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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
EMPACADORA Y COMERCIALIZADORA MINGOS S.A. DE C.V. INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD DE ESTANCIA
INDUSTRIAL
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN ALIMENTOS
TÍTULO: DISEÑO DE UNA LÍNEA DE PRODUCCIÓN DE YOGUR BATIDO
PRESENTAN: MARTÍNEZ JUÁREZ JACQUELINE
MORALES GALLEGOS EMMANUEL ALEJANDRO
ASESOR EXTERNO: ING. FRANCISCO MARTÍNEZ GARCÍA
ASESOR INTERNO: M. en C. PATRICIA VÁZQUEZ LOZANO
México, D.F., Mayo de 2007
Estancia Industrial EMPACADORA Y COMERCIALIZADORA MINGOS S.A. de C.V. UPIBI – IPN
II
INDICE Tema
Página
1 RESUMEN 1
2 DESCRIPCION TECNICA Y ADMINISTRATIVA DE LA EMPRESA
2.1 Antecedentes de la empresa 2 2.2 Giro 2 2.3 Misión 2 2.4 Visión 2 2.5 Filosofía 3 2.6 Localización de la planta 3 2.7 Distribución de áreas 4 2.8 Organigrama 5 3 Justificación 5 4 Objetivos 5 4.1 Marco teórico 6 5 METODOLOGIA Y RESULTADOS 5.1 Descripción de actividades 8 5.2 Formulación experimentada a nivel laboratorio 9 5.3 Fórmula tomada como base para la realización de la línea de producción de yogur batido
12
5.4 Listado de materia prima 12 5.5 Descripción del proceso 13 5.6 Descripción del proceso mediante diagrama de flujo 16 5.7 Tiempos de operación 17 5.8 Balances de materiales y energía 17 5.9 1ª Etapa: Rehidratación 5.9 a Balance de materiales 19 5.10 2ª Etapa: Pasteurización 5.10 a Balances de materiales y energía: Sección I 19 5.10 b Balances de materiales y energía: Sección II 21 5.11 3ª Etapa: Fermentación 5.11 a Balance de materiales y energía: Etapa calentamiento 22 5.11 b Balance de materiales y energía: Etapa mantenimiento 24 5.12 Cuadro de balance 25 5.13 Equipo recomendado 27 5.14 Distribución del equipo en el área de proceso 30 5.15 Diseño higiénico en el área de proceso 33 6 CONCLUSIONES 35 7 GLOSARIO 36 8 BIBLIOGRAFÍA 37
Estancia Industrial EMPACADORA Y COMERCIALIZADORA MINGOS S.A. de C.V. UPIBI – IPN
III
INDICE DE CUADROS Cuadro
Página
1. Cronograma de actividades 8 2. Formulaciones 1 y 2 9 3.Formulaciones 3 y 4 10 4. Formulación 5 10 5. Análisis realizados a las 5 diferentes muestras experimentadas a nivel laboratorio
10
6. Fórmula seleccionada 12 7. Especificación de la materia prima 12 8. Distribución de los tiempos de operación 17 9. Componentes de la leche en polvo 18 10. Equipo recomendado 27
INDICE DE FIGURAS Figura
Página
1. Ubicación de la planta 3 2. Distribución de áreas. Planta baja 4 3. Distribución de áreas. Primer piso 4 4. Organigrama de la empresa 5 5. Diagrama de bloques. Proceso de elaboración de yogur batido sabor fresa
13
6. Diagrama de flujo de proceso 16 7. Balance de materiales. 1ª Etapa: rehidratación 19 8. Balance de materiales y energía en el pasteurizador 20 9. Balance de materiales. 2ª Etapa: Fermentación 22 10. Fermentación 24 11. 1ª etapa: rehidratación de leche en polvo y el azúcar 25 12.2ª etapa: pasteurización de la leche reconstituida LR 26 13. 3ª etapa: Fermentaciòn 26 14. Distribución de áreas en la empresa. Planta baja 30 15. Distribución del equipo y área de proceso 32
ESTANCIA INDUSTRIAL, EMPACADORA Y COMERCIALIZADORA MINGOS S.A. DE C.V. DISEÑO DE UNA LINEA DE PRODUCCION DE YOGUR BATIDO
Martínez Juárez Jacqueline, Morales Gallegos Emmanuel Alejandro, Vázquez Lozano Patricia* Av. Acueducto s/n, Barrio de la Laguna Ticomán, tel: 5729 6000, ext. 56343, Fax 5729 6000, ext. 56305 vazquezlozano3@yahoo.com.mx
Palabras clave: yogur, ingeniería, higiene, calidad. Introducción: Se dice que desde hace más de 500 años a.c. el hombre ha consumido productos lácteos fermentados sin saber lo que realmente había en ellos, en México no contamos con la tradición de consumir dichos productos, sin embargo el consumo se ha incrementando año tras año, por lo que representa un atractivo mercado. El objetivo de éste trabajo es realizar el diseño de una línea de producción de yogur batido, aplicando los conocimientos adquiridos de ingeniería y de tecnología de alimentos. Metodología: El primer paso para el diseño fue la elección de la formulación para elaboración de yogur, se experimentaron a nivel laboratorio 5 formulaciones, y de ellas se selecciono la que más se adecuo a nuestros intereses. Se analizaron las propiedades fisicoquímicas y las características de cada ingrediente del yogur, las cuales sirvieron como base de diseño. Se realizó el diagrama de flujo de proceso, que se utilizó como base para la realización de los balances de materiales y energía en cada equipo, para ello se determinó la cantidad de producción semanal deseada por la empresa, y con las bases de diseño se hicieron los cálculos regresivamente para saber la cantidad de materia prima a utilizar por día, así, con base en los resultados se determina la capacidad mínima que debe tener cada equipo, es decir el dimensionamiento de éste. Finalmente se propusieron algunas recomendaciones, respecto al diseño higiénico de las instalaciones de acuerdo a lo estipulado en la NOM-120. Resultados y discusión: La fórmula seleccionada para la elaboración de la línea de producción es la siguiente: Cuadro 1. Fórmula elegida para la realización de la línea de producción
INGREDIENTES CANTIDADES (%)
Leche en polvo 12
Agua 84
Azúcar 4
TOTAL 100
Base sabor fresa 18 del VT
Microorganismos 2.5 del VT
VT- Volumen Total Dicha fórmula se selecciono por ser la más apegada a la NOM-185, siendo sus ingredientes mínimos y de bajo costo. Con base en ésta se realizó el diagrama de bloques Figura 1. Se recomendó el siguiente equipo: Una tolva marca Acermex, de acero inoxidable, con capacidad para 500kg/h, con 80 m diámetro, 1.10 m de profundidad, 0.08 m diámetro inferior. Un tanque de mezclado marca Tri-Canada, con capacidad de 570 L, de acero inoxidable, con 0.9m de profundidad, por 0.44m de radio, sistema fijo de mezclado.
