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Determinación de Permeabilidad Máxima Permitida para el Empaque de Café Industrializado


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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción
“Determinación de Permeabilidad Máxima Permitida para el Empaque de Café Industrializado”

TESIS DE GRADO
Previo a la obtención del Título de:

INGENIERO DE ALIMENTOS
Presentada por:

José Luis Coloma Hurel

GUAYAQUIL – ECUADOR

Año: 2005



AGRADECIMIENTO


Agradezco a Dios por darme la fortaleza para culminar esta etapa, a mi directora de tesis, la Ing. Fabiola Cornejo por su invalorable ayuda, a mis familiares y amigos por estar siempre a mi lado

DEDICATORIA

A mis padres

A mis hermanos

A mi hermana




TRIBUNAL DE GRADUACIÓN

______________________ _______________________

Ing. Eduardo Rivadeneira P Ing. Fabiola Cornejo Z.

DECANO DE LA FIMCP DIRECTORA DE TESIS

PRESIDENTE
_____________________

Ing. Luis Miranda

VOCAL

DECLARACIÓN EXPRESA

“La responsabilidad del contenido de ésta Tesis de Grado, me corresponden exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL”

(Reglamento de Graduación De la Espol)

____________________

José Luis Coloma Hurel
RESUMEN

El mantenimiento de la estabilidad del producto durante el almacenamiento es uno de los mayores problemas a los que se enfrentan los industriales productores de café en el Ecuador, ya que es una parte de la cadena de abastecimiento en donde se producen cuantiosas pérdidas; debido a una mala selección de empaque.


El objetivo de ésta tesis es determinar la permeabilidad máxima de vapor de agua para el empaque de café liofilizado, atomizado y de pasar, los cuales son producidos por distintos métodos de industrialización. El valor de la permeabilidad máxima será un dato un dato muy útil para la industria cafetera, ya que les permitirá realizar la selección del empaque más adecuado.
Para poder determinar ésta permeabilidad se realizarán las isotermas de adsorción de cada tipo de café, obteniéndose datos de la capacidad de adsorción de humedad de los productos. Adicionalmente, se analizará el efecto del tipo de secado en el comportamiento de las isotermas. Posteriormente, se determinará la humedad crítica de los tres tipos de café o el rango de actividad de agua en donde el producto mantiene buenas características organolépticas o microbiológicas. Para esto se realizarán evaluaciones sensoriales con análisis de varianza y pruebas microbiológicas según sea el caso.
Una vez obtenidas las isotermas de adsorción y las humedades críticas se calculará la permeabilidad de vapor de agua de los tres tipos de café para que los productos mantengan óptimas condiciones durante su almacenamiento, tanto en condiciones de Quito y Guayaquil.

INDICE GENERAL

Pág.

