Las Operaciones Unitarias: Definiciones, Clasificación y Campo de Aplicación en las Industrias

 Operaciones Unitarias: Conceptos Básicos

Ingeniería Química

En ingeniería química y sus campos relacionados, una operación unitaria es un paso básico en un proceso. Las operaciones unitarias implican un cambio físico o transformación química, como separación, cristalización, evaporación, filtración, polimerización, isomerización y otras reacciones. 

Históricamente, las diferentes industrias químicas fueron consideradas como procesos industriales diferentes y con principios diferentes. 

Arthur Dehon Little

propuso el concepto de "operaciones unitarias" para explicar los procesos de la química industrial en 1916. En 1923, William H. Walker , Warren K. Lewis y William H. McAdams escribieron el libro Los principios de la ingeniería química y explicaron que la variedad de industrias químicas tienen procesos que siguen las mismas leyes físicas.

Ellos resumieron estos procesos similares en operaciones unitarias. En donde cada operación unitaria sigue las mismas leyes físicas y puede usarse en todas las industrias químicas relevantes. Por ejemplo, se requiere la misma ingeniería para diseñar un mezclador para napalm o papilla, incluso si el uso, el mercado, o los fabricantes son muy diferentes. Las operaciones unitarias forman los principios fundamentales de la ingeniería química.

En el libro Operaciones unitarias y reactores químicos (Andrés & Valiente, 2013) explican que la Ingeniería química trata de los procesos industriales en los que las materias primas se transforman o separan en productos útiles. Por tanto, se define que esta es la rama de la ingeniería que se ocupa de la transformación de la materia, mediante la aplicación de operaciones unitarias y transformaciones químicas al desarrollo de procesos industriales convirtiendo materias primas en productos con diferentes aplicaciones con valor agregado.

Operación Unitaria

Cuando se habla de operaciones básicas o unitarias, estas se refieren a aquellas operaciones comunes realizadas, basadas en procesos físicos y químicos, que se llevan a cabo en las distintas industrias. Dichas operaciones se centran en el movimiento de materia o flujo, sin que se produzca ningún tipo de reacción química, en un estado llamado estacionario, es decir, donde las propiedades se mantienen constantes en el tiempo.

 David Machuca Sánchez en su libro Operaciones Unitarias y proceso químico define a las operaciones unitarias como “aquellos conjuntos de procesos, de carácter tanto físico como químico, aplicados a una determinada cantidad de materia”. (Sánchez, 2012, pág. 14)

Algunos ejemplos de operaciones unitarias son:

                            Transferencia de calor

Tipos de transferencia de calor: Convección, Conducción y Radiación 

                            Trasporte de sólidos y fluidos

Sistema de bombeo: Soluciones para transporte de sólidos y fluidos en una industria

                            Evaporación

Tipo de Evaporador industrial

                            Condensación

                            Sublimación

CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS

Flujo de fluidos: Estudia los principios que determinan el flujo y transporte de cualquier fluido de un punto a otro.

Transferencia de calor: Esta operación unitaria concierne a los principios que gobiernan la acumulación y, transferencia de calor y de energía de un lugar a otro.

Evaporación: Este es un caso especial de transferencia de calor, que estudia la evaporación de un disolvente volátil (como el agua), de un soluto no volátil como la sal o cualquier otro tipo de material en solución.

Secado: Separación de líquidos volátiles casi siempre agua de los materiales sólidos.

Destilación: Separación de los componentes dé una mezcla líquida por medio de la ebullición basada en las diferencias de presión de vapor.

Absorción: En este proceso se separa un componente gaseoso de una corriente por tratamiento con un líquido.

Separación de membrana: Este proceso implica separar un soluto de un fluido mediante la difusión de este soluto de un líquido o gas, a través de la barrera de una membrana semipermeable a otro fluido.

Extracción líquido-líquido: En este caso, el soluto de una solución líquida se separa poniéndolo en contacto con otro disolvente líquido que es relativamente inmiscible en la solución. (Conocimientos web, 2013)

 

Adsorción: En este proceso, un componente de una corriente líquida o gaseosa es retirado y adsorbido por un adsorbente sólido.

