Guía de Ejercicios de Balances de Materia en procesos de alimentos

1. Coordinación de Ciencia y Cultura de la Alimentación.
Unidad Curricular: Principios de Ingeniería Aplicada a los Alimentos I.
Prof. Mario Yovera Reyes
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UNIDAD II: BALANCES DE MATERIA
I. Balances de materia en problemas de concentración
1. Se mezclan hkg250 de glucosa ( molgrM acosGlu 180 ) con hkg1750 de agua pura
para preparar un jarabe de ( 0251,PE  ). Haciendo un balance de materia, calcula la
concentración del jarabe en:
a. masamasa% y volmasa%
b. Fracción másica: Gx y Ax
c. Fracción molar: Gy y Ay
d. Molaridad y Molalidad
2. Se requiere una salmuera para tratar alcaparras. Se alimenta un mezclador con una
corriente de hkg750 de sal ( molgr,MNaCl 558 ) y otra corriente de hLt1250 de agua pura
para obtener la salmuera a Cº4 . Por balance de materia, calcula la concentración en:
a. masamasa%
b. Fracción másica: Gx y Ax
c. Fracción molar: Gy y Ay
d. Molalidad
3. En la preparación de frutas en almíbar se requiere de la adición de una solución al
mm%5 de ácido cítrico; si se cuentan con hkg380 del ácido puro ( molgrM Acido 192 ).
a. Calcula el flujo másico de la solución ácida
b. Calcula el flujo másico de agua necesario para preparar la solución
c. Calcula la molalidad de la solución ácida
4. Para la elaboración de encurtidos se necesita una solución al  volvol%,53 de ácido
acético y se tiene almacenado vinagre. Haciendo los balances de materia requeridos, calcula:
a. El flujo requerido de agua pura para producir hLt2500 de la solución
b. El flujo requerido de agua pura para producir hm, 3
94 de la solución
c. El flujo requerido de agua pura, si se tienen hLt1500 de vinagre
Nota: Esta es una solución ideal y mezclado isotérmico. Se permite los volúmenes aditivos
II. Balances de materia en proceso de una etapa
5. Se alimenta una columna de destilación con hkg800 de una mezcla de etanol – agua al
mm%24 de etanol. En el tope de la columna se produce hkg180 de etanol. Realiza los
balances de materia necesarios para calcular: (a) El flujo de agua que sale por el tope de la
columna; (b) El flujo de agua y etanol que se retira por el fondo de la columna y (c) El
rendimiento total del etanol.

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6. Se alimenta un tanque de mezclado con hLb750 de jugo de frutas concentrado con
hLb2250 de agua. El concentrado contiene %65 de sólidos y el resto de agua. Calcula la
velocidad de flujo y la composición del producto.
7. Se desea producir hLb1000 de leche descremada, este producto se obtiene al eliminar
parte de la grasa de la leche entera. La leche descremada contiene: %,590 de agua, %,53 de
proteínas, %,15 carbohidratos, %,10 de grasa y el resto de cenizas. Si la leche entera contiene
%5,4 de grasa. Calcula su composición suponiendo que sólo se ha eliminado grasa.
8. Una etapa del proceso para la elaboración de un producto a base de verduras consta de un
secador de bandeja, el cual se carga con las verduras picadas que contienen un %84 de
humedad. El secador elimina el %95 del agua inicial que contienen las verduras. Dibuja y
etiqueta el diagrama de flujo de este proceso y utilízalo para calcular las velocidades de flujo y
las composiciones de los flujos desconocidos.
9. Una etapa del proceso para la elaboración de un producto a base de verduras consta de un
secador de bandeja, el cual se carga con las verduras picadas que contienen un %84 de
humedad. El producto seco sale del secador con un %16 de humedad. Dibuja y etiqueta el
diagrama de flujo de este proceso y utilízalo para calcular las velocidades de flujo y las
composiciones de los flujos desconocidos.
10. El azúcar húmedo que contiene %20 de agua pasa por un secador, donde se retira el
%75 del agua inicial. (a) Tomando como base hkg100 de alimentación, calcula la fracción
másica de azúcar seco en el azúcar húmedo a la salida; (b) el cociente
   PkgAzúcarRkgAgua ; Si el secador se alimenta díaTon1000 de azúcar húmedo ¿Qué
cantidad de agua adicional debe retirarse del azúcar de salida para secarla completamente?
11. El secado por dispersión (spray dried) es un proceso donde un líquido que contiene
sólidos disueltos o suspendidos se inyecta en una cámara a través de un dispersor o atomizador.
La neblina resultante se pone en contacto con aire caliente, que evapora la mayor parte o todo el
líquido, dejando que las partículas sólidas salgan de la cámara. Este proceso se utiliza para
obtener leche en polvo. Si se alimenta el secador (spray drier) con hLt1000 de leche
descremada, la cual posee mm%12 de sólidos totales ¿Cuánta leche en polvo se produciría con
un contenido de sólidos totales de mm%97 ? ¿Cuánta agua debe evaporarse si el aire caliente
entra a la cámara a una temperatura de Fº141 ?
37264
10060011003002100460160361 T,.T,.T,.,.L  
  3
mkgL