RESUMEN………………………………………………………………………... ..II



ÍNDICE GENERAL…………………………………………………………………III

ABREVIATURAS……………………………………………………………… ... IV

SIMBOLOGÍA……………………………………………………………………….V

ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………………..VI

ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………………VII

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………1


CAPÍTULO 1

  1. GENERALIDADES……………………………………………………………. .2

    1. Industrialización del café en Ecuador…………………….…………...….. .2

      1. Importancia, producción, variedades…………………………….......3

      2. Métodos de industrialización……………………………………..........6

    2. Acción del agua en los alimentos………………………………………. ...12

      1. Actividad de Agua……………………………………………… ….....12

      2. Monocapa de BET (Brunauer – Emmett – Teller)……………... ..15

      3. Estabilidad del producto versus actividad de agua…………….... .16

      4. Isotermas de adsorción…………………………………….………....18

    3. Envases plásticos para alimentos………………………………...…….... 22

      1. Definición y clasificación de los plásticos………………………..….22

      2. Barrera a la transmisión de vapor de agua…………….……..…….27

      3. Diseño de empaque……………………………………………..….....28

CAPÍTULO 2



  1. MATERIALES Y MÉTODOS……………………………………….…….…...30

    1. Construcción de isotermas de adsorción………………………. …….…....30

    2. Definición de humedades críticas……………………….……………..……..37

    3. Cálculo de los coeficientes globales de transferencia de

masa de café liofilizado, atomizado y de pasar…………………...……..43

    1. Predicción de empaque en condiciones de Guayaquil y Quito… …......44

    2. Diseño de empaque……………………………………………………...….48

CAPÍTULO 3



  1. ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………………….....…….49

    1. Análisis de la monocapa de BET de los tres tipos

de café y su relación con la estabilidad en percha……………….....49

    1. Análisis de la diferencia en la adsorción de agua

dependiendo del tipo de secado…………………………… ………..56

    1. Análisis del rango de actividad de agua permitido

para mantener óptimas las características de los productos…..… 58

    1. Análisis de la permeabilidad máxima de vapor

de agua para empaques de café en condiciones

de Quito y Guayaquil……………………………………………………69



    1. Análisis del efecto de la relación de volumen de

producto versus volumen de empaque………………..……..……….83
CAPÍTULO 4

  1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………….. .90

APÉNDICES


BIBLIOGRAFÍA


ABREVIATURAS

A Ärea


Atm Atmósfera

aw Actividad de Agua

BET Brunauer – Emmett – Teller

BOPP Polipropileno Biorientado

Cc Centímetros Cúbicos

°C Grados Centígrados

CO2 Dióxido de Carbono

Fig Figura

GAB Guggenheim-Anderson-de Boer

Gr Gramos

g H2O/100 g SS Gramos de agua por 100 gramos de sólido seco

g/cm3 Gramos por centímetros cúbicos

h Hora

Kg Kilogramo



Máx Máximo

Min Mínimo

Min Minuto

Mm Milímetro

MCDB Contenido de humedad en base seca

PEHD Polietileno de alta densidad

Pw Presión de vapor de agua en el producto

Pw0 Presión de vapor de agua pura

Ref Referencia

T Tiempo


tm Tonelada Métrica

µm Micrómetro

W Cantidad máxima de humedad permitida

SIMBOLOGÍA

% Porcentaje

# Número

INDICE DE FIGURAS

Pág.
Fig 1.1 Principales zonas cafetaleras del Ecuador…………………………....5

Fig 1.2 Gráfico de velocidad de reacciones vs aw………………………………..16

Fig 1.3 Tipos de isotermas de adsorción……………………………………..18

Fig 1.4 Efecto de la temperatura en las isotermas de adsorción…………..21

Fig 2.1 Isotermas de adsorción a 32 oC…………………………..................33

Fig 2.2 Isotermas de adsorción a 14 oC……………………………………....34

Fig 2.3 Sistema utilizado para predicción de empaque……………………..45

Fig 3.1 Isoterma de adsorción de café liofilizado a 32 oC…………………..49

Fig 3.2 Isoterma de adsorción de café atomizado a 32 oC ………………...50

Fig 3.3 Isoterma de adsorción de café de pasar a 32 oC ……………….….50

Fig 3.4 Isoterma de adsorción de café liofilizado a 14 oC ……………….…51

Fig 3.5 Isoterma de adsorción de café atomizado a 14 oC ………….……51

Fig 3.6 Isoterma de adsorción de café de pasar a 14 oC……………….…..52

Fig 3.7 Estructura del café liofilizado…………………………………….……54

Fig 3.8 Estructura del café atomizado………………………………………...54

Fig 3.9 Isotermas de adsorción de café liofilizado, atomizado

y de pasar a 32 oC ………………………………………………....….57

Fig 3.10 Isotermas de adsorción de café liofilizado, atomizado

y de pasar a 14 oC …………………………………………………….58

Fig 3.11 Determinación del coeficiente global de transferencia

de masa del café liofilizado……...……………………………..…..…67

Fig 3.12 Determinación del coeficiente global de transferencia

de masa del café atomizado………………………………………….68

Fig 3.13 Determinación del coeficiente global de transferencia

de masa del café de pasar……………………………………………68

