4

Donde:

Las propiedades fueron evaluadas a temperatura media Tm= (T1+T3)/2 =313.81 K=40 ºC

con referencia al aguay experimentalmente.

λextr: Entalpia de vaporización del extracto = 250 Kcal/ Kg

g: Aceleración de la gravedad (9,8 m/s2) = 1,27*106 m/h2

ρextr :Densidad del extracto diluido = 1007.9 Kg/m3

K extr: Conductividad térmica del extracto = 0.54 Kcal/h*m* K

L tubo: Longitud estimada = 2m

Tp: Temperatura de la pared (Anexo D.3)= 355.91 K

T2: Temperatura de saturación del extracto = 355.91 K

µ extr: Viscosidad del extracto diluído =2.24 g/ms= 8 Kg/m*h


hi= 1378.6 Kcal/ h*m2 *K

139

E.2.2 Cálculo del coeficiente de calor en el agua d e calefacción hº por la carcaza.

• Diámetro equivalente

Para el diseño del diámetro equivalente a través de la coraza se parte de la siguiente

ecuación:

Deq=4*Área Flujo

perímetro mojado

[Ec.E8]

Deq=4* c1

2*Pt*0.86Pt-12*Π*

de

4

2

1

2*Π*de

d

Donde:

Deq: Diámetro equivalente del tubo (m).

d e: Diámetro externo del tubo = 0,0525 m

Asumiendo un arreglo triangular:

Pt= 2.95 plg=0.075 m


Deq= 0.038 m

• Número de Reynolds

[Ec.E9]

Re=4*mac

µac*Π*Deq

Las propiedades fueron evaluadas a temperatura media del agua de calefacción de 333.25

K:

mac: Flujo másico del agua de calefacción = 3760 Kg/h

Deq: Diámetro equivalente= 0.010 m

µ ac: Viscosidad del agua de calefacción= 1.2 Kg/m*h

140


Re= 8236.7 Turbulento

• Número de Prandtl

[Ec.E10]

Pr= (Cpac*µac)Kac

Donde:

Las propiedades (Geankoplis, 1998) fueron evaluadas a temperatura media del agua de

calefacción: Tm= (T4+T6)/2 = 361.03 K:

µ ac: Viscosidad del agua de calefacción= 1.2 Kg/ m*h

Cp ac : Capacidad calorífica del agua de calefacción = 1 Kcal/Kg* K

Kac: Conductividad térmica del agua de calefacción = 0.58 Kcal/ m*h*K

Reemplazando se obtiene:

Pr=2.09

• Número de Nurst

Para esta determinación es necesario tener una ecuación o una correlación experimental del

número de Nusselt, para tubos cilíndricos sumergidos en un fluido turbulento, dicha

correlación está dada por Churchill y Bernstein aplicable para 100<Re<1E7 (Holfman, 1998).

[Ec.E11]

Nu=0.3+0.62*Re

12*Pr

13

#1+ !0.4

Pr"2

3$14

* e1+ Re28200

58f

45


Nu = 143.86

141

[Ec.E12]

Nu=ho*Deq

K

Donde:

Las propiedades (Geankoplis, 1998) fueron evaluadas a temp. media del agua de

calefacción: Tm=(T4+T6 )/2 = 333.25 K

µ ac: Viscosidad del agua de calefacción

Cp ac : Capacidad calorífica del agua de calefacción

Despejando ho se tiene:

ho = 1378.6 Kcal/ h*m2*K

E.2.3 Determinación del coeficiente global de trans ferencia de calor

El coeficiente global de transferencia de calor limpio se determina a través de la siguiente

ecuación (Mills, 1997):

[Ec.E13]

Uc=1

1

hi+

δ

Ktubo*

di

dlog+

1*Di

h0*De

Donde:

hi: coeficiente de transferencia de calor en los tubos= 1378.6 Kcal/ h* m2* K

ho: coeficiente de transferencia de calor en la coraza =944.62 Kcal/ h *m2* K

δ Espesor del tubo = 0.003915 m

K tubo: Conductividad térmica del tubo = 14 Kcal / m* h* K

Di: Diámetro interno del tubo externo= 0.052 m

De: Diámetro externo del tubo externo= 0.06 m

di: Diámetro interno de tubo interno= 0.016 m

de: Diámetro externo del tubo interno= 0.021 m

dl: Diámetro medio logaritmo del tubo interior =0.056 m

142

[Ec.E14]

dl=de-di

lnde

di


Uc= 511.42 Kcal/h*m2 *K

E.2.4 Coeficiente de transferencia de calor global teórico

[Ec.E15]

UD=1

Rd+1

Uc

RD: Factor de suciedad para agua de proceso Rd+Rd0 (Kern, 1968) = 4*10-4 h*m2 K/Kcal


UD=424.57 Kcal/ h*m2 *K

E.3 Secador

E.3.1 Velocidad periférica de la bomba

[Ec.E16]

Vp=Π*Ddisco*N

Donde:

Vp: Velocidad periférica (m/s)

Ddisco: Diámetro del disco (m)

N: Velocidad del disco (rps)


Vp= 104.3 m/s

143

E.3.2 Entalpía del extracto

Es igual a la suma de la entalpía de los sólidos secos más la entalpia del agua contenida,

por lo tanto:

ms*hs= mss*hss+mws*hws [Ec.E17]

Como h=m*Cp*∆T y reemplazando en [Ec.E17] se tiene:

ms*hs= mss*(Ts-T0)*(Cps+Cpws*Hs) [Ec.E18]

Donde:

Cps: Calor especifico del solido seco (Kcal/Kg K)

Cpw: Calor especifico del agua contenido en el sólido (Kcal/Kg K)

T0: Temperatura de referencia = 273.15 K =0ºC

E.3.3 Entalpía del aire

Es igual a la sumatoria de: la entalpía del aire seco, vapor de agua y la energía requerida

para la evaporación, entonces:

ma*ha= msa*Cpsa*(Ta-T0)+mwa*Cpwa*(Ta-T0)+mwa*λwa [Ec.E19]

Como mwa = Ha*msa , factorizando y reemplazando en [Ec.E19] se tiene:

ma*ha= msa[(Ta-T0)*(Cpsa+ Cpwa*Ha) + Ha*λwa] [Ec.E20]

Donde:

Cpsa: Calor específico del aire seco (Kcal/Kg K)

Cpwa: Calor específico del vapor de agua (Kcal/Kg K)

λwa: Calor latente de vaporización (Kcal/kg)

Ta: Temperatura del aire (K)

To: Temperatura de referencia = 273 K

144

Figura E.1 Carta Psicrométrica

Fuente: Wark, (1998)

145

Figura E.2 Carta psicrométrica

Fuente: Wark, (1998)

146

E.3.4 Determinación de la ecuación para el cálculo del diámetro crítico

Para determinar el diámetro de la gota en el punto crítico, puede deducirse a partir de un

balance de materia de los sólidos secos en la gota.

Suponiendo que no hay colisiones entre las gotas, por lo tanto no hay ruptura ni

coalescencia de las mismas, la masa de los sólidos secos de la gota se mantiene constante

desde la entrada hasta la salida de la cámara de secado, de tal manera que:

[Ec.E21]

VG1*ρs1

1+Hs1=

VG2*ρs2

1+Hs2

Donde:

VG1: Volumen de la gota inicial (m3).

ρs1: Densidad del extracto de entrada (Kg/m3).

VG2: Volumen de la gota final (m3).

ρs2: Densidad del producto seco (Kg/m3).

Hs1: Humedad inicial del extracto de alimentación (Kgagua/Kgss).

Hs2: Humedad final del producto (Kgagua/Kgss).

Asumiendo que las gotas son esféricas la masa puede expresarse de la siguiente forma:

[Ec.E22]

mG= g ∗ h ∗DG

3*ρ

Reemplazando la ecuación [Ec.E22] en la ecuación [Ec.E21] se obtiene:

[Ec.E23]

4

3*π*

DG13

8*ρs1

1+Hs1=

4

3*π*

DG23

8*ρs2

1+Hs2

147

A la entrada el diámetro de la gota es de 95 y a la salida su diámetro es igual al diámetro

crítico por lo cual:

[Ec.E24]

4

3*π*

D953

8*ρs1

1+Hs1=

4

3*π*

DC3

8*ρs2

1+Hs2

Despejando el diámetro crítico se obtiene:

[Ec.E25]

DC=D95* iρs1

ρs2*

1+Hs2

1+Hs1j1

3

Donde:

Dc: Diámetro crítico de la gota (m).

D95: Diámetro 95 de la gota (m).

ρs1: Densidad del extracto de entrada (Kg/m3).

ρs2: Densidad del extracto de salida (Kg/m3).

Hs1: Humedad inicial del extracto de entrada (Kg agua / Kg sólido seco).

Hs2: Humedad final del producto (Kg agua / Kg sólido seco).

E.3.5 Disminución de la gota

La disminución del diámetro de la gota se debe a la pérdida de humedad, de tal forma que la

humedad removida de la gota cuando se alcanza el punto crítico puede escribirse como

(Masters,1994):

[Ec.E26]

ar=Π

6*(D95

3-Dc3)*ρwa2

Donde:

ar: Disminución de la gota (kg)

Dc: Diámetro de la gota en el punto crítico (m)

148


ρwa2:Densidad del agua a la temperatura del aire de salida (kg/m3)


ar= 3.64 *10-11 Kg

E.3.6 Agua remanente

Ahora la humedad remanente de la gota será la diferencia entre la humedad inicial y la

humedad removida, por lo tanto:

[Ec.E27]

ap=Π

6* #D95

3* ρs2

1+Hs1$ *Hs1-ar

ap= agua remanente(kg)



Hs1: Humedad en Base seca del extracto (Kg agua/Kg solido seco)

ar: Agua remanente (kg)


ap=8.48*10-12 Kg

E.3.7 Humedad crítica del aire

Balance de masa del agua:

mws1 + mwa1=mwsc+mwac [Ec.E28]

Donde:

mws1: Flujo de masa de agua contenida en la alimentación al ingreso de la cámara (kg/s)

mwa1:Flujo de masa de agua contenida en el aire al ingreso de la cámara (kg/s)

mwsc:Flujo de masa de agua critico contenida en el extracto (kg/s)

mwac:Flujo de masa de agua critico contenida en el aire (kg/s)

