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DESARROLLO DE INVESTIGACION CIENTIFICA
EN LICEO MARTIN KLEINKNECHT PALMA
COMUNA DE TOLTEN 2004
1. Resumen de trabajo
Nombre de club
Simulando con la Geometría de los Alimentos vía Internet
Código
EC4/03/062
Objetivo General Motivar el interés de los estudiantes del uso del simulador matemático on-line
Wabfoodlab, para determinar tiempos de procesos de calentamiento,
enfriamiento y congelación según su geometría.
2. Presentación de la Investigación
Se utilizó el simulador matemático Wamfoodlab para determinar tiempos de procesos de
calentamiento y enfriamiento para diversas geometrías regulares de alimentos.
3. Antecedentes de investigaciones Previas
 Los alimentos usualmente son sometidos a procesos de calentamientos o escaldado (50 a
95ºC), enfriamientos (5 a 0ºC) y congelación (-10 a -18ºC) para aumentar la vida útil
(desactivación de enzimas, eliminación de microorganismos, etc) y mantener la calidad del
producto.
 Se han realizado bastantes estudios en el área para determinar los tiempos de procesos, para
determinar el tiempo exacto para lograr estas temperaturas en el centro térmico del alimento
a tratar, lo cual trae consigo optimizar la producción de las industrias alimenticias,
generando un ahorro en energía que es un coste de importancia hoy en día.
 Además se a comprobado que la geometrías de los alimentos es un factor que afecta los
tiempos de procesos (calentamiento, enfriamiento y congelación), viéndose que disminuyen
o aumentan.
 Si bien se a logrado acotar ciertos parámetros, se ha hecho una necesidad de utilizar alguna
metodología que determine en forma más rápida tiempos de procesos, ya que el realizar
estudios experimentales a nivel de una planta procesadora es poco viable.
 La introducción de softwares on-line esta generando una revolución a nivel del area de la
Ingeniería en Alimentos e Industria, otorgando valores muy adecuados de tiempos de
procesos, lo cual da un referente útil y minimiza cálculos que demoran horas en realizarse.
3.1 Antecedentes de investigación
 El problema planteado en esta investigación es comparar los valores obtenidos en forma
empírica de geometrías regulares de alimentos y los tiempos de procesos (calentamiento,
enfriamiento y congelación). Una vez obtenidos estos resultados, se introducen las variables
de entradas al software on-line Wabfoodlab y se obtienen los tiempos de procesos y
posteriormente se comparan con los obtenidos experimentalmente, con lo cual se realizara
una pequeña validación de ambos tiempos si es que los hay.
Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica
 Lo anterior se realizara sometiendo a escaldado una fruta de geometría esférica y otra de
geometría paralelepípeda, con misma área y volumen. Para esto se utiliza un baño térmico
con agua (66ºC), fijando un temperatura del medio, del centro térmico de la fruta sin
tratamiento y luego se hace un seguimiento en minutos y segundos con una termocupla
introducida en la fruta (centro térmico) hasta lograr la temperatura de escaldado de 60ºC. Es
de suma importancia utilizar el método científico en forma disciplinada para obtener
resultados fiables, para este fin se realizan muestras en triplicado.
4. Objetivo general
Alumnos/as identifican figuras geométricas (paralelepípedo, esfera, cilindro), para resolver y
determinar cálculos de tiempos de procesos (calentamiento, enfriamiento y congelación) y
posteriormente se comparan con los del simulador matemático on-line Wabfoodlab, para realizar
una validación de resultados experimentales y simulados.
5. Objetivos específicos
a) Los alumnos identifican y caracterizan figuras de geometrías regulares (paralelepípedo, esfera,
cilindro) y lo asocian con alimentos estudiados.
b) Sensibilizar alumnos/as a realizar determinaciones experimentales de tiempos de procesos
(calentamiento, enfriamiento y congelación) de diferentes geometrías regulares y realizar
posteriormente cálculos con el simular matemático on-line Wabfoodlab.
c) Adoptar un enfoque interdisciplinario para el uso de este simulador, en los diferentes módulos de
aprendizaje del área técnica de alimentos que imparte el establecimiento educacional.
6. Hipótesis de Trabajo
El simular matemático entrega valores de tiempos de procesos (calentamiento, enfriamiento y
congelación), similares a los obtenidos en forma experimental.
7. Diseño Experimental
Los ensayos experimentales se realizaron en el laboratorio y planta piloto del Complejo
Educacional Martín Kleinknecht Palma, de la ciudad de Nueva Toltén.
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7.1. Material y Método
7.1.1 Material
-
Baño hidrotérmico autorregulable con rangos de temperatura de 0 a 90ºC.
Pie de metro
Termocupla tipo T con rango de temperatura de – 50 a 150ºC.
Termómetros digitales con rango de temperatura de -50 a 180ºC.
Manzanas en forma esférica y en forma de paralelepípedo.
Cuadernos de registros de datos.
Sofware on-line Wamfoodlab. (Food Conduction)
7.2 Método Experimental
 Se utiliza el método de escaldado en agua para obtener una temperatura en el centro térmico
en las geometrías de manzanas analizadas, determinando la temperatura final de proceso de
60ºC.
 La Temperatura del medio de calentamiento es de 66ºC.
 Ambas geometrías de manzanas tienen idéntica área (121 cm2) y volumen (124 cm3).
 Se mide la temperatura de las geometrías de manzanas en el centro térmico al tiempo cero
(sin tratamiento térmico), y posteriormente en minutos y segundos se registran los perfiles
de temperaturas hasta llegar a temperatura final de proceso de 60ºC .
 Todas las muestras se realizan en triplicado.
7.2 Método Simulado
 Se utiliza simulador matemático on-line Wabfoodlab, que se encuentra en la Web de la
Universidad Austral de Chile el cual es http://www.agrarias.uach.cl/wamfoodlab/
 Se ingresa al menú utilizando un subprograma que es el foodconduction.
 Se ingresan variables de entradas como:
- Diámetro, espesor, largo y ancho dependiendo de la geometría, temperatura del medio,
temperatura inicial centro térmico, coeficiente de transferencia de calor, conductividad
térmica, etc.
 Se obtienen valores de tiempos de procesos para las geometrías analizadas.
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8. Presentación de Resultados
A continuación se muestran tablas y gráficos con los perfiles de temperaturas para el promedio de
los triplicados de las figuras geométricas de manzanas analizadas para una temperatura final de
escaldado de 60ºC.
Tabla 1. Perfiles de temperaturas del promedio de los triplicados de geometría paralelepípeda de
manzana
Tiempo
(segundos)
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
900
Temperatura
Manzana (ºC)
17,6
17,9
18,1
18,4
18,8
19,6
20,7
22,2
23,9
25,8
27,8
29,9
32
34,2
36,4
38,4
Temperatura
medio (ºC)
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
Tiempo
(segundos)
960
1020
1080
1140
1200
1260
1320
1380
1440
1500
1560
1620
1680
1740
1800
1860
Temperatura
Manzana (ºC)
40,4
42,3
44,2
46
47,6
49,2
50,6
51,9
53,2
54,3
55,5
56,5
57,5
58,4
59,3
60
Temperatura
medio (ºC)
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
Tabla 2. Perfiles de temperaturas del promedio de los triplicados de geometría esférica de manzana
Tiempo
(segundos)
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
Temperatura
Manzana (ºC)
16,3
16,9
17,1
17,4
18,1
19,4
21,2
23,4
25,8
28,3
30,9
33,6
36,1
38,6
Temperatura
medio (ºC)
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
Tiempo
(segundos)
840
900
960
1020
1080
1140
1200
1260
1320
1380
1440
1500
1560
1570
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Temperatura
Manzana (ºC)
40,9
43,1
45,3
47,3
49
50,8
52,4
53,8
55,2
56,5
57,7
58,8
59,8
60
Temperatura
medio (ºC)
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
66
Gráfica 1. Perfil de calentamiento para geometría esférica y paralelepipeda de manzana
70
Temperatura (ºC)
60
50
40
30
Tº geometría paralelepipeda
20
Tº geometría esferica
Temperatura medio
10
0
0
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
1500
1650
1800
1950
Tiempo (segundos)
8.1 Resultados Simulador
-
En la geometría del paralelepípedo se obtuvo un tiempo de escaldado para 60º en el centro
térmico de 1832 segundos.
En la geometría esférica se obtuvo un tiempo de escaldado para 60ºC en el centro térmico de
1603 segundos.
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9. Discusión y Análisis de Resultados
De las tablas 1, 2 y gráfica 1, se desprende que los perfiles de temperaturas experimentales en la
geometría del paralelepípedo tiene un mayor tiempo de proceso de escaldado para llegar a los 60ºC
que la geometría esférica. Esto debido que la penetración de calor en la geometría esférica es
mayor.
En el paralelepípedo el centro térmico llega a los 60ºC a los 1860 segundos, en cambio en la
geometría esférica se verifica un tiempo de 1570 segundos. La diferencia entre ambas geometrías es
de 290 segundos (aproximadamente 5 minutos). Esto a nivel de industria es un parámetro de vital
importancia en lo que respecta al ahorro de energía y sobreprocesamiento del alimento.
El resultado obtenido en el simulador on-line para el tiempo de proceso de la geometría del
paralelepípedo es de 1832 segundos. Comparado con el resultado experimental la diferencia es de
28 segundos.
El resultado obtenido en el simulador on-line para el tiempo de proceso de la geometría esférica es
de 1603 segundos. Comparado con el resultado experimental la diferencia es de 33 segundos.
10. Conclusiones
 Con respecto a la geometría en el tiempo de escaldado
-
Se concluye que la geometría en forma de paralelepípedo toma tiempos mayores para
alcanzar los 60ºC en su centro térmico que la geometría esférica. Por lo cual es de
importancia tener presente este parámetro cuando se realice un proceso térmico en
alimentos.
 Con respecto al simulador on-line Wamfoodlab
-
Se comprueba que los valores obtenidos en el simulador para los tiempos de escaldado son
similares y se encuentran dentro de los rangos de tiempos aceptables que se utilizan tanto a
nivel de procesadoras de alimentos y estudios del área. Por lo tanto, se comprueba nuestra
hipótesis donde el simulador es una herramienta útil para determinar en forma aproximada
tiempos de procesos
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 Con respecto a los alumnos/as del Club-Explora
-
Estos amplían sus conocimientos y conceptos técnicos del área, utilizan el método científico
como parte de un análisis cotidiano de lo que los rodea, optimizándose una visión mas
global de distintas áreas disciplinarias.
11. Bibliografía
- Reglamento Sanitario de los Alimentos
- Tabla de Composición de los Alimentos
- Química de los Alimentos. (Badui, Salvador)
- Transferencia de Calor. (Toledo, Rodrigo)
- Química de los Alimentos. (Fennema, Owen)
- Revista Carnetec (www.carnetec.com)
- Revista Industria Alimenticia (www.industriaalimentaria.com)
Mg Ing. Profesor Neil Mike López Monsalve
Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica