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AUMENTO EBULLISCOPICO DE SOLUCIONES DE SACAROSA Y DETERMINACION
DE LAS GRAFICAS DE DHRING.
Liseth Cabezaa , Joseph Carreraa, Jair Centenoa, Manuel Lozadaa,
Juan Carlos Pereza, Edgar Piscoa, Juan Carlos Solanoa, Arnold
Sotoa, Anghelo Valverdea, Jess Velardea.
a. Escuela de Ingeniera Agroindustrial, Facultad de Ciencias
Agropecuarias, Universidad Nacional de Trujillo, Av. Juan Pablo II
s/n, Ciudad Universitaria, Trujillo, Peru
Recibido 14 de Febrero 2011
RESUMEN Conocer el aumento ebulliscopico en las soluciones
azucaradas a diferentes concentraciones, es fundamental para el
diseo y operacin de diversos equipos para su procesamiento. Esta
fue determinada para solucin agua-sacarosa, medidas en un rango de
concentraciones de slidos solubles de 20 a 60 Brix y a presiones de
0.3; 0.6 y 1 bar (abs). Los datos experimentales se representaron
utilizando la regla de Dhring. Los valores obtenidos se compararon
con la ecuacin de Crapiste y Lozano (1988) con lo que se determino
que guarda una tendencia lgica a lo establecido por la teora de
evaporacin que explica que la temperatura de ebullicin de una
solucin aumenta conforme se elevan las concentraciones de slidos
disueltos y presin.
Palabras clave: aumento ebulliscopico, regla de Dhring,
Sacarosa.
ABSTRACT To know the increase ebulliscopico in the solutions
sweetened to different concentrations, it is fundamental for the
design and operation of diverse equipments for his processing. This
one it was determined for solution water - saccharose measured in a
range of concentrations of solid soluble from 20 to 60 Brix and to
pressures of 0.3; 0.6 and 1 bar (abs). The experimental information
was represented using Dhring's rule. The obtained values were
compared with Crapiste's equation and Luxuriant (1988) with what I
determine that he guards a logical trend to the established for the
theory of evaporation that makes clear that the temperature of
boiling of a solution increases as rise the concentrations of solid
disueltos and pressure.
Keywords: increase ebulliscopico, it rules Dhring's,
Saccharose.
Proyecto de Investigacin
Facultad de Ciencias Facultad de Ciencias Facultad de Ciencias
Facultad de Ciencias
AgropecuariasAgropecuariasAgropecuariasAgropecuarias
Universidad Nacional de Trujillo
Ingenieria de Alimentos III 1(2011) 01 - 11
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1. Introduccin
De acuerdo con las propiedades coligativas de las disoluciones
diluidas de un soluto no voltil, la presin de vapor de la disolucin
es menor que la del disolvente puro a la misma temperatura, y, por
tanto, hay un aumento en
el punto de ebullicin respecto al que tendra el agua pura. Por
lo tanto, para una presin de trabajo dada, y una solucin acuosa, no
slo sera preciso saber la temperatura de ebullicin, (saturacin),
del agua a esa presin, sino que habra que calcular la elevacin del
punto de ebullicin de la disolucin (Westphalen y Wolf, 2000). En el
caso de disoluciones concentradas, que no se comportan idealmente,
la prediccin del punto de ebullicin se puede realizar mediante una
ley emprica conocida con el nombre de Regla de Dhring, segn la
cual, el punto de ebullicin de un lquido o de una disolucin es una
funcin lineal del punto de ebullicin de una sustancia de
referencia, normalmente el agua, referidos ambos a la misma presin.
Por consiguiente, si se representa la
temperatura de ebullicin de la disolucin frente a la del agua a
la misma presin, se obtiene una lnea recta. Para distintas
concentraciones se obtienen distintas lneas rectas, no
necesariamente paralelas. El trazado de estas rectas se puede
realizar fcilmente si se dispone de dos temperaturas de ebullicin
de la disolucin a dos presiones distintas. Algunas ecuaciones
pueden ser encontradas en la literatura para la prediccin de
este
parmetro, aunque su validez sea restringida a soluciones
diluidas o soluciones ideales, y no son aceptadas en la mayora de
los procesos de inters industrial. Por ejemplo en evaporacin, se
desea aumentar el contenido de slidos de un determinado licor hasta
valores donde una solucin nunca podra ser considerada diluida. De
esta forma, se hace necesario el uso de datos experimentales de la
elevacin de la temperatura de ebullicin en funcin de la
concentracin de slidos y la presin (Westphalen, 1998).
