Estudios de concentración de lactosuero mediante crioconentración progresiva agitada

Autor: Quinteros, Gisela Julieta
Přispěvatelé: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Agroalimentària i Biotecnologia, Hernández Yáñez, Eduard
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Popis: Cryoconcentration is a technique for concentrating fluids that removes water through ice formation. In the present work, the agitated progressive cryoconcentration technique was applied to concentrate whey. As part of the characterization of the raw material, the whey freezing point and the freezing enthalpy were determined at different concentrations. Regarding the process of progressive cryoconcentration, the influence of the factors temperature, agitation and time of the experiment was evaluated through the statistical tool of Design of Experiments using the Minitab software. The effect of the three factors on the response variables was studied: Concentration Index (CI), Recovery Percentage of Solids (Y %), Average Distribution Coefficient (K ̅), Average Speed of Growth of Ice (vice) and Specific Electricity Consumption (SEC). Since a 23 Factorial Design, an initial screening of the process conditions was carried out. The established levels for the three factors were: temperature: -15 ºC, -5 ºC; agitation speed: 500 rpm, 1500 rpm and time: 20 min, 60 min. Subsequently, the optimization of the system was perform by applying the Response Surface Methodology through a Central Composite Design, adding central and axial points to the prior Factorial Analysis, combining with the intermediate levels: -10 ºC (temperature), 1000 rpm (agitation) and 40 min (time). In total, the Central Composite Design included 17 experiments performed in triplicate: 8 Factorial Design experiments, 6 axial points and 3 central points. The three factors analyzed had a significant effect over the response variables. Agitation speed was the factor that showed the least significant effect compared to temperature and time, however it was one of the factors that had the most significant effect on K ̅. It is important to note that for this response variable, no interaction between factors had a significant effect, while for the other variables, the temperature-time interaction was one of the most important. The quadratic interactions, specifically temperature x temperature, was the only one that had a significant effect, and affected the SEC. Through the Response Surface Analysis it was established that the conditions that maximize the IC are -15ºC, 1500 rpm and 60 min, obtaining the double of the starting concentration. Under these same conditions, the lowest K ̅ values were obtained. In the case of Y %, a high value is obtained at -5 ºC, 20 min and 1500 rpm, and the maximum ice is at -15 ºC, 20 min and 500 rpm. For SEC, the minimum consumption was optimized at -13 ºC, 1500 rpm and 20 min. In this sense, the RSM methodology allowed the individual optimization of the response variables, but did not produce conclusive results regarding the overall process optimization. On the other hand, related to the energy consumption of the process, in addition to the statistical analysis of electrical consumption (SEC), the Thermal Efficiency was estimated, obtaining the highest value (close to 40%) at low temperatures. Keywords: agitated progressive cryoconcentration, whey, optimization, freezing point La crioconcentració és una tècnica de concentració de fluids que elimina aigua a partir de la formació de gel. En el present treball es va aplicar la tècnica de crioconcentració progressiva agitada per a concentrar sèrum de llet. Com a part de la caracterització de la matèria primera emprada, es va determinar el punt de congelació y la entalpia de congelació del sèrum a diferents concentracions. Pel que fa al procés de crioconcentración progressiva, es va avaluar la influència dels factors temperatura, agitació i temps de l'experiment a través de l'eina estadística de Disseny d'Experiments emprant el programari Minitab. Es va estudiar l'efecte dels tres factors sobre les variables resposta: Índex de Concentració (IC), Percentatge de Recuperació de Sòlids (Y %), Coeficient Mitjà de Distribució (K ̅), Velocitat Mitjana de Creixement del Gel (vgel) i Consum Elèctric Específic (CEE). A través d'una Anàlisi Factorial 23 es va realitzar una avaluació inicial de les condicions del procés. Els nivells establerts per als tres factors van ser: temperatura: -15 °C, -5 °C; agitació: 500 rpm, 1500 rpm i temps: 20 min, 60 min. Posteriorment es va buscar l'optimització del sistema aplicant la Metodologia de Superfície de Resposta a través d'un Disseny Central Compost, afegint a l'Anàlisi Factorial prèvia punts centrals i axials, combinant amb els nivells intermitjos: -10 °C (temperatura), 1000 rpm (agitació) i 40 min (temps). En total, el Disseny Central Compost va constar en 17 experiments realitzats per triplicat: 8 experiments del Disseny