Figura1. Diagrama de bloques. Elaboración de yogur batido sabor fresa
Homogeneizador marca Gaulin, con capacidad de 2500 L/h, de acero inoxidable, con dimensiones: ancho 0.90 m, altura 1.3 m. Un intercambiador de placas marca Chester Jensen, con placas de acero Inoxidable 20cm x 75cm, de capacidad de 2500 L/h. Un fermentador de marca Mueller, con capacidad para 1140 L, de acero inoxidable. Presión máxima 45 psi, dimensiones: 1.27m de profundidad por 0.93m de diámetro. Un tanque higiénico con bomba de desplazamiento positivo, de acero inoxidable marca Weyburn. Y finalmente una envasadora marca Chester Jensen, con capacidad de 40 envases/h de acero inoxidable. Este equipo tiene un margen de holgura en cuanto a la cantidad de producción, de un 30% aproximadamente, sin embargo si se desea aumentar la producción, el equipo que limita la capacidad es el fermentador, por ello adquiriendo un segundo equipo se puede agilizar el proceso, y como resultado elevar la producción. Las recomendaciones respecto al diseño higiénico de las instalaciones, son fundamentales para un proceso como éste, libre de contaminantes que nos puedan alterar el producto. Conclusiones y Perspectivas: Se realizó satisfactoriamente el diseño de una línea de producción, quedando los directivos, satisfechos con el trabajo efectuado para posteriormente seguir con el proyecto hasta la terminación de éste. Se seleccionó la formulación de acuerdo a criterios de economía y calidad conforme a normas mexicanas, con base en ello, se hicieron los cálculos necesarios para los balances de materiales y energía y de ésta forma se dimensionó el equipo, se seleccionó cual es el más adecuado para el tamaño de producción semanal, y finalmente se recomendó un diseño higiénico en el área de proceso de elaboración de yogur y en la planta en general. Agradecimientos: A la empresa Mingos S.A. de C.V., ing. Francisco Martínez y Prof. Patricia Vázquez Lozano. Referencias: 1. TAMIME, ROBINSON, 1991. “Yogur ciencia y tecnología” Ed. Acribia, Zaragoza España. 2. RAUCH G.H. “Fabricación de mermeladas”1986, Zaragoza España, Ed.
Hidratación
Homogeneización
Pasteurización
Fermentación
Adición de fresa
Envasado
Refrigeración
Batido
Inoculación Leche en polvo, azúcar y agua
Acribia 3. SPREER E. “Lactología industrial”1990, 2ª EDICIÓN, Zaragoza España Ed. Acribia
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2 DESCRIPCION TECNICA Y ADMINISTRATIVA DE LA EMPRESA
2.1 ANTECEDENTES DE LA EMPRESA
La empresa EMPACADORA Y COMERCIALIZADORA MINGOS S.A. DE
C.V. se fundó a fines de los 90’s por el Sr. Rogelio Escamilla Hernández.
Dicha empresa tiene antecedentes de la empacadora GALICIA S.A. de C.V.
Esta última se fundó en los años 70’s a cargo del Sr. Pedro Escamilla,
posteriormente, tras las muerte de éste, su hijo Rogelio, creó su propia
empacadora, en la que en sus inicios el empleo de la maquinaria y equipos
era algo obsoleto como en el caso del engrapado en los jamones se hacía
manual, sin embargo, la empacadora elaboraba productos tal como jamón y
salchicha, éste último duró tres años en el mercado.
Con esto la pequeña empresa logró reunir los recursos para comprar su
actual equipo. Desde sus inicios la empacadora MINGOS tiene su
establecimiento en la colonia Granjas Valle de Guadalupe, Ecatepec de
Morelos México, lugar donde hasta la fecha se siguen elaborando productos
como: jamón tipo virginia, tipo York, tipo americano, lomo americano
ahumado, pierna española, queso de puerco, queso gouda, queso panela,
tipo canasto, queso análogo, y tocino.
2.2 GIRO
Embutidos y derivados lácteos.
2.3 MISION
Elaborar y comercializar productos naturales, saludables y nutritivos en la
gama de embutidos y carnes frías, con el compromiso de deleitar y satisfacer
el gusto de los consumidores de todas las edades, con la responsabilidad de
lograr un bienestar social.
2.4 VISION
Mejorar la organización de la empacadora con nuevas plantas de
producción, y productos nuevos, de la mejor tecnología y con gran calidad
humana, que posibilite dar un servicio al cliente de máxima calidad.
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2.5 FILOSOFIA
Promover los siguientes valores como la base fundamental de nuestra
organización:
- Integridad
- Cooperación
- Respeto
- Responsabilidad
- Honestidad
- Humildad
- Compromiso
- Lealtad
- Tolerancia
- Igualdad
- Imparcialidad
- Equidad
- Solidaridad
2.6 LOCALIZACION DE LA PLANTA
Figura 1. Ubicación de la planta
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2.7 DISTRIBUCIÓN DE ÁREAS
Figura 2. Distribución de áreas. Planta baja
Figura 3. Distribución de áreas. Primer piso
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2.8 ORGANIGRAMA
Figura 4. Organigrama de la empresa.
3 JUSTIFICACION
La empresa MINGOS S.A. de C.V. al darse cuenta de lo prometedor que es
el mercado de leches fermentadas, desea desarrollar, elaborar y comercializar
un producto lácteo fermentado: yogur batido sabor fresa, con las
características físicas y organolépticas que satisfagan las exigencias del
consumidor, para competir en el mercado de productos lácteos.