En este trabajo, se determin el aumento de la temperatura de
ebullicin de soluciones de sacarosa a varias concentraciones y
presiones;
y se compararon estas medidas con datos reportados, en la
literatura, de soluciones de sacarosa.
2. Materiales y mtodos
2.1 Materiales
a) Materia prima: Sacarosa
Agua purificada b) Equipo:
Baln de tres bocas (Pyrex). Soxhlet (Pyrex). Condensador de
bolas.
Termmetro digital DR-902 (-50 750 C).
Termocupla tipo K de bulbo TH-K2M.
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Bomba de vaco Cole Parmer DOA-P504-BN (0.2 1 bar).
Cocina elctrica
Mangueras.
Tapones.
Soporte universal.
c) Otros: Brixmetros ATAGO (0-53%) y (54-
97%). Balanza semi-analtica Scout-Pro
SP6000 (mx. 6 kg., rango 1 g.). Vasos de precipitacin.
Pipetas.
Termmetro.
Cucharas.
Agua destilada.
Calculadoras.
Ordenador porttil.
2.2 Metodologa
2.2.1 Descripcin de procesos
Preparacin de la muestra
Las soluciones de sacarosa fueron preparadas en cinco
concentraciones en el rango de 20 a 60 Brix (Tabla 1). La
concentracin de los slidos solubles fue medida a 25 C con un
brixmetro.
Equipo y procedimiento
Un diagrama esquemtico del equipo, similar al utilizado por
Telis-Romero et al. (2002), usado para las medidas experimentales
se muestra en la figura 1.
Figura 1. Diagrama esquemtico del equipo usado para las medidas
experimentales.
El equipo consiste de un baln, de vidrio, fondo plano con tres
bocas. Las muestras fueron introducidas en el baln por medio de la
boca A y se calentaron con una cocina elctrica. Cuando la solucin
de sacarosa a diferentes concentraciones alcanz la temperatura de
ebullicin, se estableci un flujo de recirculacin en la vlvula del
soxhlet.
La mezcla lquido-vapor liberada de la superficie lquida fluy a
travs de la boca B, donde se determin la temperatura, con una
termocupla.
Entre tanto el vapor liberado asciende por el tubo ms angosto
del equipo soxhlet, hasta
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llegar al condensador de bolas en donde es enfriado por accin
del agua que se recircula, retornando a la parte ms ancha del
soxhlet, en donde a travs de la vlvula V desciende al baln F.
El condensador fue conectado a una bomba del vaco que permiti
variar la presin en el rango de 0.3 a 1 bar (abs.).
En cada experimento, se adicionaron 200 ml de solucin de
sacarosa en el baln de ebullicin. Se hizo recircular agua fria en
el condensador de reflujo, fue encendida la bomba de vaco. Se
registraron los valores finales, de la temperatura de ebullicin de
la solucin y su presin asociada. Adems se realizo una prueba a la
presin atmosfrica para cada una de las concentraciones, obtenindose
las lecturas ms altas registradas.
El procedimiento se realiz hasta la presin atmosfrica,
permitiendo medidas de temperatura de ebullicin, en cada una de las
soluciones de sacarosa con composiciones de 20, 30, 40, 50 y
60Brix.
Para verificar la concentracin de la solucin, fue interrumpido
el calentamiento peridicamente, el baln se llev hasta temperatura
ambiente, y se tomaron muestras determinando las concentraciones de
slidos solubles en Brix.
3. Resultados y discusin
Tabla 1. Temperatura (C) de ebullicin del agua y de las
soluciones de sacarosa a tres
concentraciones y tres presiones.
P (bar) Concentracin Brix
0 (agua pura) 20 30 40 50 60
0.3 68 69 70 71 71 73
0.6 87 88 88 89 89 91
1 100 101 101 102 102 105
En la Tabla 1 se aprecia que la temperatura de ebullicin de las
soluciones de sacarosa son superiores a la temperatura de ebullicin
del agua, este efecto se debe a que cuando un soluto no voltil se
disuelve en el agua, la presencia de las molculas del soluto,
alteran la presin de vapor de la solucin, afectando de esta manera
el punto de ebullicin. (Vanaclocha y Requena, 1999).
Este fenmeno de la ebullicin se explica de la siguiente manera:
cuando comienza la evaporacin, el lquido sobrecalentado asciende
por conveccin natural a la interfase lquido-vapor y se produce una
ebullicin suave. Cuando la diferencia de temperatura del medio de
calentamiento y el lquido tratado es elevada se produce burbujas de
vapor en el seno de la solucin azucarada, los cuales se dividen y
se produce agitacin en el lquido en su ascensin a la superficie.
