Centrifugación

Tecnologías e Industrias Agrarias Alimentarias. Centrífuga de cámara y disco. Separadores mecánicos. Relación entre densidad y temperatura. Regresión múltiple. Coeficiente de determinación. Variables independientes

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PRÁCTICA 6 :”CENTRIFUGACION”

1.-OBJETIVOS

  • Familiarizarse con la operación de centrifugado.

  • Demostrar el efecto de la temperatura, el desplazamiento del anillo y la velocidad de giro en el rendimiento de la separación.

2.-EQUIPO EXPERIMENTAL

Centrifuga de cámara y disco:

En este tipo de centrífuga, una cámara cilíndrica, ancha y relativamente plana, gira a velocidad moderada, en una carcasa estacionaria. La cá­mara es, en general, accionada desde el fondo. La alimentación entra, generalmente, por el fondo de la cámara, a través de un tubo, situado centralmente, que a su vez se alimenta desde arriba. La cámara contie­ne numerosos conos metálicos, muy próximos entre sí, a los que se de­nomina discos, que giran con la cámara y están situados uno encima de otro, guardando una distancia fija. Los discos tienen uno o más juegos de agujeros coincidentes, que forman canales por donde fluye la corriente de alimentación. Bajo la acción de la fuerza centrífuga, la fase densa se desplaza hacia la pared de la cá­mara y circula, hacia abajo, por la parte inferior de los discos, mientras que la fase ligera se desplaza hacia el centro y fluye sobre las caras su­periores de los discos.

3.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se hacen siete experimentos variando la velocidad del giro del motor del separador, la temperatura de la leche, y la separación de partición.

ENSAYO

VELOCIDAD DE GIRO (rpm)

TEMPERATURA (ºC)

SEPARACION PARTICON

A

10700

44

INTERMEDIA

B

10700

37

INTERMEDIA

C

8300

37

INTERMEDIA

D

9800

37

INTERMEDIA

E

10700

27

INTERMEDIA

F

10700

37

MINIMA

G

10700

37

MAXIMA

Con el grifo en la posición cerrada, llenamos el depósito con 4 litros de leche templada, ponemos en marcha el motor y dejamos alcanzar la velocidad máxima antes de abrir la llave de entrada de leche al separador. Recogemos las dos fracciones.

Pesamos el producto obtenido de la parte ligera.

Limpiamos con agua caliente para eliminara cualquier tipo de residuo de nata en la maquina de la operación anterior

Medimos la velocidad de giro con un tacómetro óptico que mide las revoluciones por minuto a las que gira el separador, por un orificio en el cuerpo del motor.

4.-FUNDAMENTO TEORICO

En la industria alimentaría es común separar un componente de una mez­cla líquido-líquido cuando ambos líquidos son inmiscibles, pero están fi­namente dispersos. Por ejemplo, en la industria láctea, la leche se separa mediante centrifugación en leche desnatada y nata.

La grasa de la leche en forma de pequeños glóbulos dispersos en la fase líquida y puede moverse a través de ella. Como los glóbulos de grasa tie­nen una densidad menor que la fase de líquido (desnatado), éstos se move­rán hacia arriba y flotarán en la parte superior. La gravedad ejerce una

fuerza mayor sobre la fase pesada, moviéndola hacia abajo y desplazando la grasa hacia la capa superficial.

Los separadores mecánicos utilizan la fuerza centrífuga aumentando el empuje gravitacional aumentando la diferencia de densidades y pesos de la grasa y la fase pesada, permitiendo la separación mucho más rápida y efi­ciente.


5.-RESULTADOS

1. Según Harper y Hall (1976), entre 10°C y 40°C, se puede considerar que el cambio es lineal. Señalaron que sobre los 40°C los valores son cuestionados, por falta de concordancia entre investigadores. Fernández-Martín (1982) indicó que no existe ecuación alguna que correlacione la densidad de leches con la temperatura y con la composición, para amplios intervalos de estos parámetros; pero sí se han publicado algunas relaciones parciales.

La relación entre la densidad y la temperatura fue estudiada, entre otros investigadores, por Short (1955), quien propuso la ecuación siguiente;

l = (1 + (a' - b' T + c' T2 - d' T3) 10-4) 103 [4.1.1]

siendo T la temperatura en °C. Los valores de los coeficientes cambian según la composición, de la manera siguiente:

a'

b'

e'

d'

Leche descremada (8,7 % C)

366

1,46

0,023

0,0016

Leche entera (3 % F)

350

3,58

0,049

0,0010

Corrección por diferencia de 1 % C

3,8

0,08

-0,010

-0,00004

Corrección por diferencia de 1 % F

4,8

0,39

0,0061

0,00002

siendo F la grasa en % y C los sólidos no grasos en %.

Al ser una ecuación polinómica de tercer grado, la función no es lineal; se aplica hasta 45°C.

Con el propósito de buscar aplicaciones prácticas a las determinaciones de la densidad, en trabajos de control de calidad, para detectar adulteraciones o para estimar el contenido de algún componente, se establecieron ecuaciones que incluyen tanto el efecto de los componentes principales como de la temperatura.