Lixiviación líquido-sólido: Consiste en el tratamiento de un sólido finamente molido con un líquido que disuelve y extrae un soluto contenido en el sólido.

 

Cristalización: Se refiere a la extracción de un soluto, como la sal, de una solución por precipitación de dicho soluto.

Separaciones físico-mecánicas: Implica la separación de sólidos, líquidos o gases por medios mecánicos, tales como filtración, sedimentación o reducción de tamaño, que por lo general se clasifican como operaciones unitarias individuales.

Muchas de estas operaciones unitarias tienen ciertos principios básicos o fundamentales comunes. Por ejemplo, el mecanismo de difusión o de transferencia de masa se presenta en el secado absorción, destilación y cristalización. La transferencia de calor es común al secado, la destilación la evaporación, etc.

Procesos Fundamentales de Transporte

1.      Transferencia de momento. Se refiere a la que se presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.

2.      Transferencia de calor. En este proceso fundamental se considera la transferencia de calor de un lugar a otro; se presenta en las operaciones unitarias de transferencia de calor, secado, evaporación, destilación y otras.

3.      Transferencia de masa. En este caso se transfiere masa de una fase a otra fase diferente; el mecanismo básico es el mismo ya sea que las fases sean gaseosas, sólidas o líquidas. Este proceso incluye destilación, absorción, extracción líquido-líquido y lixiviación.

 APLICACIÓN A NIVEL INDUSTRIAL

El número de los diferentes productos alimenticios, de las operaciones y los procedimientos relacionados con su producción es, en verdad, más grande. Es más: cada fabricante de un producto determinado introduce en los métodos y el equipo innovaciones que difieren de la tecnología tradicional y establecida para ese producto; así los procesos están en un estado de evolución constantes.  (Virtual Pro - Operaciones Unitarias aplicadas a Industrias alimentarias., 2019)

El procesamiento de los alimentos o algún proceso industrial independiente de productos consumibles es la selección y combinación de las operaciones unitarias para formar procesos unitarios y procesos totales más complejos

Existen operaciones tan variadas como la cosecha manual y mecánica en el campo, el transporte por camión refrigerado de productos perecederos a través de grandes distancias, el transporte de ganado vivo por carros de ferrocarril, y el traslado neumático de la harina desde los carros de ferrocarril hasta las bodegas de almacenamiento de las panaderías.  

A lo largo de las operaciones, es preciso realizar con esmero el mantenimiento de condiciones sanitarias, la reducción al mínimo de pérdidas del producto, el mantenimiento de la calidad de las materias primas y la regulación de todos los traslados y entregas a fin de reducir al mínimo el tiempo perdido en demoras que pueden resultar costosas y perjudiciales a la calidad del producto.

A continuación, observaremos un proceso de realización de la cerveza (CABE DESTACAR QUE NO SE EXPLICARÁ CON DETALLE CADA PASO DEL PROCESO DE LA CERVEZA, sino nos centraremos en reacciones relacionadas a la operación unitaria):

(Tecnologia e industralización de los alimentos, 2016)

Durante todo el proceso podemos percatarnos que existen ciertas reacciones físicas – químicas que nos dan a notar que existen operaciones unitarias en la parte industrial y con esto poder demostrar la ejecución de la operación.

 

Malteado

Durante el malteado los granos de cereal, normalmente de cebada, atraviesan un proceso de germinación controlada con el fin de activar las enzimas presentes en el grano, que luego serán necesarias durante la maceración. Dependiendo del grado de tostado obtenido durante el malteo, conseguiremos maltas más claras u oscuras, que aportarán el color de la cerveza.  (Cervecista - proceso de fabricación de la cerveza, 2020)

Molienda y Maceración

Una vez hemos molido el grano de cereal, es hora de mezclarlo con agua para preparar el mosto cervecero.  El agua es el ingrediente mayoritario representando entre el 85%-90% del contenido de la cerveza final.

Para el proceso de macerado, la malta se mezcla con el agua a diferentes tiempos y temperaturas, produciendo las transformaciones necesarias para convertir el almidón en azúcares fermentables. 