(Ordoez, 1998).
Durante la ebullicin la temperatura permanece constante (punto
de ebullicin) porque el calor se est empleando para
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superar las fuerzas de atraccin entre las molculas al estado
lquido. Cuando las molculas estn en fase vapor, la temperatura
aumenta de nuevo. (Beltrn y Prez, 1987).
Tabla 2. Elevacin del punto de Ebullicin de la solucin de
sacarosa (C)
P (bar) Concentracin Brix
20 30 40 50 60
0.3 0.5 1 1 1 3
0.6 0.5 1 1 1 3
1 1 1 1 2 3
En la Tabla 2 se aprecia que a medida que se incrementa la
concentracin de solucin de sacarosa, tambin se incrementa la
elevacin del punto de ebullicin. Los valores obtenidos
experimentalmente para la solucin de sacarosa se compararon con los
obtenidos a travs del modelo matemtico desarrollado por Crapiste y
Lozano (1988).
Tabla 3. Comparacin del modelo obtenido (Elevacin del punto de
ebullicin solucin
azucarada) con el modelo desarrollado por Crapiste y Lozano,
(1988), para 0.3 bar.
Modelos P (bar) Brix EPE Error (C) (%) Experimental 0.3 20 0.5 -
G.H. Crapiste 0.3 20 0.2558 95.4957 Experimental 0.3 30 1 -
G.H.Crapiste 0.3 30 0.4527 120.9136 Experimental 0.3 40 1 - G.H.
Crapiste 0.3 40 0.7923 26.2078 Experimental 0.3 50 1 - G.H.
Crapiste 0.3 50 1.3785 27.4588
Experimental 0.3 60 3 - GH. Crapiste 0.3 60 2.3892 25.5656
Tabla 4. Comparacin del modelo obtenido (Elevacin del punto de
ebullicin solucin
azucarada) con el modelo desarrollado por Crapiste y Lozano,
(1988), para 0.6 bar.
Modelos P (bar) Brix EPE Error (C) (%) Experimental 0.6 20 0.5 -
G.H. Crapiste 0.6 20 0.2810 77.9087 Experimental 0.6 30 1 - G.H.
Crapiste 0.6 30 0.4974 101.0400 Experimental 0.6 40 1 - G.H.
Crapiste 0.6 40 0.8707 14.8540 Experimental 0.6 50 1 - G.H.
Crapiste 0.6 50 1.5148 33.9847 Experimental 0.6 60 3 - G.H.
Crapiste 0.6 60 2.6254 14.2696
Tabla 5. Comparacin del modelo obtenido (Elevacin del punto de
ebullicin solucin
azucarada) con el modelo desarrollado por Crapiste y Lozano,
(1988), para 1 bar.
Modelos P (bar) Brix EPE Error (C) (%)
Experimental 1 20 1 - G. H. Crapiste 1 20 0.3013 231.9370
Experimental 1 30 1 - G. H. Crapiste 1 30 0.5332 87.5474
Experimental 1 40 1 - G. H. Crapiste 1 40 0.9333 7.1457
Experimental 1 50 2 - G. H. Crapiste 1 50 1.6238 23.1694
Experimental 1 60 3 -
G. H. Crapiste 1 60 2.8142 6.6005
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En las Tablas 3, 4 y 5 se representan los valores de aumento del
punto de ebullicin obtenidos a partir de la ecuacin de Crapiste y
Lozano (1988) comparado con el obtenido experimentalmente en la
experimentacin;
como se puede apreciar, el valor obtenido experimentalmente
desarrollados en la investigacin reporta un valor cercano para
la
concentracin de 40.0 Brix, a la presin de 1 bar , mientras que
para las concentraciones de 20.0 y 30.0 Brix a las presiones de 1 y
0.3 bar respectivamente , los valores obtenido son relativamente
altos comparados con los valores que reporta la ecuacin de Crapiste
y Lozano (1988); si observamos los errores porcentuales se aprecia
que son valores altos.
Las variaciones observadas en el punto de ebullicin, para las
soluciones de sacarosa, se pudo deber; segn Pereda et al (1998); a
su viscosidad, el cual puede alterar el coeficiente de
transferencia de calor y la velocidad de circulacin del lquido,
puesto que, normalmente, la viscosidad de una solucin aumenta con
su concentracin, a medida que avanza la evaporacin disminuye la
velocidad de transferencia de calor.
Pereda et al (1998), tambin nos dice que la variacin del punto
de ebullicin se puede deber a la formacin de una pelcula de vapor
que se crea en torno a la superficie de calentamiento, que
constituye la mayor
resistencia a la transmisin de calor; as como la formacin de
espuma, que disminuye la transferencia de calor, y dificulta de
esta
manera la separacin del vapor, favorecido por la presencia de
carbohidratos; este segundo efecto s se pudo observar en la
investigacin para las diferentes soluciones de sacarosa.
Nosotros podemos atribuir esta diferencia a las condiciones
propias de evaluacin, tales como por ejemplo que a nuestro parecer
se debi de contar con un termmetro digital que nos pueda registrar
de ser posible dos cifras decimales, y al contenido de
carbohidratos presente en las soluciones de sacarosa, aunque tanto
Crapiste y Lozano (1988) como Requena (1999) nos dicen que las
soluciones de sacarosa son una mezcla de un disacrido (en mayor
proporcin) y algunas trazas de impurezas (ganadas en el proceso de
su obtencin), la cual nos hace atribuir la subida del punto de
ebullicin al componente mayoritario.
Reestructurndose los datos de la Tabla 1 con la Tabla 2, podemos
construir el Diagrama de Dhring que relaciona la temperatura de
ebullicin de la soluciones de sacarosa en funcin de la temperatura
de ebullicin del agua pura y de la concentracin de la solucin de
sacarosa, conforme se muestra en las figuras 2.
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Figura 2. Relacin entre la temperatura de ebullicin del agua y
la temperatura de ebullicin de las soluciones de sacarosa a 20 a
60Brix.
Las representaciones grficas de Dhring, de la figura 2, nos
indican los puntos de ebullicin de los soluciones de sacarosa en
funcin del punto de ebullicin del agua pura a las mismas presiones
utilizadas experimentalmente.
4. Conclusiones
Se logro observar que para un rango de presin entre 0.3 y 1 bar
en las diferentes soluciones de modelo de sacarosa con
concentraciones entre 20 y 60 Brix, la relacin entre la
temperatura de ebullicin de la solucin y la temperatura del agua
pura, es lineal, lo cual se representa a travs del diagrama de
Dhring.
Se pudo observar que la ecuacin de Crapiste y Lozano representa
adecuadamente los datos experimentales de la temperatura de
ebullicin para las diferentes soluciones modelos de sacarosa.
Los resultados obtenidos presentan una tendencia lgica, ya que
al reducir la presin en el evaporador, disminuye el punto de
ebullicin de la temperatura de ebullicin para las diferentes
soluciones modelos de sacarosa.
5. Recomendaciones
Debemos analizar el efecto de la temperatura, presiones y la
concentracin en las propiedades termofsicas de la solucin de
sacarosa, incluyendo la densidad, calor especfico, conductividad
trmica, difusividad trmica, y propiedades reolgicas.
Comparar las medidas obtenidas experimentalmente con datos
reportados, en la literatura, de soluciones de sacarosa que se usan
a menudo como modelos para representar el comportamiento de
alimentos fluidos como extractos de caf y jugos de fruta.
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
60 80 100
TEM
PER
ATU
RA
DE
EBU
LLIC
ION
DE
LA S
OLU
CIO
N (
C)
TEMPERATURA DE EBULLICION DEL
AGUA (C)
DIAGRAMA DE DHRING
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Utilizar soluciones modelos con otros componentes como sacarosa,
glucosa,
fructosa y dextrana, es fundamental para el diseo y operacin de
diversos equipos de inters industrial.
Debemos alejar todo elemento imantado a la termocupla porque el
campo magntico modifica considerablemente las lecturas obtenidas
por dicho aparato, provocando la toma de datos de temperaturas
erradas del punto de ebullicin.
6. Referencias
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Termodinmicas De Las Vinazas, Alimentacin-Equipos y
tecnologa, Ao VI, N 5, Septiembre-Octubre., Pg. 93-97.
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de alimentos, Lugar de celebracin: Universidad Estadual de Campinas
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- Geankoplis, C. (1998). Procesos de transporte y operaciones
unitarias. CECSA,
Mexico D.F.
- Mc Cabe, W.; Smith, J. y Harriott, P. (1999). Operaciones
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Espaa, Madrid.
- Pereda, J. y Cambero, M. y Garca, M. (1998), Tecnologa de los
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Sntesis (Espaa),
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- Vanaclocha, C. y Requena, J. (1999) Procesos de conservacin de
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- Westphalen, D. (1988). Clculo da elevao do ponto de ebulio de
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- Westphalen, D. y Wolf, M. (2000). Uso da equao de Capriste e
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Brasilero de Ingeniera Quimica, Universidad Estatal de Campinas,
Campinas.