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III. Balances de materia con sistemas de ecuaciones lineales
12. Una planta de alimentos cárnicos procesado produce carne picada con un contenido de
grasa de %15 . Si esta carne se produce a partir de carne de vaca con %23 de grasa y carne de
buey con %5 de grasa. Calcula la cantidad de carne de vaca y de carne de buey para producir
Lb500 de carne picada.
13. En la elaboración de yogurt se requiere de leche acondicionada que contiene %16 de
sólidos totales y el resto de agua. Para acondicionar esta leche se utiliza un mezclador al que se
alimenta con leche pasteurizada con %12 de sólidos totales y leche en polvo con %98 de
sólidos totales. Dibuja y etiqueta el diagrama de flujo de este proceso y utilízalo para calcular las
velocidades de flujo y las composiciones de los flujos desconocidos.
14. El proceso de fraccionamiento de aceite de palma emplea un tanque agitado con paletas
(agitación lenta); el tanque se alimenta con aceite refinado, proveniente de la refinación química,
el cual contiene %48 de ácidos grasos insaturados y %52 de ácidos grasos saturados. En el
tanque se produce la separación de los ácidos grasos insaturados de los saturados. El rendimiento
del proceso con respecto a los ácidos grasos insaturados es
   entadolimALbInoductoPrLbIn,90 . El producto principal contiene %91 ácidos grasos
insaturados. Dibuja y etiqueta el diagrama de flujo de este proceso y utilízalo para calcular las
velocidades de flujo y las composiciones de los flujos desconocidos.
IV. Balances de materia en proceso de múltiples etapa
15. En un proceso de destilación continua en régimen permanente de dos unidades se tiene
una mezcla de etanol – agua. Se desea obtener dos productos: el primero que contenga %90 de
etanol y el segundo que contenga %60 de etanol. La información completa se muestra en el
diagrama. Calcula las velocidades de flujo y las composiciones de los flujos desconocidos:
hkg25
III
kgkgE,
hkg
5000
100
kgkgE,
hkg
3000
30
hkg45