Filtración de mosto

Tras la maceración, se separa el mosto líquido de los restos de malta. Para ello filtramos el mosto a través de una cuba filtro o de un filtro prensa, en ambos casos se separa el líquido del sólido, a este último le llamamos bagazo y normalmente es reaprovechado para alimentación animal.  

Cocción

El mosto se lleva a ebullición con el objetivo de aportar amargor y aroma presentes en el lúpulo. Además, durante esta etapa se esteriliza el mosto, se coagulan proteínas y se evaporan aromas indeseables. Normalmente este proceso dura en torno a una hora o más, dependiendo del estilo de cerveza que se esté elaborando. Posteriormente el mosto final es sometido a una especie de centrifugado.

Fermentación de la cerveza

Finalmente llegó el momento de enfriar y airear el mosto para luego sembrar la levadura. Durante la fermentación se transforman los azúcares fermentables en alcohol y CO2, al tiempo que se generan una gran variedad de compuestos, muchos de los cuales contribuyen a darle los aromas característicos tan populares de la cerveza. Usualmente en el proceso cervecero se utilizan dos grandes familias de levaduras: lager y ale. Este proceso se desarrolla en tanques de fermentación que en ocasiones son conocidos como fermentadores. 

Maduración

El líquido resultante requiere de un período de maduración, donde la cerveza es sometida a bajas temperaturas para que el sabor y los aromas logrados durante el proceso se estabilicen y se consiga el justo balance entre los diferentes matices. 

Envasado

Generalmente al terminar la maduración la cerveza es sometida a un proceso de filtración para separar pequeñas partículas de levadura y compuestos que aún se encuentran en suspensión. Una vez filtrada se obtiene la cerveza brillante, la cual se envasa en diferentes formatos para su consumo y en muchos casos se pasteuriza para luego poner a disposición de los clientes, que sólo tendrán que preocuparse de abrir, servir y disfrutar.

CONCLUSIONES

En conclusión, una operación unitaria es un proceso físico o químico que se puede dar de forma común o de forma más compleja en una industria. Tales como los que ya se mencionaron anteriormente

Según la clasificación de las operaciones unitarias, se tiene como conclusión que estas son una subdivisión de todos los procesos químicos, por lo cual se puede decir que son las acciones necesarias de transporte, adecuación y trasformación que se realizan en estos procesos.

Dentro del trabajo realizado pudimos notar la variedad de operaciones unitarias que pueden existir en un proceso industrial, aunque cabe destacar que no solamente suele llevarse a cabo a nivel industrial sino también en la vida cotidiana.

Video explicativo

https://drive.google.com/file/d/12e4PJtjPjxfEGHdrmxuaCIARwucqXjSs/view?usp=sharing

Informe pdf

https://drive.google.com/file/d/1zoovn3LLTkGjjgtX4QTZmJqGHMpMmD3z/view?usp=sharing

Bibliografía

Andrés, V. M., & Valiente, Á. M. (2013). Operaciones unitarias y reactores químicos. Madrid: UNED - Universidad Nacional de Educacion a distancia.

Blogspot. (Febrero de 2019). Obtenido de https://operacionesunitariasmafer.blogspot.com/2019/02/clasificacion-de-las-operaciones.html

Cervecista - proceso de fabricación de la cerveza. (28 de Septiembre de 2020). Obtenido de https://www.loscervecistas.es/el-proceso-de-fabricacion-de-la-cerveza/

Conocimientos web. (Junio de 2013). Obtenido de https://www.conocimientosweb.net/dcmt/ficha8456.html

Sánchez, D. I. (2012). Operaciones Unitarias y proceso químico. Málaga: IC Editorial. Obtenido de https://elibro.net/es/ereader/uleam/42673

Tecnologia e industralización de los alimentos. (20 de Septiembre de 2016). Obtenido de http://ri.uaemex.mx/bitstream/handle/20.500.11799/63484/secme-8342.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Virtual Pro - Operaciones Unitarias aplicadas a Industrias alimentarias. (17 de Octubre de 2019). Obtenido de https://www.virtualpro.co/revista/algunas-operaciones-unitarias-aplicadas-a-la-industria-de-alimentos/6