149

Como:

Hsc= mwc/mssc y Hac= mwac/masc [Ec.E29]

Reemplazando [Ec.E29] en [Ec.E28] se obtiene:

mss1*Hs1 + msa1*Ha1=mssc*Hsc+mac*Hac

Suponiendo que no hay fugas ni retención de producto mss1=mss2=mss y msa1=msa2=msa:

mss*Hs1+mas*Ha1= mss*Hsc+mas*Hac

Hac=mss(Hs1-Hsc)+msa*Ha1

Despejando Hac y factorizando se tiene:

[Ec.E30]

Hac=Ha1+mss

msa*(Hs1-Hsc)

E.3.8 Entalpía crítica del sólido

La entalpía de los sólidos cuando se alcanza el punto crítico se calcula de la siguiente forma:

hsc=Cpsc(Tsc-T0)+Cpwc(Tsc-T0)

hsc = (Tsc-T0)*(Cpsc+Cpwc*Hsc) [Ec.E31]

Donde:

hsc: Entalpía crítica del sólido (Kcal/Kg)

Cpsc: Capacidad calorífica crítica del sólido (Kcal/Kg* K)

Cpwc: Capacidad calorífica crítica del agua (Kcal/Kg*K)

Hsc= Humedad crítica del sólido o humedad crítica de la gota (Kg agua/ Kg sólido seco)

Reemplazando datos en [Ec.E30] se tiene:

hsc=17.277Kcal/Kg

E.3.9 Entalpía crítica del aire:

mss1*hs1 + msa1*ha1=mssc*hsc+mac*hac

Suponiendo que no hay fugas ni retención de producto mss1=mss2=mss y msa1=msa2=msa

mss*hs1+mas*ha1= mss*hsc+mas*hac

hac=mss(hs1-hsc)+msa*ha1

150

Despejando hac y factorizando se tiene:

[Ec.E32]

hac=ha1+mss

msa*(hs1-hsc)

Donde:

hac: Entalpía crítica del aire (Kcal/Kg)

ha1: Entalpía del aire en la alimentación (Kcal/Kg)

hs1: Entalpía del extracto en la alimentación (Kcal/Kg)

hsc: Entalpía crítica del extracto (Kcal/Kg)

ms:Flujo másico del sólido seco (Kg/s )

msa: Flujo másico del aire seco (Kg/s)


hac=62.28 kcal/kg

E.3.10 Temperatura crítica del aire

La temperatura del aire cuando alcanza el punto crítico la podemos calcular a partir del

cálculo de la entalpia del aire en el punto crítico (Ibarz, 2003):

hac= [(Tac-T0)*(Cpac+ Cpwac*Ha) + Hac*λwac] [Ec.E33]

Despejando Tac:

[Ec.E34]

Tac=T0+hac-λwac*Hac

Cpac+Hac*Cpwac

E.3.11 Ecuación del periodo de secado constante

El tiempo de secado en el periodo de velocidad constante puede deducirse a partir de un

balance de calor sobre la gota asperjada suponiendo un equilibrio dinámico, donde la

velocidad de transferencia de calor es igual a la velocidad de transferencia de masa

multiplicada por el calor latente de vaporización, así:

151

[Ec.E35]

hc*A*∆Tml1=-λbhdmG

dt

Donde:

hc: Coeficiente de transferencia de calor (W/m2*K).

A: Área de la gota (m2).

∆Tml1: Media logarítmica de temperatura entre la gota y el aire desde la entrada hasta el

punto crítico (K).

λ bh. Calor latente de vaporización a la temperatura de bulbo húmedo (J/Kg).

dmG

dt: Velocidad de transferencia de masa (Kg/s).

Suponiendo que la gota asperjada es esférica y que no cambia de forma a medida que es

secada, entonces el área de transferencia de calor, se define como:

[Ec.E36]

A=πDG2

Reemplazando la ecuación [Ec.E22] y [Ec.E36] en la ecuación [Ec.E35] obtenemos:

[Ec.E37]

dt=-λbh*ρw

2*hc*∆TML1dD

G

Integrando la ecuación [Ec.E37] de t=0 a t= tc y de Dd= D95 a Dd= Dc se obtiene:

[Ec.E38]

tc=-

λbh*ρw

2*∆TML1l dDG

hc

Dc

D95

El coeficiente de calor puede despejarse del número de Nusselt, quedando:

[Ec.E39]

hc=Nu*ka1

DG

152

Donde:

ℎn: Coeficiente de transferencia de calor (W/m2*K).

Nu: Número de Nusselt.

kp: Conductividad térmica de la película de aire que rodea la gota (W/m*K).

Dq: Diámetro de la gota (m).

El número de nusselt se calcula a partir de:

[Ec.E40]

Nu=2+0.6*Re12*Pr

13

Donde:

Re: Número de Reynolds.

Pr: Número de Prandtl.

El número de Reynolds es igual a:

[Ec.E41]

Re= DG*Vrel

µa

Donde:

Re: Número de Reynolds.

DG: Diámetro de la gota (m).

Vrel: Velocidad relativa entre el aire y el agua (m/s).

µa : Viscosidad de la película del aire (N.s/m2).

Reemplazando la ecuación [Ec.E39], [Ec.E40] y [Ec.E41] en [Ec.E38] tenemos:

[Ec.E42]

tc=-λbh*ρw

2*∆TML1l DG

r2+0.6* DG*Vrel*ρa

µa1

2* !Cp*µa

ka1"1

3sDc

D95

dDG

153

Debido al alto grado de complejidad que representa resolver la integral anterior, conviene

suponer que la velocidad relativa entre la gota y el aire, es despreciable, por tanto, la

ecuación E42 queda:

[Ec.E43]

tc=λbh*ρwbh

8*∆TML1*ka1*(D95

2-Dc

2) Donde:

tc: Tiempo del periodo de secado constante (s).

λbh: Calor latente de vaporización a la temperatura de bulbo húmedo (J/Kg).

ρ wbh: Densidad del agua a temperartura de bulbo húmedo (Kg/m3).

∆TML1: Media logarítmica de temperatura entre la gota y el aire desde la entrada hasta el

punto crítico (K).

tu: Conductividad térmica de la película de aire que rodea la gota evaluada a una

temperatura promedio entre T2 y T4 (W/m*K).

D95: Diámetro 95 de la gota (m).

Dc: Diámetro crítico de la gota (m).

E.3.12 Radio de la cámara de secado

Como:

[Ec.E44]

tv=!Rcs -

Dr

4"2

2.4*Vres* !b*Dr

2"1/2

Según las condiciones para el diseño de la cámara de secado se debe cumplir que el tiempo

de viaje de la gota sea mayor o igual al tiempo de secado, por lo tanto para cumplir con esta

condición se establece:

tv=tT

Así que despejando el radio de la cámara de secado de la [Ec.E44] se tiene:

154

[Ec.E45]

Rcs= 'tT*2.4*V* b*Ddisco

2(1/2

+Ddisco

4

Donde:

V: velocidad de la gota que sale del atomizador.

b: La anchura de un chorro imaginario.

tT: Tiempo total de secado.

Ddisco: Diámetro del disco.

La velocidad de la gota que sale del atomizador rotatorio se define como la suma de sus

componentes:

[Ec.E46]

Vres=√Vt02+Vr0

2+Vv02

Donde:

Vt0: Velocidad tangencial de la gota (m/s).

Vr0: Velocidad radial de la gota (m/s).

Vv0: Velocidad axial de la gota (m/s).

La velocidad tangencial de las gotas que salen del atomizador rotatorio se calcula con la

siguiente expresión:

[Ec.E47]

Vt0=π*Ddisco*N

Donde:

N = Velocidad angular del atomizador (rps).


Vt0= 104.72 m/s

155

• La velocidad radial de las gotas

La velocidad radial de las gotas que salen del atomizador se calcula así (Master, 1991):

[Ec.E48]

Vr= ems12*N2*

Ddisco

2*ρs1

3*µs1*hp2 f1/3

Vr: velocidad radial de las gotas (m/s).

ms1: Flujo másico de la alimentación (Kg/s).

N: Velocidad angular (rad/s) = 2*Π*N (rps).

ρs1: Densidad de los sólidos de la alimentación (kg/m3).

µs1: Viscosidad del extracto concentrado (Kg/m*s).

hp: Altura de aspas (m).


Vr=405.31 m/s

• Velocidad axial de las gotas

La velocidad axial de las gotas que salen del atomizador es considerable despreciable ya

que el ángulo de atomización es de 180º, por lo tanto:

Va=0

• Anchura de un chorro imaginario de aire

La anchura de un chorro imaginario de aire que sale del disco rotatorio con la misma

composición de aire a la salida de la cámara de secado, es igual a (Masters, 1985):

[Ec.E49]

b=ms1

ρa2*2*π*Ddisco

2*V

b : Anchura de chorro imaginario de aire (m)

ms1 : Flujo másico de la alimentación (kg/s)

ρa2: Densidad del aire a la salida del secador (kg/m3)

156

V: velocidad de la gota que sale del atomizador (m/s)

D disco: Diámetro del atomizador (m)


b= 9.04 *10-5 m

Reemplazando en la [Ec.E47], [Ec.E48] en [Ec.E46] se tiene:

V res= 418.62 m/s

E.3.13 CICLÓN

E.3.13.1 Velocidad equivalente

[Ec.E50]

veq=54*g*µa2*(ρss2-ρa2)3*va2

3

veq: Velocidad equivalente (m/s).

Las propiedades son evaluadas a Ta2= 95 ºC

ρs2: Densidad de las partículas secas (kg/m3).

ρa: Densidad del aire a la temperatura de entrada del ciclón (kg/m3).

µa: Viscosidad del aire la temperatura de entrada del ciclón (kg/m*s).