Fig 3.14 Tiempo de vida útil del café liofilizado a 32 ºC y 83 % HR……….74

Fig 3.15 Tiempo de vida útil del café liofilizado a 14 ºC y 75 % HR……….75

Fig 3.16 Tiempo de vida útil del café atomizado a 32 ºC y 83 % HR..........78

Fig 3.17 Tiempo de vida útil del café atomizado a 14 ºC y 75 % HR……...79

Fig 3.18 Tiempo de vida útil del café de pasar a 32 ºC y 83 % HR……… 81

Fig 3.19 Tiempo de vida útil del café de pasar a 14 ºC y 75 % HR………..82

Fig 3.20 Tiempo de vida útil del café liofilizado a 32 ºC y 83 % HR ………85

Fig 3.21 Tiempo de vida útil del café atomizado a 32 ºC y 83 % HR……...87

Fig 3.22 Tiempo de vida útil del café de pasar a 32 ºC y 83 % HR………. 89


INDICE DE TABLAS

Pág.
Tabla 1 Especificaciones técnicas del café liofilizado…………………. 7

Tabla 2 Especificaciones técnicas del café atomizado…….…………. 10

Tabla 3 Especificaciones técnicas del café de pasar…………………. 12

Tabla 4 Clasificación de los alimentos por su actividad de agua……. 14

Tabla 5 Ejemplos de plásticos termoplásticos…………………………. 23

Tabla 6 Ejemplos de plásticos termofijos………………………………. 24

Tabla 7 Valores de actividad de agua de soluciones saturadas

de sales seleccionadas…………………………………………. 30

Tabla 8 Contenidos de humedad de muestras de café

liofilizado para determinación de humedad crítica……………..59

Tabla 9 Resultados de análisis de varianza de muestras

de café liofilizado………………………………………………….60

Tabla 10 Contenidos de humedad de muestras de café

atomizado para determinación de humedad crítica……………61

Tabla 11 Resultados de análisis de varianza de muestras

de café atomizado……………………………………………….. 62

Tabla 12 Monocapas y humedades críticas de café liofilizado

y atomizado en las dos condiciones de estudio……………….63

Tabla 13 Condiciones de muestras de café de pasar para

determinación de humedad crítica………………………………65

Tabla 14 Permeabilidades requeridas para café liofilizado,

atomizado y de pasar……………………………………………...70

Tabla 15 Características de polietileno de alta densidad……………… 72

Tabla 16 Características del laminado 1………………………………… 72

Tabla 17 Características del laminado 2………………………………… 73

Tabla 18 Características del laminado 3………………………………… 73

Tabla 19 Ganancia de humedad del café liofilizado 32 oC y 83% HR…..74

Tabla 20 Ganancia de humedad del café liofilizado 14 oC y 62% HR…..75

Tabla 21 Resultados del café liofilizado almacenado a 32 oC - 83% y

14 oC y 62% HR ……………………………………………….. 76

Tabla 22 Ganancia de humedad del café atomizado 32 oC y 83% HR…78

Tabla 23 Ganancia de humedad del café atomizado 14 oC y 62% HR…79

Tabla 24 Resultados del café atomizado almacenado a 32 oC - 83%

y 14 oC y 62% HR………………………………………………….80

Tabla 25 Ganancia de humedad del café de pasar 32 oC y 83% HR…...81

Tabla 26 Ganancia de humedad del café de pasar 14 oC y 62% HR…...82

Tabla 27 Resultados del café de pasar almacenado a

32 oC - 83% y 14 oC y 62% HR……………………………….83

Tabla 28 Ganancia de humedad del café liofilizado

(25% - 50% - 75%)………………………………………………..84

Tabla 29 Tiempo de vida útil del café liofilizado…………………………...85

Tabla 30 Ganancia de humedad del café atomizado

(25% - 50% - 75%)………………………………………………..86

Tabla 31 Tiempo de vida útil del café liofilizado…………………………...87

Tabla 32 Ganancia de humedad del café atomizado

(25% - 50% - 75%)………………………………………………..88

Tabla 33 Tiempo de vida útil del café liofilizado…………………………...89



INTRODUCCIÓN

Uno de los grandes problemas en la industria alimenticia es el mantenimiento de la estabilidad del producto durante el almacenamiento, ya que en múltiples productos es en ésta etapa en donde se producen reacciones de deterioro, que pueden ser de origen físico, químico o microbiológico.

El objetivo de éste trabajo es determinar a través de un modelo matemático, el empaque que provea la mayor protección al vapor de agua durante el almacenamiento de café liofilizado, atomizado, y tostado y molido. Además, analizar la diferencia en la adsorción de agua en las condiciones de Quito y Guayaquil.

Para lograr éste objetivo, se realizaron diversos experimentos tales como:



  1. Determinación de isotermas de adsorción en condiciones de Quito y Guayaquil.

  2. Determinación de la humedad crítica

  3. Pruebas de adsorción con diversos plásticos disponibles en el mercado, determinando el plástico que provea el mayor tiempo de vida en percha.

  4. Pruebas de diseño de empaque, determinándose la importancia del diseño del empaque en la estabilidad del producto

De ésta forma éste trabajo contribuirá al mejoramiento de la calidad del café liofilizado, spray dried, y tostado y molido durante el almacenamiento, reduciendo pérdidas económicas a la industria cafetera.

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