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16. En un central azucarero se tiene el proceso de obtención de azúcar de la caña de azúcar. El
proceso se describe en el diagrama de flujo. Calcula las velocidades de flujo en hLb y las
composiciones de los flujos desconocidos:
17. En la producción de aceite de frijol se alimenta un tanque de agitación con frijoles
triturados que contienen %10 en peso de aceite y %90 de sólidos, suspendidos en n-hexano
líquido. La razón de mezcla es LbFLbH3 . El n-hexano extrae casi todo el aceite de los frijoles.
El flujo de salida del mezclador pasa a un filtro, en el que se separa el %100 de los sólidos. En
el filtro se forma una torta que contiene %96 de sólidos, el resto es aceite y n-hexano. En esta
etapa del proceso se pierden hlb20 de n-hexano. El flujo de salida del filtro pasa a un
evaporador al vacío, donde se separa por completo el n-hexano del aceite. El n-hexano que sale
del evaporador es recirculado al proceso. Dibuja y etiqueta el diagrama de flujo de este proceso
y utilízalo para calcular las velocidades de flujo y las composiciones de los flujos desconocidos.
Calcula: (a) El cociente de recirculación del n-hexano FR LbHLbH (b) El rendimiento del
aceite total    entadolimaLbAproductoLbA ; (c) El cociente de alimentación de n-hexano puro
requerido  entadolimaLbFLbH ; (c) El rendimiento del aceite respecto a los frijoles
alimentados  entadolimaLbFLbA
18. El proceso de producción de harina de yuca consta de las siguientes etapas: (1) pelado y
trituración; (2) secado, (3) molienda y tamizado. La yuca que alimenta al proceso contiene: %6
de concha %80 de agua y el resto de sólidos. En la etapa (1) se elimina toda la concha; El
desperdicio contiene %96 de concha y el resto de agua y sólidos. El flujo de salida de la etapa
(1) pasa a un secador en el que reduce su contenido de agua de %,1185 a %4 . El subproducto
seco pasa a la etapa (3) en la que se pierde un %2 del producto. El producto final contiene un
%96 de sólidos. Dibuja y etiqueta el diagrama de flujo de este proceso y utilízalo para calcular
las velocidades de flujo y las composiciones de los flujos desconocidos.
Agua%
Pulpa%
Azúcar%
Caña
25
59
16
Pulpa%
Bagazo
80
Agua%
Pulpa%
Sólidos
5
95
Agua Agua
Azúcar
Agua%
Pulpa%
Azúcar%
73
14
13
Agua%
Azúcar%
85
15
Agua%
Azúcar%
60
40
Molino Malla .Evap Cristal

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19. En la elaboración de cerveza se emplea un proceso de congelación en dos etapas: La
cerveza fresca alimenta al proceso; en el primer congelador se separa casi toda el agua. El flujo
de salida del primer congelador pasa a un segundo congelador en la que se separan todos los
sólidos. El agua de desecho se recircula al proceso, mezclándose con el flujo de alimentación
fresca para conseguir la carga que entra al primer congelador. El diagrama de flujo muestra las
composiciones de cada corriente. Con esta información, calcula: El rendimiento total del alcohol
   entadolimaLbAlcoholproductoLbAlcohol ; El rendimiento del alcohol respecto a la cerveza
fresca alimentada   rescaLbCervezaFproductoLbAlcohol
20. El jugo de naranja fresco contiene %,012 de sólidos y el resto de agua; mientras el jugo
de naranja concentrado contiene %,042 de sólidos. Se utilizó inicialmente un solo proceso de
evaporación para concentrar el jugo, pero los componentes volátiles escaparon con el agua
dejando el concentrado sin sabor. Para resolver el problema se realiza una desviación del
evaporador con una parte del jugo fresco; el jugo que entra al evaporador se concentra hasta
%,058 de sólidos y el producto se mezcla con jugo fresco desviado para alcanzar la
concentración final deseada. Calcula: (a) las velocidades de flujo y las composiciones
desconocidas; (b) Calcula la cantidad de jugo concentrado producido por cada hkg100 del jugo
fresco que alimenta el proceso y la corriente que se desvía del evaporador y (c) Calcula la
cantidad de agua retirada en el evaporador y la cantidad de producto concentrado.
Evaporador
aVapordeAgu
Sólidos%,
JugoFRESCO
012 Sólidos%,
JugoPRODUCTO
042
 
Sólidos%,
DesviadoJugoFRESCO
012
Agua
Sólidos
Alcohol
scaCervezaFre
%93
%4
%3
ICongelador
Agua%,
Alcohol%,
siduoReAgua
9799
030
IICongelador
SólidosAgua%
Alcohol%
Cerveza
65
35



Agua
Alcohol
hoAguaDe
%99
%1
sec
SólidosAgua
Alcohol
CervezaI
%80
%20