V eq= 0.582 m/s

E.3.13.2 Exponente del vórtice

El exponente del vórtice resulta de relacionar la velocidad tangencial y el radio de giro de un

movimiento en forma de vórtice. Los análisis teóricos revelan que n debe ser igual a 1.0 en

ausencia de fricción de pared (vórtice libre). No obstante, las mediciones reales señalan

que n puede variar de 0.5 a 0.7 de acuerdo con el tamaño del ciclón y la temperatura; una

ecuación empírica muy utilizada es (Masters, 1985):

157

[Ec.E51]

n=1-1-0.67*Dc0.14* Ta2

2830.3

Donde:

n = Exponente del vórtice (valor adimensional).

Dc = Diámetro del ciclón (m).

Ta2 = Temperatura del aire a la entrada del ciclón (K).

n= 0.52

E.3.13.3 Tiempo de relajación

El tiempo de relajación es el tiempo necesario para que una partícula alcance la velocidad

terminal de caída:

[Ec.E52]

ti= ρs2*Dp218*µa

ρs2 : Densidad de las partículas (kg/m3).

Dp: Diámetro de partículas (m).

µa: Viscosidad del aire la temperatura de entrada del ciclón (kg/m*s).

ti= 4.78 *10-3 s

158

E.4 Caldero

E.4.1 Balance de masa

Se desea producir 100 kg/h de vapor saturado, el caldero trabajará aproximadamente al

80% de su eficiencia, usará como combustible gas natural, con una humedad relativa del aire

de 60% y temperatura promedio del aire de 25 ºC. El caldero calentará el agua desde 25ºC

hasta 93 ºC.

Figura E.3 Diagrama de caldero


E.4.1.1 Calor necesario para vaporizar el agua:

QT=Qsensible+Qlatente

Donde:

Qsensible: Calor para elevar la temperatura del agua desde temperatura ambiente hasta la

temperatura de saturación.

Qlatente; Calor de vaporización a temperatura de ebullición.

[Ec.E53]

Qt=Cp*(Tf-T0)+λvap

Donde:

Cp: = 1.0 Kcal/Kg*K

λvap:=430 Kcal/Kg

Tf= 366.15 K

T0= 298.15 K

159


Qt= 503.01 Kcal/Kg

• Calor real:

[Ec.E54]

Qr=QtȠ

Qr=503.01 Kcal/Kg

0.8

Qr= 628.76 Kcal/Kg

• Calor total:

[Ec.E55]

Qt= m*Qr

Qt=100Kgh

*628.76 Qt= 6.29 E4 Kcal/h

160

E.4.1.2 Cantidad de combustible requerido

Tabla E.1 Composición del gas Natural

Composición Porcentaje peso (%) Porcentaje Volumen

CH4 65,54 88,36 C2H6 13,45 7,17 C3H8 7,17 1,57 C4H10 4,43 0,19 CO2 0,45 1,14 N2 1,17 Poder calorífico (Kcal/Kg) 9535,88

Fuente: Maldonado,(2012).

E.4.1.2.1 Peso del combustible

[Ec.E56]

mcomb=Qt

Q(poder calorífico de combustión)

mcomb=6.29 *104 Kcal/h9535.88 Kcal/Kg

mcomb= 6.59 Kg/h

El rendimiento del proceso es del 80 %, entonces la masa de combustible por hora requerido

para este rendimiento es de:

[Ec.E57]

mTcomb=m comb

Ƞ

mTcomb=6.59 Kg/h

0.8

mTcomb= 8.24 Kg/h Gas natural

161

Reacciones básicas:

CH4+2 O 2 CO2+2H2O

C2H6+7/2 O2 2CO2+3H2O

C3H8+5 O2 3CO2+4H2O

C4H10+13/2 O2 4CO2+5H2O

E.4.1.2.2 Composición de entrada:

8.24Kg comb

h *

65,54Kg CH4

100 Kg comb=5,40

Kg CH4

h

8.24 Kg comb

h *

13,45 Kg C2H6

100 Kg comb=1,11

Kg C2H6

h

8.24 Kg comb

h *

7,17Kg C3H8

100 Kg comb=0,59

Kg C3H8

h

8.24 Kg comb

h *

4,43Kg C4H10

100 Kg comb=0,37

Kg C4H10

h

8.24 Kg comb

h *

0,45KgCO2

100 Kg comb=0,04

Kg CO2

h

8.24 Kg comb

h *

1,17Kg N2

100 Kg comb=0,10

Kg N2

h

E.4.1.2.3 Composición de Oxígeno

5,40Kg CH4

h *

1 Kmol CH4

16 Kg CH4*

2 Kmol O2

1 Kmol CH4*

32 Kg O2

1 Kmol O2=

21,61 Kg O2

h

1,11Kg C2H6

h *1 Kmol C2H6

30 C2H6*

3.5 Kmol O2

1 Kmol C2H6*

32 Kg O2

1 Kmol O2=

4.14Kg O2

h

0,59Kg C3H8

h *1 Kmol C3H8

44 Kg C3H8*

5 Kmol O2

1 Kmol C3H84*

32 Kg O2

1 Kmol O2=

2.15 Kg O2

h

0,37Kg C4H10

h *1 Kmol C4H10

58 Kg C4H10*

6.5 Kmol O2

1 Kmol C4H10*

32 Kg O2

1 Kmol O2=

1.31 Kg O2

h

162

Flujo total de oxigeno:

mTeorico O2= #21,61 Kg O2

h +

4.14Kg O2

h +

2.15 Kg O2

h +

1.31 Kg O2

h $

mTeorico O 2= 29.20 Kg/h O2

E.4.1.2.4 Requerimiento de aire

1 mol O2+ 3.76 mol N2 4.76 mol Aire

29.20Kgh

O2*1 Kmol O232 Kg O2

=0.92Kmol

h O2

29.20Kgh

O2 *1 Kmol O2

32 Kg O2*3.76 Kmol N2

1 Kmol O2=3.43

Kmol h

N2

• Considerando un 10 % de exceso de aire:

Se considera un 10 % de exceso de aire que está determinada por los fabricantes, para

garantizar una combustión completa evitando las pérdidas térmicas por los humos.

• Mol O 2 exceso:

n O2 exceso= 0.92Kmol

h O2 +0.92

Kmolh

O2 *0.1=1.012 Kmol

hO2

• Mol N 2 en exceso:

n N2 exceso= 3.43 Kmol

h N2+3.43

Kmolh

N2*0.1=3.77Kmol

h N2

Aire total =1.012 Kmol

hO2+3.77

Kmol h

N2=4.78 Kmol

h aire

1 Kmol aire = 29 Kg aire

4.78 Kmol

h aire *

29 Kg aire1 Kmol aire

=138.7Kgh

aire

1.012 Kmol

hO2*

32 Kg O21 Kmol O2 =32.13

Kgh

O2

3.77Kmol

h N2*

28 Kg N2

1 Kmol O2=105.7

Kgh

N2

163

• Cantidad de agua que entra con el aire para la comb ustión

Con una humedad relativa de 60% de aire a una temperatura promedio de 25 ºC se calcula

la humedad absoluta en la carta psicométrica (Figura E.1):

W=0.0094 KgH2O/Kg aire seco

Por lo tanto:

138.7Kgh

aire*0.0094 Kg H2O

1 Kg aire=1.3 Kg H2O

E.4.1.3 Salida de Gases de combustión

5.4 Kg CH4

h *

1 kmol CH4

16 Kg CH4*

1 kmol CO2

1 kmol CH4*

44 Kg CO2

1 Kmol CO2=14.86

Kgh

CO2

5.4 Kg CH4

h *

1 kmol CH4

16 Kg CH4*

2 kmol H2O 1 kmol CH4

*18 Kg H2O 1 Kmol H2O

=12.15 Kgh

H2O 1.11

Kg C2H6

h *1 kmol C2H6

30 Kg C2H6*

2 kmol CO2

1 kmol C2H6*

44 Kg CO2

1 Kmol CO2= 3.25

Kgh

CO2 1.11

Kg C2H6

h *1 kmol C2H6

30 Kg C2H6*

3 kmol H2O 1 kmol C2H6

*18 Kg H2O 1 Kmol H2O

=2 Kgh

H2O 0.59

Kg C3H8

h *

1 kmol C3H8

44 Kg C3H8*

3 kmol CO2

1 kmol C3H8*

44 Kg CO2

1 Kmol CO2=1.77

Kgh

CO2 0.59

Kg C3H8

h *

1 kmol C3H8

44 Kg C3H8*

4 kmol H2O1 kmol C3H8

* 18 Kg H2O1 Kmol H2O

=0.97Kgh

H2O 0.37

Kg C4H10

h *1 kmol C4H10

58 Kg C4H10*

4 kmol CO2

1 kmol C4H10*

44 Kg CO2

1 Kmol CO2=1.11

Kgh

CO2 0.37

Kg C4H10

h *1 kmol C4H10

58 Kg C4H10*

5 kmol H2O1 kmol C4H10

* 18 Kg H2O1 Kmol H2O

=0.57Kgh

H2O

Masa total de CO2 en la combustión:

m total CO2= 20.99 Kg/h CO2

Masa total de H2O en la combustión:

m total H2O = 15.68 Kg/h H2O

164

Masa de O2:

nO2 =n O2 exceso- nO2

nO2=1.012 Kmol

hO2 -0.92

Kmolh

O2

nO2=0.092 Kmol O2

h

mO2= 0.092 Kmol O2

h*

32 Kg O2

1 Kmol O2

m O2=2.944 Kg h

O2

Masa de N2:

m N2= 105.7 Kg N2

h +0.1 Kg N2

h

m N2=105.8Kg N2

h

E.4.1.4 Retorno de condensado

El condensado del vapor retornará al caldero para generar vapor en forma continua

m vapor producido= 100 kg/h

m agua condensado = m vap*Ƞ

m cond=100Kg vap

h*0.8

m cond=80Kgh

H2O

E.4.1.5 Agua de reposición

mrep=mvap(1-Ƞ)

mrep=100kg vap

h*(1-0.8)

mrep=20Kgh

H2O

E.4.1.6 Agua requerida en el caldero para 1 hora

165

magua caldero = mcond+ mrep

m agua caldero=80 Kgh

H2O+H 2O Kgh

H2O

magua caldero= 100 Kg/ h H2O

Tabla E.2 Balance de masa:

Fórmula Agua (1) Aire (2) Combustible entrada(3)

Gases de Combustión

salida (4)

Vapor generado

(5)

CO2 (kg/h) 0,04 21,02 N2 (kg/h) 105,69 0,10 105,787 CH4 (kg/h) 5,40 C2H6 (kg/h) 1,11 C3H8 (kg/h) 0,59 C4H10 (kg/h) 0,37 CO2 (kg/h) 0,04 H2O liquida (kg/h) 100 O2 (kg/h) 32,12 2,92 H2O vapor (kg/h) 0,01 15,68 100 Total (kg/h) 100 137,82 7,64 145,42 100 Total para 1h (extracción) (kg) 100 137,82 7,64 145,42 100


Tabla E.3 Productos generados por la combustión

Productos de combustión Fórmula CO2

(kg/h) H2O

(kg/h) N2

(kg/h) O2

(kg/h) Total

Metano CH4 14,86 12,15 27,01 Etano C2H6 3,25 2,00 5,25 Propano C3H8 1,77 0,97 2,74 Butano C4H10 1,11 0,57 1,67 Aire N2+O2 105,787 2,92 108,71 Anhidro carbónico del gas CO2 0,04 0,04 Total 21,02 15,68 105,79 2,92 145,42


166

E.4.2 Cálculo de las dimensiones del caldero

E.4.2.1 Cálculo del área de cada tubo

[Ec.E58]

A tubo=Π*de*L

Donde:

de: Diámetro externo del tubo= 60.3 mm

L: Longitud del tubo = 0.9 m

A tubo=0.17 m2

E.4.2.2 Cálculo del flujo de gases de combustión po r tubo

Para hallar el flujo de los gases que pasan a través de cada tubo se calcula de la siguiente

fórmula:

[Ec.E59]

A tubo=m c

ρ c*vg

m c= A tubo*(ρ c*vg)

Donde:

mc: Flujo másico de gases de combustión=145.2 kg/h

ρc= Densidad de los gases de combustión (Caballero et al,2013) =0.377 kg/m3

vg: Velocidad de los gases de combustión (Caballero et al, 2013) = (0.381- 3.048) m/s

Atubo= Área de cada tubo= 0.17 m

mc= 0.19 Kg/h

E.4.2.3 Distribución de los tubos en el espejo

Los tubos en el espejo tendrán una distribución de triangulo equilátero ya que produce una

mejor turbulencia y de esta manera se logra obtener mayores eficiencias al momento de la

transferencia de calor.

167

Figura E.4 Distribución de los tubos

Fuente: Elaboración Propia

Para el diseño del caldero la distancia entre tubos es:

C=Pt-de

Suponiendo Pt= 2.95 plg

C=0.015 m=14.6 mm

E.4.2.4 Cálculo del área total de calefacción total

[Ec.E60]

Ac=Q total

UD*∆Tml

Donde:

Para la construcción de un calentador pirotubular de baja potencia, que opera con gas

natural, el coeficiente de transferencia de calor de diseño recomendado es entre

10-40 W/ m2 *K.

Qtotal: Calor necesario para vaporizar el agua= 6.29*104 Kcal/h

UD: Coeficiente global de transmisión de calor escogido = 25 W/ m2*K= 21.5 Kcal / h*m2 *K

∆ Tml: Temperatura media logarítmica (K).

La temperatura media logarítmica es:

[Ec.E61]

168

∆Tml1=(Tw2-Tg2)-(Tw1-Tg1)

ln(Tw2-Tg2)(Tw1-Tg1)

Donde:

T w1: Temperatura de entrada del agua de calefacción a temp ambiente= 298.15 ºK (25 ºC)

Tw2: Temperatura de salida del agua de calefacción = 363.15 K (93 ºC)

Temperatura de entrada y salida del combustible (Caballero et al, 2013):

Tg1: Temperatura de entrada del combustible= 1223.15 K (950 ºC)

Tg2: Temperatura de salida del combustible= 573.15 K (300ºC)

Reemplazando datos en [Ec.E61]se tiene:

∆Tml1=483.3 K


A total =6.053 m2

ANEXO F

NORMAS DEL TÉ

169

Normas Argentinas del té

Artículo 1185-(Res 1542,17.9.85)

El té verde o negro que se expende envasado para el consumo deberá responder a las

siguientes características:

a) Cenizas totales a 500-550 ºC. Método AOAC, s/producto seco, Máx: 8%

b) Extracto seco. Método AOAC s/producto seco , Min: 28%

c) Cenizas insolubles en HCl. Método AOAC, s/producto seco, Máx: 8.0%.

d) Cenizas solubles en agua de las cenizas totales. Método AOAC, Mín: 45%.

e) Tanino. Método AOAC s/producto seco, Mín: 7.5 %

f) Fibra ruda. Método DNQ s/producto seco Máx: 20%.

Norma técnica nacional del Perú

Requisitos Químicos para té (todo tipo)

a) Humedad por arrastre con tolueno en %. Máx: 7%.

b) Extracto acuoso en %. Mín.: 30%*

c) Extracto en éter de petróleo en %.Mín. 2%*

d) Catequinas como taninos en %. Mín 4%*.

e) Xantina trimetálica (cafeína) en %. Mín. 2%*

f) Fibra cruda en %. Máx. 15%.

g) Azúcar en %. Máx. 4%.

h) Cenizas totales a 500 ºC en %. Máx. 6%

*El patrón propuesto puede ser rechazado por no cumplir con los requisitos en Extracto

acuoso, extracto en éter de petróleo, catequinas y xantina trimetálica.