4 OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar el paquete de ingeniería básica para una línea de producción de
yogur batido sabor fresa.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Selección de la formula adecuada para elaborar yogur batido sabor
fresa similar a un yogur comercial.
Dirección general
Gerencia De produccion
Subgerencia Lácteos
Subgerencia Cárnicos
SupervisorCarnes
Obreros
Supervisor quesería
Recursos humanos
Obreros
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Elaboración del diagrama de flujo de proceso.
Realización del dimensionamiento del equipo, mediante un balance de
materiales y energía.
Realización de la distribución del equipo en el área de proceso.
Consideraciones de diseño higiénico.
4.1 MARCO TEORICO
Se dice que desde hace 5000 años a.c. el hombre ha consumido productos
lácteos fermentados sin saber que en ellos se podían encontrar
microorganismos benéficos para la salud. Utilizaban estómagos de terneros
como recipientes para almacenar la leche de los animales que domesticaban,
al cabo de unos días ésta fermentaba dando lugar a la producción de lo que
hoy conocemos como: ‘leches fermentadas’.
Años más tarde en 1857 fueron descubiertas las bacterias lácticas por
Louis Pasteur, posteriormente se descubrieron algunas otras bacterias de la
leche ácida, dentro de las que destacaba Bifidobacterium.
Hacia 1907, el biólogo Ruso Ely Metchnikoff realizó estudios sobre los
efectos benéficos del yogur y popularizó el consumo diario de éste entre los
pueblos europeos de esa época.
Aunque no se dispone aún de algún documento en el que se contemple el
origen del yogur, se dice que tiene origen en el Oriente Medio y la evolución
de éste producto fermentado a lo largo de los años se puede atribuir a las
habilidades culinarias de los pueblos nómadas de ésta parte del mundo.
Es por ello que su proceso de elaboración es un arte muy antiguo que data
de miles de años, siendo posiblemente anterior a la domesticación de vacas,
ovejas y cabras, sin embargo hasta apenas en el siglo XIX se conocían los
fundamentos de las distintas fases de la producción.
En México generalmente el consumo de las leches fermentadas ha sido
discreto, y no se podrá decir que nuestro país tiene una historia al respecto.
Sin embargo su consumo actual es importantísimo, sobre todo lo que respecta
al yogur, cuya demanda se ha incrementado insostenidamente en los últimos
años, multiplicándose las marcas comerciales presentes en el mercado de
consumidores mexicanos. Esto representa a su vez, dinero tanto para
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microempresas que elaboran a pequeña escala yogur, como para industrias
que producen toneladas de yogur al día.
La Organización Mundial de la Salud (OMS) define al yogur como "La
leche coagulada obtenida por la fermentación ácido-láctica de la misma
por el Lactobacillus delbruekii subsp. busgaricus y el Streptococcus
salivarius subsp. thermophilus, con o sin adición de leche en polvo. Los
microorganismos del producto final deben ser viables y abundantes"
Como podremos notar el yogur es un cultivo láctico, que corresponde a una
simbiosis bacteriana integrada por las bacterias lácticas:
- Lactobacillus delbrüeckii subsp bulgaricus
- Streptococcus salivarius subsp thermophilus
Ambas son bacterias anaerobias Gram (+), termófilas, que tienen como
función primaria fermentar la lactosa produciendo ácido láctico.
Lactobacillus delbrüeckii subsp bulgaricus se presenta sólo o en cadenas,
células alargadas con la edad y tiene más alta resistencia a los antibióticos, su
temperatura óptima de crecimiento es 40-50°C.
Streptococcus salivarius subsp thermophilus se presenta en pares y/o en
largas cadenas, es muy sensible a sustancias inhibidoras y a los fagos, su
temperatura óptima de crecimiento es 35-40°C Cada bacteria produce ácido
láctico, acetaldehído, acetoína, diacetilo, etanol y ácido acético (compuestos
responsables del aroma y sabor del yogur), cuando crece de forma aislada, sin
embargo dicha producción es más favorable cuando se conjuntan, la simbiosis
de ambas especies se da cuando el Lactobacillus delbrüeckii subsp bulgaricus,
(lactobacilo proteolítico), hidroliza las proteínas encontradas en la leche,
produciendo péptidos y ciertos aminoácidos importantes como la valina, los
cuales activan el crecimiento de Streptococcus salivarius subsp thermophilus,
a su vez éste produce ácido fórmico y CO2 los cuales son aprovechados para
el crecimiento del bacilo. Es así como uno produce el alimento del otro y
viceversa.
Los cultivos del yogur son los responsables del sabor del mismo, siendo el
acetaldehído el principal componente del sabor, ambos m.o. lo producen a
partir de la lactosa o bien de los aminoácidos, con lo mencionado
anteriormente podemos encontrar un sin fin de cualidades del yogur, entre las
cuales está el reponer la flora intestinal, reducir los niveles de colesterol, bajar
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las reacciones alérgicas a las proteínas; y una de las principales cualidades es
que ayuda a la digestión por ser un producto pre-digerido.
Además es un alimento que se recomienda en todas las edades, aporta los
nutrimentos de la leche en una forma de fácil asimilación, y que al combinarlo
con otros alimentos aumenta su valor nutritivo pues se puede preparar con
frutas, mermeladas, ensaladas, carne y postres.
En nuestro país se elaboran distintos tipos de yogur, entre los principales
tenemos: firme, batido y líquido o para beber.
Todos ellos difieren en su forma de elaboración, el primero se fermenta una
vez envasado el yogur, para ser refrigerado posteriormente; el yogur batido,
como su nombre lo indica es fermentado y posteriormente lleva un batido y
refrigeración, y finalmente el yogur para beber, se fermenta, se agita y se le
agrega cierta cantidad de agua seguido de un refrigerado. Todos ellos con o
sin adición de fruta.
Todo tipo de yogur cualquiera que sea su proceso debe elaborarse de
acuerno a normas oficiales mexicanas (Ver Bibliografía), en las cuales se
mencionan los ingredientes y las cantidades de aditivos que deben emplearse.
Principalmente para que un yogur como producto terminado esté dentro de
norma según NOM-185 estipula: Los productos lácteos fermentados deben
tener una acidez titulable de no menos de 0,5% expresada como ácido láctico
y su pH debe ser máximo de 4,4.