Factorial, 6 punts axials i 3 punts centrals. Els tres factors analitzats van tenir un efecte significatiu sobre les variables resposta. L'agitació va ser el factor que va mostrar un efecte significatiu menor en comparació amb la temperatura i el temps, no obstant això va ser un dels quals va tenir efecte més significatiu sobre K ̅. És important remarcar que per a aquesta variable resposta cap interacció entre factors va tenir efecte significatiu, mentre que per a les altres variables la interacció temperatura-temps va ser una de les més importants. Les interaccions quadràtiques, específicament temperatura-temperatura, va ser l'única que va tenir efecte significatiu, i va afectar el CEE. A través de l'Anàlisi de Superfície de Resposta es va establir que les condicions que maximitzen el IC són -15 °C, 1500 rpm i 60 min, obtenint-se el doble de la concentració de partida. En aquestes mateixes condicions es van obtenir els valors més baixos de K ̅. En el cas d' Y % s'obté un alt valor a -5 °C, 20 min i 1500 rpm, i la màxima vgel es dóna a -15 °C, 20 min i 500 rpm. Per a CEE, el consum mínim va ser optimitzat a -13 °C, 1500 rpm i 20 min. En aquest sentit, la metodologia RSM va permetre l'optimització individual de les variables respostes, però no va llançar resultats concloents quant a l'optimització global del procés. D'altra banda, en relació al consum energètic del procés, a més de l'estudi estadístic del consum elèctric (CEE), es va estimar l'Eficiència Tèrmica, obtenint-se el valor més elevat (pròxim al 40 %) a baixes temperatures. Paraules clau: crioconcentració progressiva agitada, sèrum de llet, optimització, punt de congelació La crioconcentración es una técnica de concentración de fluidos que elimina agua a partir de la formación de hielo. En el presente trabajo se aplicó la técnica de crioconcentración progresiva agitada para concentrar lactosuero. Como parte de la caracterización de la materia prima empleada, se determinó el punto de congelación y la entalpía de congelación del suero a distintas concentraciones. En lo que respecta al proceso de crioconcentración progresiva, se evaluó la influencia de los factores temperatura, agitación y tiempo del experimento a través de la herramienta estadística de Diseño de Experimentos empleando el software Minitab. Se estudió el efecto de los tres factores sobre las variables respuesta: Índice de Concentración (IC), Porcentaje de Recuperación de Sólidos (Y %), Coeficiente Medio de Distribución (K ̅), Velocidad Media de Crecimiento del Hielo (vhielo) y Consumo Eléctrico Específico (CEE). A través de un Análisis Factorial 23 se realizó una evaluación inicial de las condiciones del proceso. Los niveles establecidos para los tres factores fueron: temperatura: -15 ºC, -5 ºC; agitación: 500 rpm, 1500 rpm y tiempo: 20 min, 60 min. Posteriormente se buscó la optimización del sistema aplicando la Metodología de Superficie de Respuesta a través de un Diseño Central Compuesto, añadiendo al Análisis Factorial previo puntos centrales y axiales, combinando con los niveles intermedios: -10 ºC (temperatura), 1000 rpm (agitación) y 40 min (tiempo). En total, el Diseño Central Compuesto constó en 17 experimentos realizados por triplicado: 8 experimentos del Diseño Factorial, 6 puntos axiales y 3 puntos centrales. Los tres factores analizados tuvieron un efecto significativo sobre las variables respuesta. La agitación fue el factor que mostró un efecto significativo menor en comparación con la temperatura y el tiempo, sin embargo fue uno de los que tuvo efecto más significativo sobre K ̅. Es importante remarcar que para esta variable respuesta ninguna interacción entre factores tuvo efecto significativo, mientras que para las demás variables la interacción temperatura-tiempo fue una de las más importantes. Las interacciones cuadráticas, específicamente temperatura x temperatura, fue la única que tuvo efecto significativo, y afectó a CEE. A través del Análisis de Superficie de Respuesta se estableció que las condiciones que maximizan el IC son -15ºC, 1500 rpm y 60 min, obteniéndose el doble de la concentración de partida. En estas mismas condiciones se obtuvieron los valores más bajos de K ̅. En el caso de Y % se obtiene un alto valor a -5 ºC, 20 min y 1500 rpm, y la máxima vhielo se da a -15 ºC, 20 min y 500 rpm. Para CEE, el consumo mínimo fue optimizado a -13 ºC, 1500 rpm y 20 min. En este sentido, la metodología RSM permitió la optimización individual de las variables respuestas, pero no arrojó resultados concluyentes en cuanto a la optimización global del proceso. Por otra parte, en relación al consumo energético del proceso, además del estudio estadístico del consumo eléctrico (CEE), se estimó la Eficiencia Térmica, obteniéndose el valor más elevado (cercano al 40%) a bajas temperaturas. Palabras clave: crioconcentración progresiva agitada, lactosuero, optimización, punto de congelación
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: