La idea es que con este tema el lector que no conoce sobre esto tenga una visión un poco más acabada de lo que respecta a este proceso.
Las fuentes que han dado lugar a esta publicación son más que nada en base a la experiencia que me ha dado mi trabajo, el cual me ha permitido poder conocer cada proceso en el cual el Tratamiento Térmico (en especial el enfriamiento) es utilizado.
Producción de la Leche de Vaca.
La producción de leche se conoce desde hace más de 6.000 Años.Los animales productores de leche de hoy en día han evolucionado a partir de animales salvajes que vivieron hace miles de años en hábitat de diferentes latitudes y altitudes; por ende expuestos a diferentes condiciones medioambientales, muchas veces severas y extremas.
El hombre comenzó a domesticar a este tipo de animales en diferentes lugares de la tierra, a partir de este hecho comenzó la producción de leche para consumo humano destinado a la supervivencia del grupo familiar.
Se eligieron los animales herviboros para este tipo de producción debido a que eran menos peligrosos a los otros tipos de animales salvajes existentes en la época.
Composición de la leche según el tipo de animal.
Ordeño
Para que se inicie el vaciado de la ubre se debe liberar una hormona se debe liberar una hormona llamada oxitocina dentro de la corriente sanguínea de la vaca. Esta hormona es segregada y guardada en la hipófisis (glándula piutitaria). Cuando la vaca es preparada para el ordeño mediante estímulo apropiados, tiene lugar el envío de una señal a la hipófisis que libera entonces su reserva de oxitocina a la corriente sanguínea.
Originariamente el estímulo en la vaca se producía cuando el ternero comenzaba a mamar, con sus intentos de sacar leche desde la ubre. La oxitocina es liberada cuando la vaca siente que el ternero está succionando. Una vaca lechera en la actualidad no alimenta a sus terneros, pero está condicionada a reaccionar frente a otros estímulos tales como, los sonidos, los olores, y otras sensaciones asociadas con el ordeño.
Ordeño Mecánico
En las granjas de tamaño mediano o grande con rebaños numerosos la práctica habitual de ordeño mecánico de las vacas, con un equipo similar al que se muestra en la figura 1.1. Las máquinas ordeñadoras extraen la leche de la ubre por vacío. El equipo de ordeño consiste en una bomba de vacío, un depósito sometido a vacío que sirve también para recoger leche, las pezoneras conectadas por mangueras al depósito de vacío y un pulsador que alternativamente aplica vacío y presión atmosférica a las pezoneras.
Cada pezonera está compuesta de un tubo de acero inoxidable que contiene un tubo interior de goma, llamado manguito de ordeño. El interior del manguito, en contacto con el pezón, está sometido a un vacío constante de unos -0,5 BAR (50% de vacío) durante el ordeño.
La presión en la cámara de pulsación (entre manguito y la pezonera) es regularmente alternada por el pulsador, entre 0,5 BAR durante la fase de succión y la presión atmosférica durante la fase de masaje. De esta manera se consigue que la leche sea extraída de la cisterna del pezón durante la citada fase de succión.
Durante la fase de masaje el manguito de la pezonera permanece cerrado para detener la extracción de leche, permitiendo que descienda hacia la cisterna del pezón desde la cisterna de la ubre. Después viene otra fase de succión, y así sucesivamente. La figura 1.2 Muestra ambas fases. La relajación de la ubre durante la fase de masaje es necesaria para evitar la acumulación de sangre y fluido en la misma, lo que sería penoso para la vaca y provocaría la detención de la evacuación (o bajada de la leche). El pulsador alterna las fases de succión y masaje 40 a 60 veces por minuto.
Las cuatro pezoneras, que están unidas a un colector, se colocan en las pezoneras de la vaca por succión. durante el ordeño la succión se aplica alternativamente a un par de pezones opuestos diagonalmente y después al otro par. La leche es conducida desde dichos pezones al depósito a vacío o hacia una tubería de transporte de vacío. Una válvula automática de cierre evita que entre suciedad en el sistema si una pezonera se suelta durante el ordeño. Una vez que la vaca ha sido ordeñada, el depósito a vacío se lleva a una sala donde la leche es vaciada en una cantara o en un depósito especial para su enfriamiento.