Bakshi y Smith (1984) presentaron una ecuación de regresión múltiple y de segundo grado, que relaciona la densidad con la temperatura y con la materia grasa. Un intervalo de 0° a 30°C y un contenido de hasta 30% de grasa, con un coeficiente de determinación, r2 = 0,98.

l = 0,3 T - 0,03 T2 - 0,7 F - 0,01 F2 + 1.034,5 [4.1.2]

Se obtiene para F = 3,6 %

l = 0,3 T - 0,03 T2 - 0,7 · 3,6 - 0,01 · 3,62 + 1.034,5

l = 0,3 T - 0,03 T 2 + 1.031,85

Esta ecuación será la empleada para el cálculo de la densidad de la leche de vaca utilizada en la práctica de centrifugación.

Otra ecuación que relaciona la densidad con la temperatura, el contenido de grasa y de sólidos no grasos, es la de Watson y Tittsler (1961), que se aplica entre 0°C y 10°C.

l = 1.003,073 - 0,179 T - 0,368 F + 3,744 C [4.1.3]

Por técnicas de regresión múltiple, considerando 146 muestras de leche analizadas durante cinco años, en un intervalo de l0ºC a 80ºC, Alvarado (1987) obtuvo una primera ecuación (r2 = 0,9288), que considera como variable dependiente la densidad, (l), y como variables independientes el porcentaje de sólidos totales (S) y la temperatura (T).

l = 1.011 - 0,7184 T + 2,5893 S [4.1.4]

Una segunda ecuación que considera como variable dependiente la densidad, y como variables independientes la temperatura (T), el porcentaje de grasa (F) y el porcentaje de sólidos no grasos (C) con un coeficiente de determinación (r2 = 0,9560), es:

l = 1.009,5 - 0,7081 T - 0,5880 F + 3,6771 C [4.1.5]

En el caso de leche de vaca, fresca y sin adulteraciones, con un contenido de 11,6 [g/100 g] de sólidos totales, de los cuales 3,6 [g/100 g] corresponden a la materia grasa, los valores de la densidad calculados a temperatura T (en °C) son:

De la ecuación [4.1.3] se obtiene:

l = 1.003,073 - 0,179 T - 0,368 F + 3,744 C

= 1.003,073 - 0,179 T - 0,368 · 3,6 + 3,744 · 8,0

= 1.003,073 - 0,179 T - 1,325 + 29,952

= 1.031,7 - 0,179 T [kg/m3]

De la ecuación [4.1.5] se obtiene:

l = 1.009,5 - 0,7081 T - 0,5880 F + 3,6771 C

= 1.009,5 - 0,7081 T - 0,5880 · 3,6 + 3,6771 · 8,0

= 1.009,5 - 0,7081 T - 2,1168 + 29,4168

= 1.036,8 - 0,7081 T [kg/m3]

La centrifugación es un proceso común en las industrias lácteas, tiene como propósito principal estandarizar la materia grasa en un valor de 3,0 [g/100 g]. Esto anterior implica que se disminuye el contenido de sólidos hasta 11,0 [g/100 g]. Al disminuir la concentración de un componente con densidad menor, como es la grasa, aumenta la concentración de los componentes de mayor densidad; en consecuencia el valor de la densidad deberá incrementarse con relación al de la leche fresca, como se comprueba a continuación:

De la ecuación [4.1.3] se obtiene:

l = 1.003,073 - 0,179 T - 0,368 F + 3,744 C

= 1.003,073 - 0,179 T - 0,368 · 3,6 + 3,744 · 7,4

= 1.003,073 - 0,179 T - 1,325 + 27,706

= 1.029,454 - 0,179 T [kg/m3]

De la ecuación [4.1.5] se obtiene:

l = 1.009,5 - 0,7081 T - 0,5880 F + 3,6771 C

= 1.009,5 - 0,7081 T - 0,5880 · 3,6 + 3,6771 · 7,4

= 1.009,5 - 0,7081 T - 2,1168 + 27,2105

= 1.034,5937 - 0,7081 T [kg/m3]

2. Tabla de resultados obtenidos para cada experimento:

ENSAYO

VELOCIDAD DE GIRO (rpm)

TEMPERATURA (ºC)

SEPARACION PARTICON

PESO FASE LIGERA (g)

PESO FASE PESADA (g)

A

10700

44

INTERMEDIA

303,70

3644,18

B

10700

37

INTERMEDIA

256,20

3751,32

C

8300

37

INTERMEDIA

535,80

3471,72

D

9800

37

INTERMEDIA

330,00

3677,52

E

10700

27

INTERMEDIA

314,70

3757,62

F

10700

37

MINIMA

314,80

3692,72

G

10700

37

MAXIMA

374,33

3633,19

3. Representación grafica de la composición de materia grasa de la fase ligera en función de la temperatura, la velocidad de giro y la posición del separador

6.-DISCUSION DE LOS RESULTADOS

De los parámetros estudiados el que demuestra tener mayor influencia en el grado de separación de las fases respecto a los demás será la velocidad de giro viéndose en la grafica grandes diferencias de pesos entre la velocidad de giro mínima con la máxima