5 METODOLOGIA Y RESULTADOS
5.1 DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES
Cuadro 1. Cronograma de actividades
Actividad a realizar Mes
1.- Reconocimiento de las instalaciones 2.- Conocimiento de los procesos y equipo de la planta 3.- Investigación preliminar sobre tecnología de yogur 4.- Selección inicial de formulaciones para elegir de ellas la más adecuada 5.- Experimentación a nivel laboratorio con las distintas fórmulas. Análisis de resultados
Abril, Mayo,
Junio
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6.- Trabajo en laboratorio con la fórmula que se va aplicar (medición de la calidad) 7.- Planteamiento de las bases de diseño y especificación de la materia prima requerida
Julio, Agosto
8.- Cálculos. Balances de materiales y energía 9.- Elaboración del diagrama de flujo de proceso
Septiembre,
Octubre
10.- Recomendaciones sobre el equipo y la distribución de planta 11.- Recomendaciones para estancias futuras y seguimiento del proyecto
Noviembre,
Diciembre
Para la realización del proyecto se preleccionaron de algunas fuentes de
información, 5 fórmulas establecidas, éstas se experimentaron a nivel
laboratorio, y así, finalmente se eligió la que mejor se asemejara a un yogur
comercial batido. Las 5 formulaciones mostradas a continuación se tomaron
como base para iniciar las pruebas a nivel laboratorio, cada una de ellas
difieren en ingredientes y cantidad de los mismos a utilizar.
5.2 FORMULACIONES EXPERIMENTADAS A NIVEL LABORATORIO
Cuadro 2. Formulaciones 1 y 2
INGREDIENTES
(Fórmula No. 1)
CANTIDADES
%
INGREDIENTES
(Fórmula No. 2)
CANTIDADES
%
Leche líquida 93 Leche en polvo 9.2
Suero en polvo 2 Agua 85
Azúcar 4 Azúcar 5
Grenetina 0.3 Grenetina 0.3
Fécula de maíz 0.7 Almidón
modificado 0.5
TOTAL 100 TOTAL 100
Microorganismos 2.5 del VT Microorganismos 2.5 del VT
Base para yogur
sabor fresa 18 del VT
Base para yogur
sabor fresa 18 del VT
VT- Volumen total
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Cuadro 3. Formulaciones 3 y 4
INGREDIENTES
(Fórmula No. 3)
CANTIDADES
(%)
INGREDIENTES
(Formula No. 4)
CANTIDADES
(%)
Leche en polvo 9.2 Leche 90.7
Agua 85 MPC 3.5
Azúcar 4.5 Azúcar 4
Suero en polvo 0.8 Suero en polvo 1.3
Almidón modificado 0.5 Carragenina 0.5
TOTAL 100 TOTAL 100
Microorganismos 2.5 del VT Microorganismos 2.5 del VT
Base para yogur
sabor fresa 18 del VT
Base para yogur
sabor fresa 18 del VT
Cuadro 4. Formulación 5
INGREDIENTES
(Formula No. 5)
CANTIDADES
%
Leche entera en polvo 12
Agua 84
Azúcar 4
TOTAL 100
Microorganismos 2.5 del VT
Base para yogur sabor fresa 18 del V,T
Los análisis que se realizaron a las distintas fórmulas son los siguientes:
Cuadro 5. Análisis realizados a las cinco diferentes muestras
experimentadas a nivel laboratorio.
Fórmula
No. pH
Acidez
(ºD) Viscosidad Comentarios
1 4.5 70 Muy baja El almidón nativo se hidrolizó
provocando desestabilización y
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12
pérdida de viscosidad.
2
4.7 60 Similar al
yogur
comercial
La apariencia y consistencia es la
buscada, sin embargo la cantidad
de aditivos utilizados está fuera de
norma (NOM-185.SSA1).
4.6 58
4.7 60
4.7 63
3
4.5 70
Similar al
yogur
comercial
La apariencia y consistencia es la
correcta, sin embargo la cantidad
de almidón empleada rebasa lo
permitido por la norma (NOM-185-
SSA1).
4.6 57
4.5 70
4
5.1 50
Baja Disminuyo la velocidad de
Fermentación. 4.9 53
5.0 48
5
4.2 100
Similar al
yogur
comercial
El pH y la acidez son las ideales.
4.3 95
4.4 90
4.2 103
4.2 102
4.3 96
De acuerdo a las pruebas de laboratorio que se realizaron, la fórmula
escogida es la No. 5. debido a que presenta la mejor viscosidad, tomando
como patrón un yogur comercial. Para esta formulación se cambio la cepa de
microorganismos utilizados para la fermentación, por una cepa mixta
genéticamente modificada. Se eligió esta formulación ya que cumple con lo
requerido en la NOM-185-SSA1, y no contiene aditivos. El producto de la
formulación 3 presenta las características buscadas en el producto, sin
embargo incumple la NOM-185-SSA1 en el contenido de almidón que
especifica la norma.
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5.3 FORMULA TOMADA COMO BASE PARA LA REALIZACION DE LA
LÍNEA DE PRODUCCIÓN DE YOGUR BATIDO
Cuadro 6. Fórmula seleccionada
INGREDIENTES
(Fórmula No.5)
CANTIDADES
%
Leche entera en polvo 12
Agua 84
Azúcar 4
TOTAL 100
Microorganismos 2.5 del VT
Base para yogur sabor fresa 18 del VT
5.4 LISTADO DE MATERIA PRIMA
Cuadro 7. Especificaciones de la materia prima
Materia Prima Descripción y/o especificación
Microorganismos
Cultivo láctico liofilizado “SACCO” Lyofast, para
inoculación directa en leche. 10UFC para 1000 litros de
leche.
Leche
Leche en Polvo. Máximo 3.5% de humedad.
Carbohidratos 39%, Proteínas 29.3%, Grasas 27.2%,
Minerales 1%. Cp= 0.916 kcal/kg °C, pto. isoeléctrico= 0.55
°K, conductividad eléctrica = 0.5 A/V*m, presión osmótica =
700 kPa, pH = 6.7, fuerza iónica = 0.08 molar, Aw = 0.993,
Azúcar Sacarosa comercial
Agua
El agua que se utilice en el proceso de elaboración debe
ser para uso y consumo humano y cumplir con lo señalado
en la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994 , libre
de bactericidas.
Una vez elegida la fórmula, se realiza el paquete de ingeniería básica
comprendiendo los siguientes aspectos: Descripción del proceso, propiedades
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fisicoquímicas, criterios de diseño, balances de materiales y energía,
diagramas de flujo de proceso, lista de equipos e instrumentos
Comenzando primero con la descripción del proceso que a continuación se
muestra, mediante un diagrama de bloques, en el que se expresa cada etapa
del proceso a seguir en la elaboración de yogur.
5.5 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
Como vemos en la formulación (Cuadro 6), se utiliza de leche en polvo por
su amplia disponibilidad, bajo costo y sencillo almacenaje, y azúcar que entran
en una tolva. El tanque de mezclado contendrá solamente agua, la hidratación
comienza en el momento en que se activa una bomba centrífuga, que
recircula el agua del tanque exactamente por debajo de la salida del polvo en
la tolva. La fuerza del líquido circulante aspira la leche en polvo y la mezcla
con el agua, la circulación continua hasta la total disolución de la leche en el
agua. Además el embudo tiene una válvula de conexión que origina una
reducción del diámetro de la tubería causando un efecto ventura que facilita el
mezclado de los polvos (diagrama 3). Una vez lleno el tanque de leche
azucarada se utiliza la misma bomba centrifuga antes mencionada, solo
cambiando la dirección del flujo, para enviar la leche al homogeneizador.
La homogeneización se lleva a cabo a 40 ºC en un homogeneizador Gaulin de
2 pasos, la presión en el primer paso es a 900 psi y el segundo paso a 1200
psi (diagrama 3), con el objetivo de reducir el tamaño del glóbulo de grasa, lo
que le dará una mejor estabilidad al yogur, al aumentar la viscosidad y reducir
el fenómeno de sinéresis.
Del homogeneizador sale con la misma fuerza impulsora de la bomba
centrifuga y se introduce en un intercambiador de placas para el proceso de
pasteurización. La pasteurización es LTHT a 82ºC por 17 s. y enfriado rápido a
4ºC, esto es con el fin de suministrar al fermentador una leche con la calidad
bacteriológica aceptable en la elaboración de yogur.
Posteriormente la leche se introduce en el fermentador a 4ºC y se calienta en
el tanque enchaquetado con vapor sobrecalentado a 220ºC, hasta una
temperatura de 40-45ºC, que es la temperatura óptima de crecimiento para los
microorganismos mesófilos.
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Cuando la leche se encuentra a esa temperatura se inocula con un cultivo
intermedio o lactofermento previamente preparado. Inmediatamente después
de la inoculación se agita el tanque para permitir la activación y dispersión por
todo el medio de los microorganismos, durante 10-15 minutos, este mezclado
es un punto de control importante ya que de esto depende en gran parte que
se efectúe correctamente la fermentación.
Transcurridos los 15 minutos de mezclado se mantiene de 40-45ºC la
temperatura del medio durante 3 ½ horas, que es el tiempo que el fabricante
recomienda, para la fermentación adecuada, sin embargo se tiene que estar
monitoreando la acidez en lapsos de 45 min, para detectar algún defecto con
el proceso.
Cuando se ha logrado una acidez de 90-100ºD se detiene el proceso de
fermentación y se adiciona la base sabor fresa mediante una bomba de
desplazamiento positivo y se agita durante 15 minutos a 8 rpm.
Ya mezclado se envía con una bomba de desplazamiento positivo a la
envasadora.
El proceso de envasado es manual. Una vez en su envase se lleva a la
cámara de refrigeración y se mantiene de 1-4ºC hasta su punto de venta.
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Figura 5. Diagrama de bloques. Proceso de elaboración de yogur batido
sabor fresa
Leche en polvo , azúcar y agua
Hidratación
Homogeneización
Pasteurización
Inoculación
Fermentación
Adición de la base para yogur sabor fresa
Envasado
Almacenamiento en frío
Batido
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5.6 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
Figura 6. Diagrama de flujo de proceso.
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5.7 TIEMPOS DE OPERACION
Para la realización de los balances de materiales y energía se distribuyó la
jornada de trabajo en las distintas fases del proceso, para determinar cuanto
de cada componente se producen en kg/h.
Los tiempos distribuidos son los siguientes:
Cuadro 8. Distribución de los tiempos de operación
Distribución de tiempos de
operación
Tiempo
(min)
Llenado de tanque 10
Hidratación/Recirculación 25
Homogeneización 30
Pasteurización 25
Calentamiento 4-40ºC 30
Inoculación 5
Agitación/Reconstitución 15
Fermentación 210
Enfriado 10
Adición de fruta 5
Mezclado 15
Envasado/Etiquetado 60
Lavado 70
5.8 BALANCES DE MATERIALES Y ENERGÌA
Para su análisis dividimos el proceso en 3 etapas: Rehidratación,
Pasteurización y Fermentación. Generalizando tenemos la siguiente base de
cálculo:
Se desean obtener 600 kg de producto terminado (PT), lo cual nos indica
que la suma de:
Biomasa (Bm) + Leche Reconstituida (LR) + Inoculo (Inc) + Fruta (Fr) = 600 kg
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Se sabe que la cantidad de inoculo a utilizar es el 2.5 % del volumen total o
PT (1993,Tamime) mientras que la fruta a adicionar es el 18% del volumen
total. La cantidad de LR no se conoce aún ni la de Bm.
En literatura se encontró que en la fermentación del yogur la biomasa
aumenta en promedio un 0.6% del volumen total, quedando nuestra ecuación
de la siguiente manera:
Bm + LR + Inc + Fr = 600 kg
(0.006)LR + LR + (0.025)(600) + (0.18)(600) = 600
(0.006)LR + LR + 123 = 600
1.006LR = 477
LR = 477/1.006 = 474.1550 ≈ 474 kg
Por lo tanto el volumen de la biomasa es:
Bm = (0.006)(474) = 2.844 ≈ 3 kg
La leche reconstituida que entra en el homogeneizador contiene por lo
tanto: agua, azúcar y la leche en polvo.
Se necesita que los sólidos totales (St), en la leche para la elaboración de
yogur sea del 16%, por lo tanto determinamos el Extracto Seco Total (EST),
de la leche reconstituida.