170

Norma Técnica Ecuatoriana (NTE INEN 2381:2005)

Requisitos del té:

Tabla F.1 Requisitos físico químicos para el Té

Requisitos Min Max Método de ensayo Humedad, % m/m -- 12 NTE INEN 1 114 Cenizas totales *, % m/m 4 8 NTE INEN 1 117 Cenizas solubles en agua del total de cenizas *, % m/m 45 -- NTE INEN 1 119 Alcalinidad de las cenizas solubles en agua (como KOH), % m/m 1 3 AOAC 14ed. 31.016 Cenizas insolubles en HCl al 10%*, % m/m -- NTE INEN 1 118 Cafeína *, % m/m (no aplica al te descafeinado) 1 --

NTE INEN 1 112; 1 115

a) En el té negro el extracto acuoso, expresado sobre base seca no será menor a 24 %

m/m, (NTE INEN 1 120).

b) En el té verde el extracto acuoso, expresado sobre base seca no será menor a 28 %

m/m, (NTE INEN 1 120)

c) El té descafeinado debe cumplir con todos los requisitos establecidos para el té de

acuerdo a su clase, a excepción del contenido de cafeína que no podrá ser superior a

0,1 % m/m.

d) El té saborizado debe cumplir con todos los requisitos establecidos para el té de

acuerdo a su clase, y el saborizante utilizado debe ser permitido en la NTE INEN 2

074.

e) El té instantáneo, debe cumplir con todos los requisitos establecidos para el té en la

tabla F.1, a excepción del contenido de humedad que no podrá ser superior al 6 %.

ANEXO G

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS

EQUIPOS

171

Tabla G.1 Resumen de las especificaciones técnicas del tanque de extracción

Nombre Tanque de extraccion enchaquetado

Material de construcción Acero inoxidable 304

Capacidad de procesamiento 57 Kg de té

Cantidad de solvente en el tanque 570 Kg de agua

Altura del tanque 1.1 m

Diámetro del tanque 0.85 m

Volumen total del tanque 0.63 m3

Agitador Turbina de seis paletas planas

Deflectores 4

Ancho de las placas deflectoras 0,071 m

Longitud de la turbina 0,071 m

Altura de la turbina 0,057 m

Potencia del motor de agitación 2 HP


172

Tabla G.2 Resumen de especificaciones técnicas del centrifugador canasta

Nombre Centrifugador canasta

Capacidad 154.4 Kg

Diámetro del tazón 10.6 pulg.

Volumen 0.176 m3

Tiempo de trabajo 12 min

Potencia 7.5 HP


Tabla G.3 Especificaciones técnicas: Evaporador de película descendente

Nombre Evaporador de película descendente


Presión de vació 100 mmHg.

Diámetro nominal de tubería interna 2 pulg.

Diámetro nominal de tubería externa 6 pulg.

Numero de tubos 3

Longitud de tubo 2 m

Medio de calentamiento Vapor de agua a 93 ºC

Flujo másico del extracto a concentrar 72.62 Kg/h

Flujo másico del extracto concentrado 8.2 Kg/h

Flujo másico de agua evaporada 64.4 Kg/h

Temperatura de entrada del extracto 25°C

Temperatura de salida extracto concentrado 51.31 °C

Temperatura de entrada de Agua 93°C

Temperatura de salida de Agua 82°C


173

Tabla G.4 Especificaciones técnicas: Secador por as persión

Nombre Secador por aspersión


Diámetro de la cámara de secado 1.2 m

Altura de la cámara de secado 1.8 m

Altura del cono de la cámara de secado 0.93 m

Humedad del producto 6%

Potencia del calentador 3 HP

Temperatura de entrada del extracto 25 ºC

Temperatura de salida del extracto 80ºC

Temperatura de entrada del aire 200 ºC

Temperatura de salida del aire 90 ºC


174

Tabla G.5 Especificaciones técnicas: Ciclón de recu peración



Diámetro del cuerpo 0.27 m

Altura de entrada 0.135 m

Ancho de entrada 0.054 m

Diámetro de salida del aire 0.135

Longitud del buscador del vórtice 0.135

Longitud del cuerpo 0.404

Longitud del cono 0.673

Altura total del ciclón 1,076

Diámetro del enchufe de polvo 0,101

Factor de configuración 551,22

Número de cabezas de velocidad 6,4

Numero de vórtices 5,5


175

Tabla G.6 Especificaciones técnicas: Caldero



Capacidad de procesamiento 100 kg/h

Combustible Gas natural

Flujo de combustible requerido 8.24 Kg/h

Diámetro nominal de la coraza

Longitud de tubos 1 m

Numero de tubos 36

Arreglo triangular (Pt) 2.95 plg

Diámetro exterior de tubos 2 plg

Temperatura inicial de agua 25 ºC

Temperatura final del agua 93 ºC

Potencia 12 HP