Para eliminar el pesado y costoso trabajo de llevar los baldes llenos hasta esa sala, se puede instalar un sistema de tuberías para el transporte directo de la leche a la sala por medio de vacío. Estos sistemas son ampliamente utilizados en las granjas medianas y grandes. De esta forma, la leche puede ser transportada por un sistema cerrado directamente desde la vaca hasta el depósito de recogida en la sala, lo que es una gran ventaja desde el punto de vista bactereológico. En cualquier caso, es importante que el sistema de tuberías sea diseñado para evitar que entre aire y para tratar la leche de forma cuidadosa.
Las instalaciones de ordeño mecánico también pueden disponer de un sistema automático de limpieza CIP (Cleaning in Place).
Figura 1.1 Equipo de Ordeño Mecánico
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LA LECHE
A fines del siglo XIX el tratamiento térmico de la leche era algo ya habitual de tal forma que la mayoría de las industrias lácteas realizaban el calentamiento de la leche por una u otra razón, como por ejemplo para fabricar queso y mantequilla.
Antes de la introducción del tratamiento térmico, la leche era una fuente de infecciones, ya que es un medio perfecto para los microorganismos. Algunas enfermedades como la tuberculosis y el tifus eran muchas veces transmitidas por la leche.
El término "PASTEURIZACIÓN" conmemora a Luis Pasteur, quien a mediados del siglo XIX realizó estudios sobre los fundamentos del efecto letal del calor sobre los microorganismos y el uso del tratamiento térmico como técnica de conservación.
La pasteurización de la leche es un tipo especial de tratamiento térmico que se puede definir como "CUALQUIER TRATAMIENTO TÉRMICO DE LA LECHE QUE ASEGURA LA DESTRUCCIÓN DEL BACILO DE LA TUBERCULOSIS SIN AFECTAR DE MANERA IMPORTANTE A LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICA"
Si se considera la historia de la pasteurización hay que decir que aunque los científicos en todas partes estaban de acuerdo en que era necesario un cierto grado de tratamiento térmico, el tratamiento fue deficiente mente controlado en la práctica comercial durante largo tiempo. La leche era normalmente sobre calentada o infracalentada. De esta manera la leche presentaba con cierta frecuencia problemas de sabor a cocido.
A mediados de los años 1930 Kay y Graham anunciaron la detección den ENZIMA FOSFATASA. Esta enzima está siempre presente en la leche cruda y se destruye mediante una combinación TIEMPO/TEMPERATURA que es adecuada para conseguir una pasteurización eficiente. Además, su presencia o ausencia se determina fácilmente (mediante el este de la fosfata de Scharer). La ausencia de la fosfatasa indica que se ha tratado adecuadamente la leche.
Afortunadamente, todos los organismos patógenos comunes en la leche son destruidos mediante un tratamiento térmico no muy intenso que tendrá un efecto muy bajo sobre las propiedades f´´isicas y químicas de la leche. El organismo más resistente es el Bacilo de la Tuberculosis, que se puede destruir mediante calentamiento de la leche a 63°C durante 30 minutos.
El Bacilo de la tuberculosis es considerado como el organismo de referencia en la pasteurización: cualquier tratamiento que destruya el bacilo,s e supone que destruye a todos los demás patógenos de la leche.
Además de los citados microorganismos patógenos, la leche también contiene otras sustancias y otros microorganismos que pueden estropear su sabor o acortar la vida útil de los productos lácteos. Por lo anterior, un fin secundario que se consigue con la pasteurización es la destrucción de tantos organismos como sea posible, así como de los sistemas enzimáticos con objeto de salvaguardar la calidad del producto. Para ello se necesita un tratamiento térmico más intenso que el requerido para destruir las bacterias patógenas.