Sacarosa 4% = 18.96 kg
474 kg (0.16) = 75.84 kg de EST Leche en polvo 12% = 56.88 kg
Del cual de éste 12% de leche en polvo tenemos los siguientes
componentes:
Cuadro 9. Componentes de la leche en polvo
Componente % Kg
Carbohidratos 39 22.8
Proteínas 29.3 16.66
Grasas 27.2 15.47
Humedad 3.5 2
Minerales 1 0.56
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5.9 1ª ETAPA: REHIDRATACIÓN
5.9a Balance de materiales
Figura 7. Balance de materiales. 1ª Etapa: rehidratación
Bm + LR +In + Ff = PT
LR(0.006) +LR + 600(0.025) + 600(0.18) = 600 kg
1.006LR + 15 + 108 = 600 kg
LR = (600-15-108)/1.006
LR = 474 kg
LR = 1137.6 kg/h
Idealmente se necesitan 474 kg de leche rehidratada al 16%, de los cuales
el 12% es leche en polvo y el 4% sacarosa, es decir 56.88 kg y 18.96 kg
respectivamente. Si E = S entonces se completan los 474 kg con agua.
398.16 kg + 18.96 kg + 56.88 kg = 474 kg
5.10 2ª ETAPA PASTEURIZACIÓN
5.10 a Balance de materiales y energía, Sección I
474 kg 1137.6 kg /h
25 min 60 min
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Figura 8. Balance de materiales y energía en el pasteurizador
Se divide el pasteurizador en 2 secciones, la primera es Sección de
calentamiento y la segunda es la Sección de Enfriamiento.
SECCIÓN I. BALANCE EN LA SECCIÓN DE CALOR
Calentamiento + Mantenimiento
Se determina la cantidad de vapor necesario para elevar de temperatura la
leche a pasteurizar. Considerando un Cp para la leche de 0.916 kcal/kgºC
(1998, Valiente)
Cp Leche = 0.916 kcal/kgºC
t1 = 40 °C
t2 = 82ºC
VE = AS → V
LR1 = LR2 → LR
LR (H2 – H1) = V(H3 - H4)
(H2-H1) = ∆H
∆H = Cp m (t2-t1)
V = (Cp LR (t2-t1))/(H4-H3)
V = ((0.916 kcal/kgºC) (474 kg) (42ºC))/(669.3 kcal/kg – 225.3 kcal/kg)
V = 41.071 kg
41.071 kg 98.57 kg/h de vapor a 220ºC 25 min 60 min
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V = 98.57 kg/h de Vapor a 220ºC
Se realiza el balance de energía para determinar el calor necesario para
elevar a 82ºC de temperatura los 474 kg de leche. Sin embargo el calor total
(Q) transmitido, es la suma del Q en la zona de calentamiento + el Q
necesario en la zona de mantenimiento que se calcula multiplicando la masa
del líquido a calentar por su Cp .
Por el balance de calor:
LRE H1 + Q = LRS H2
LRE = LRS = LR
LR (H2-H1) = Q
∆H = Cp m (t2-t1)
Q = 474 kg (0.916 kcal/kgºC) (42ºC)
Q = 18235.72 kcal
QTotal = 18235.72 kcal+ mCp
QTotal = 18235.72 kcal +(474 kg) (0.916 kcal/kgºC)
QTotal = 18669.88 kcal
18664.88 kcal 44807.71 kcal/h 25 min 60 min
QTotal = 44807.712 kcal/h
5.10 b Balance de materiales y energía, Sección II
SECCIÓN II. BALANCE EN LA SECCIÓN DE ENFRIAMIENTO
Ahora se calcula el calor cedido por la leche, al introducir agua a 4ºC.
t1 = 4°C
t2 = 82°C
Qcedido = mCp (4ºC - 82ºC)
Qcedido = (474 kg) (0.916 kcal/kgºC) ( - 78ºC)
Qcedido = -33886.35 kcal
-33886.35 kcal -81327.24 kcal/h25 min 60 min
Q cedido = -81327.24 kcal/h
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Ahora se necesita conocer la cantidad de agua fría para ganar dicha
cantidad de calor. Para la base de cálculos se fija t2, la temperatura de salida
de agua del refrigerante, en 40ºC
Q = mCp (t2-t1)
m = Q / Cp(40ºC - 4ºC)
m = -33886.35 kcal/ (1 kcal/kgºC)(36ºC)
m = 941.28 kg
941.28 kg 2259.07 kg/h 25 min 60 min
m agua fría = 2259.07 kg/h
5.11 3ª ETAPA FERMENTACIÓN
5.11 a Balance de materiales y energía: Etapa Calentamiento
Figura 9. Balance de materiales. 2ª Etapa: Fermentación
Se conoce el valor de LR, entonces se calcula mediante un balance de
materia la cantidad de vapor necesaria para elevar la temperatura de 4º- 45ºC
(fig. 5).
Cp Leche = 0.916 kcal/kgºc
QVE H3 + LRE H1 = QAS H4 + LRS H2
QVE = QVS
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LRE = LRS
QV (H2-H1) = Lp (H4-H3)
H = Cpm(t2-t1)
De las Tablas de vapor sobre saturado
H vap. sat.220ºc = 669.3 kcal/kg
H líq. sat.220ºc = 225.3 kcal/kg
LR Cp (t2-t1) = QV (H4-H3)
474kg (0.916 kcal/kgºc)(45ºC - 4ºC) = QV (669.3 kcal/kg -225.3 kcal/kg)
QV =40.093 kg
Qv = 80.18 kg/h
Calor necesario para calentar de 4ºC a 45ºC, 474 kg/leche.
LR1 H1 + Q = LR2 H2
QVE = QVS → Q
LR1 = LR2 → LR
LR (H2-H1) = Q
Q = 474 kg (0.916 kcal/kgºc)(41ºc)
Q = 17801.544 kcal
17801.54 kcal 35603.08 kcal/h
30 min 60 min
Q = 35603.08 kcal/h
40.093 kg 80.18 kg /h
30 min 60 min
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5.11 b Balance de materiales y energía: Etapa Mantenimiento
Figura 10. Fermentación
A 45ºC se inocula introduciendo la línea Inc. Los resultados de las pruebas
a nivel laboratorio en un sistema cerrado muestran lo siguiente:
Disminuyendo 1ºC cada 4 min
Se determinó el rango de temperatura de mantenimiento de 40ºC – 45ºC
(temperatura óptima de crecimiento para mesófilos), por lo tanto el tiempo que
tarda en disminuir de 45ºC a 40ºC son 20 min., cuando tenemos que
introducir nuevamente calor.
El tiempo promedio de incubación es de 3.5 hrs. = 210 min/20min
10.5 10 veces se debe inyectar vapor
Ahora tenemos mayor volumen que calentar y se requiere por lo tanto
mayor flujo de calor.
Ahora LR +In = 489 kg
QVE = QCS QV
LR1 =LR2 LR
Como el flujo de vapor a la entrada, es el mismo de condensados a la
salida, igualamos QVE y QCS en QV , de igual manera con LR.
LR Cp (t2-t1) = QV (H3-H4)
489 kg(0.916 kcal/kgºc)(5ºc) = QV (669.3kcal/kg - 225.3 kcal/kg)
QV = 5.044 kg
5.04 kg 15.13 kg/h
20 min 60 min
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QV = 15.132 kg/h
De vapor sobresaturado a 220ºC, para mantener a una temperatura de 40-
45ºC, 474 kg de leche inoculada.
Calor necesario para elevar 5ºC la temperatura en la etapa de
fermentación, para mantener la temperatura de 40º - 45º C.
LR1 H1 + Q = LR2 H2
Q = LR(H2-H1)
H2-H1 = H
H = Cpm(t2-t1)
Q = 489 kg(0.916 kcal/kgºc)(5ºc)
Q = 2239.62 kcal/cada 20 min.
2239.62kcal 6717 kcal/h 20 min 60 min
Q = 6717 kcal/h
5.12 CUADRO DE BALANCE
Para la realización de nuestro cuadro de balance tenemos las siguientes
figuras, en cada una se muestra la cantidad de cada componente que entra y
sale de cada equipo, dichas cantidades están expresadas en fracción.
Como hemos visto el proceso se divide en 3 etapas, las cuales son las
siguientes:
1ª ETAPA REHIDRATACION
Figura 11. 1ª Etapa Rehidratación de la elche en polvo y el azúcar
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2ª ETAPA: PASTEURIZACION
Figura 12. 2ª Etapa pasteurización de la leche reconstituida LR
3ª ETAPA FERMENTACION
Figura 13. 3ª Etapa fermentación
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5.13 EQUIPO RECOMENDADO Cuadro 10. Equipo recomendado
EQUIPO ESPECIFICACION
TOLVA
MARCA: Acermex MATERIAL: Acero inoxidable DIMENSIONES: 0.80 m Diámetro, 1.10 m de profundidad, 0.08 m diámetro inferior MODELO: Sin modelo
TANQUE DE MEZCLADO
MARCA: Tri-Canada
CAPACIDAD: 570 Litros (150 GAL )
MATERIAL: Acero Inoxidable No Enchaquetado
DIMENSIONES: 0.9m Profundidad, Por 0.44m De Radio. Sistema fijo de mezclado.
MODELO: NLDG-150, Mezclador Integrado de propela, con Motor De ½ Hp, trifásico.
HOMOGENEIZADOR
MARCA: Gaulin CAPACIDAD: 2500 L/h MATERIAL: Interior acero inoxidable grado alimenticio. Exterior hierro colado DIMENSIONES: Ancho 0.90 m, altura 1.3 m MODELO: GAU90LX25 Homogeneizador de 2 pasos : 1erpaso 1500 psi máx., 2o paso 2000 psi máx.
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INTERCAMBIADOR DE PLACAS
MARCA: Chester Jensen
DESCRIPCION: Intercambiador De Calor De Placas
MODELO: 12HTFS
MATERIAL: Placas De Acero Inoxidable 20cm x 75cm
CAPACIDAD: 2500 L/h
FERMENTADOR
MARCA: Mueller
MODELO: PCPR
CAPACIDAD: 1140 L
MATERIAL: Tanque enchaquetado de acero inoxidable. Presión máxima 45 psi
DIMENSIONES: 1.27m de profundidad por 0.93m de diámetro. Motor de 5 Hp, 3 fases, 220/460 Volts.
BOMBAS CENTRIFUGAS
MARCA: Sin marca MODELO: Sin modelo MATERIAL: Acero inoxidable DESCRIPCION: Bomba centrifuga con cople directo.
Entradas de 1-3/4 in y salida de 1-1/4in, 1HP 220/440 Volts.
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TANQUE DISEÑO HIGIENICO
MARCA: Sin marca MODELO: Sin modelo MATERIAL: Acero inoxidable DESCRIPCION: Tanque de 20 litros con bomba de desplazamiento positivo incluida, montado en su base motor de 1/3 HP, 127v, 1 fase, 1760 rpm MARCA: Weyburn MODELO: 8-60-24-77 Serie #817 MATERIAL: Acero inoxidable DESCRIPCION: Tanque higiénico con bomba de desplazamiento positivo de ¼ HP, motor trifásico, 220/240 Volts. Con salida en el fondo para el producto.
ENVASADORA
MARCA: Chester Jensen CAPACIDAD: 40 Envases/h MATERIAL: Acero inoxidable MODELO: Sin modelo Los envases son de plástico con capacidad de 4kg.
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5.14 DISTRIBUCION DEL EQUIPO EN EL AREA DE PROCESO
Como hemos visto ésta es la distribución del piso 1 en la empacadora
MINGOS S.A. de C.V., la región sombreada está destinada para la
elaboración de yogur.
Figura 14. Distribución planta baja
La distribución se hizo en forma de herradura, por conveniencia de las
entradas, iniciando de la parte donde se encuentra el almacén de materias
primas, en el cual se almacenan las del queso, en dicho almacén estarán la
leche en polvo, el azúcar y la base sabor fresa.
El proceso comienza mezclándose e hidratándose los componentes, para
ello se suministra agua de alta calidad sanitaria libre de agentes
desinfectantes, dicha purificadora se encontrará fuera del área de proceso de
yogur, lógicamente con una entrada hacia el tanque de mezclado.
Una vez llegado el proceso al pasteurizador y al fermentador, se utilizará
una caldera que suministre el vapor demandado por ambos equipos.
Previo a la fermentación se utiliza un cultivo intermedio, el cuál va a estar
en el tanque higiénico pequeño, frente al refrigerador del inóculo, este, se
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propone en tal posición por las condiciones higiénicas que le corresponden, el
cultivo madre por tener microorganismos aislados, puede contaminarse con la
materia prima como la leche en polvo o por una mala limpieza del equipo o los
desechos.
Posteriormente la base sabor fresa estará contenida en el segundo tanque
higiénico cercano al fermentador y el batido se realiza de tal forma que el
producto se dirija a la envasadora donde finaliza el proceso cerca de la puerta
que lleva al almacén cámara 3 de lácteos.
Se han implantado algunas puertas para maniobrar ampliamente, primero
se diseñó un vestíbulo lavamanos, el cual como su nombre indica sirve para
que los empleados se laven las manos, dicho vestíbulo debe estar libre de
corrientes de aire, para ello se implementaron dos puertas, una se dirige hacia
la nave quesera, y la otra hacia el área de proceso de yogur. Otra de las
puertas implementadas es la que se encontrará en el almacén de materias
primas para que al llegar las unidades con la materia prima se almacenen
directamente.
La nave quesera y el área de proceso de yogur alternarán su producción
para evitar una contaminación cruzada. De igual manera en la cámara 3PT se
implementará otra puerta para la salida del PT hacia su distribución.
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Figura 15. Distribución del equipo y área de proceso.
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5.15 DISEÑO HIGIENICO DEL AREA DE PROCESO DE YOGUR
DISEÑO DE INTERIORES
PISO
El tipo de piso que se usará es con cubierta de barniz epoxi, debe ser
impermeable, resistente a ácidos y álcalis, a la grasa, a los agentes de
limpieza, al vapor y al daño por impacto y debe ser antiderrapante.
Será de estructura liviana debido a que no se trabajarán equipos pesados
ni material pesado, el producto terminado o la materia prima se trasladarán en
patinetas sencillas.
Deben ser selladas aquellas grietas y juntas de las placas del piso con una
película epóxica, de fácil lavado donde no haya acumulación de residuos de
leche en polvo, agua o yogur (producto terminado), y las juntas con la pared
serán redondeadas y de igual manera selladas.
Se le dará el 2% de declive hacia el drenaje correspondiente, comenzando
dicho declive desde la superficie más limpia hasta la más sucia, dichos
drenajes deben diseñarse de tal manera que eviten la infestación por insectos
y la propagación de olores. Todos los equipo de proceso deben estar
conectados a líneas de drenaje y tener charolas de goteo para evitar
derrames. Se debe dejar un espacio de 50 cms en el perímetro de las zonas
de almacén y quedar marcado con líneas pintadas de color amarillo.
PAREDES Y ESTRUCTURAS INTERNAS
Las paredes son de block revestido con concreto tipo mortero para dar
acabado liso y tanto las paredes como el techo serán revestido de barniz
epóxico, impermeables a la humedad. La puerta de la entrada al área de
proceso es una puerta de 2 hojas con resorte, para evitar que quede abierta
por un descuido. En la parte inferior de cada puerta se colocará una tira de
hule que evite la entrada de fauna nociva.
TECHO
El interior se recubrirá en paneles de concreto precolado, ligeros
(tablaroca), para que se le dé, un acabado liso, será de dos aguas con un
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recubrimiento epóxico impermeable que evite la acumulación de agua
condensada o polvo y facilite su limpieza.
CONSIDERACIONES PARA EQUIPOS
La distancia que existirá entre cada equipo será de 1m, para evitar la
contaminación o acumulación de residuos que generen plaga entre los
equipos, pero principalmente para tener libertad de movimiento en el área de
proceso.
La distancia de cada equipo hasta la pared será de 0.5 m, de igual manera
para facilitar la limpieza.
OTRAS CONSIDERACIONES
Todos los elementos metálicos de la construcción deben ser tratados con
anticorrosivos.
La tubería que transporta vapor debe estar aislada en todo el trayecto.
El aislamiento de las tuberías debe ser de un material resistente al daño y a
la corrosión y soportar una limpieza frecuente.
6 CONCLUSIONES
se eligió la formulación adecuada para la elaboración de yogur
batido, tomando como criterio, normas de calidad y economía en los
ingredientes.
El tiempo de incubación depende de la naturaleza y
características del microorganismo iniciador. En tanto se
alcanzó acidez de 80-110 °D, en las pruebas de laboratorio, la
legislación mexicana, indica para el yogur una acidez
equivalente mayor o igual a 50 °D.
Se determinó la temperatura y el tiempo de incubación son
variables relacionadas directamente entre sí, la temperatura
óptima para el crecimiento de los microorganismos fue de 43
ºC, obteniéndose con dicha temperatura, el tiempo mínimo,
representando éste parámetro dinero para la empresa.
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Se sentaron las bases del diseño, con base en la materia prima
recomendada y sus propiedades fisicoquímicas.
Se realizó el diagrama de flujo de proceso que junto con la memoria
de cálculos de los balances de materiales y energía son la base para
el dimensionamiento del equipo.
Se realizó el paquete de ingeniería básica para una línea de
producción de yogur batido sabor fresa. Del mismo modo se puede
adaptar el proceso para la producción de yogur en cualquier otro
sabor.
Se le propusieron a la empresa los fundamentos de diseño higiénico
primarios a fin de que el área de proceso de yogur y demás
instalaciones sean higiénicas y así poder brindarle al consumidor un
producto inocuo.
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7 GLOSARIO
°D Grados dornic (100°D = 1% ácido láctico) AS Agua en la salida Bm Biomasa Cp Capacidad calorífica ( kcal/kg°C) E Entrada ESM Extracto seco magro EST Extracto seco total Fr Base sabor fresa IB Ingeniería básica Inc Inóculo LR Leche reconstituida
LTHT Pasteurización: Tiempo corto a alta temperatura
M masa (kg) NOM Norma oficial mexicana PT Producto terminado Q Calor S Salida St Sólidos totales UFC Unidades formadores de colonias VE Vapor en la entrada VT Volumen total
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producto lácteo condensado azucarado; productos lácteos
fermentados y acidificados, dulces a base de leche. Especificaciones
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