Este segundo fin que nos proporciona el tratamiento térmico es en la actualidad cada vez más importante, conforme las industrias lácteas son de dimensiones mayores y menos numerosas. Los intervalos mas prolongados entre las entregas, a pesar de las modernas técnicas de enfriamiento, hacen que los microorganismos dispongan de más tiempo para multiplicarse y desarrollar sus sistemas enzimáticos. Además, los componentes de la leche son degradados, baja el PH, etc.
Para superar todos estos problemas, el tratamiento térmico debe aplicarse lo más rápidamente posible después de que la leche ha llegado a la central lechera.
Combinación tiempo/temperatura
La combinación de tiempo y temperatura de mantenimiento es muy importante, ya que determina la intensidad del tratamiento térmico. L siguiente figura muestra las curvas de tratamiento térmico con efectos letales sobre las bacterias Coliformes, bacterias del tifus y sobre todo sobre el bacilo de la tuberculosis.
Según estas curvas, las bacterias coli presentes en la leche mueren cuando son calentadas a 70°C y mantenidas a esta temperatura durante un segundo. A la temperatura de 65°C se necesita un tiempo de mantenimiento de 10 segundos para conseguir el mismo efecto.
Estas dos combinaciones 70°C/1Segundo y 65°C/10Segundos Tienen por lo tanto el mismo efecto letal-
Los bacilos de la tuberculosis son más resistentes al tratamiento térmico que las bacterias coli. Se necesita un tiempo de mantenimiento de 20 segundos a una temperatura de 70°C o unos 2 minutos a 65°C para asegurar su total destrucción.
Puede ocurrir que también sean resistentes al calor los micrococos de la leche. Pero, normalmente son totalmente inocuos.
Factores Limitantes del tratamiento térmico
El tratamiento térmico fuerte de la leche es deseable desde el punto de vista microbilógico. Sin embargo, ello supone aumentar el riesgo de aparición de defectos en el sabor, valor nutritivo y apariencia de la leche. Las proteínas presentes en la leche son desnaturalizadas a altas temperaturas. Esto significa que las propiedades para la elaboración de queso a partir de la leche son dañadas de forma drástica por un tratamiento térmico intensivo. Un calentamiento fuerte produce cambios en el sabor (en primer lugar se origina el sabor a cocido y después el sabor a quemado). La elección de la combinación TIEMPO/TEMPERATURA debe ser optimizada para conseguir un efecto adecuado tanto desde el punto de vista microscópico como desde el punto de vista de la calidad.
Como el tratamiento térmico de la leche es la parte más importante del procesado de la misma, y cada vez se conoce mejor su influencia sobre la calidad de la leche, es interesante analizar las diferentes categorías establecidas de tratamiento térmico (vea la siguiente tabla)
Intercambiadores de calor
Para transferir calor por el método indirecto se utilizan los intercambiadores de calor.
Diferentes tipos de intercambiadores de calor son utilizados, mencionaremos solo algunos en este apartado.
Es posible simplificar la transferencia térmica, representando el intercambiador de calor de forma simbólica como dos canales separados por una pared tubular.
En el caso de calentamiento, el agua caliente fluye a través de un canal y la leche a través del otro . El calor es transferido a través de la pared. El agua caliente entra en el canal a la temperatura Te y se enfría hasta la temperatura de salida Ts. La leche entra en el citado intercambiador a una Temperatura Ta y es calentada por el agua hasta salir a la temperatura Tsa. Los cambios de temperatura durante el paso a través del intercambiador se muestran en la siguiente figura:
El tamaño y la configuración o solución de un intercambiador de calor dependen de muchos factores. Los cálculos pueden ser muy complejos por lo que actualmente normalmente se realizan con la ayuda de un ordenador. Los factores que han de ser considerados son:
- Velocidad de flujo o caudal de producto.
- Propiedades físicas de los líquidos.
- Programa de temperaturas.
- Caídas de presión admisibles.
- Diseño del intercambiador de calor.
- Necesidades de limpieza.
- Tiempos de funcionamiento necesarios.
La velocidad de flujo o caudal, viene determinada por el plan de trabajo o capacidad de trabajo establecido en la industria láctea. Cuanto mayor es el caudal a procesar mayor será el intercambiador de calor que se necesite.
Ejemplo: Si el caudal de trabajo de una planta se incrementa de 10.000 L/h a 20.000 L/h, el intercambiador de calor debe de ampliarse hasta el doble del tamaño original, ya que los caudales se han doblado, manteniéndose constantes el resto de factores que influyen sobre el tamaño.
Propiedades físicas de los líquidos.
El valor de la densidad viene determinado por la naturaleza del producto.
El valor del Calor específico viene también determinado por el producto. El calor específico indica la cantidad de calor que se le ha de suministrar al producto para incrementar su temperatura en 1°C.
Otra propiedad física importante es la viscosidad.
Programa de temperaturas
El objeto de la transferencia de calor es calentar o enfriar una cantidad dada de producto, tal como la leche, desde una temperatura dada de entrada hasta una temperatura establecida de salida. Esto se consigue en un intercambiador de calor con la ayuda de un medio calo portador, como el agua. En el caso del calentamiento, la leche se calienta con agua caliente, cuya temperatura desciende.
Se deben de considerar diferentes aspectos del programa de temperaturas:
- El cambio de temperaturas.
- La temperatura diferencial de los entre los líquidos
- La dirección de flujo de los líquidos que intercambian calor.
Las temperaturas de entrada y salida del producto son determinadas por las etapas del proceso anterior y posterior. El cambio de la temperatura del producto viene indicada como Dt en la fórmula general que se ha visto anteriormente. Este cambio de temperatura se puede expresar Dt = Tf-Ti.
La temperatura de entrada del fluido calo portador viene determinada por las condiciones de proceso. La temperatura de salida del fluido calo portador puede ser calculada mediante un balance de energía.
En un intercambiador de calor moderno las pérdidas de energía hacia el aire de los alrededores pueden ser despreciadas, ya que son muy pequeñas. Por lo anterior, la energía dad por el líquido caliente será igual a la energía absorbida por el ´líquido frío, de acuerdo con el correspondiente balance de energía. Este calor se puede expresar mediante la F´rmula que sigue:
Diferencia de temperatura media logarítmica (DTML)
Ya se ha comentado anteriormente que existe una diferencia entra las temperaturas de los dos líquidos que intercambian calor. La diferencia de temperaturas es la fuerza impulsora. Cuanto mayor es la diferencia de temperaturas, mayor es la velocidad de transferencia de calor y más pequeña es la superficie de intercambio necesaria. En productos sensibles al calor se tienen, sin embargo, límites en esa diferencia de temperaturas.
La diferencia de temperaturas puede variar a través del intercambiador. A efectos de cálculo se utiliza un valor medio para esa diferencia de temperatura (DTML). Se indica como Dt, en la fórmula vista anteriormente. Esta diferencia media de temperaturas se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Un factor importante en la determinación de la diferencia de temperatura media es la dirección de flujo de cada uno de los fluidos que intercambian calor, dentro del intercambiador de calor. Existen dos opciones principales, flujo en contracorriente y flujo en paralelo.
Flujo en contracorriente
La diferencia de temperatura entre los dos líquidos se utiliza mejor si éstos fluyen en direcciones opuestas a través del intercambiador de calor. Vea la siguiente figura
Flujo en paralelo
Con el sistema contrario, llamado flujo paralelo, (vea la figura que sigue) ambos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y fluyen en la misma dirección. En el flujo paralelo es posible calentar el producto a una temperatura superior a la que se obtendría si dicho producto y el medio calefactor se mezclasen. Esta limitación no afecta al flujo en contracorriente, ya que el producto puede ser calentado hasta solo dos o tres grados de diferencia respecto a la temperatura de entrada del medio calefactor.
Este factor es una medida de la eficiencia de la transmisión de calor. Indica la cantidad de calor que pasa por hora a través de 1m2 de superficie de intercambio por cada 1°C de diferencia de temperatura. El mismo factor se utiliza para el cálculo del espesor de aislamiento de edificios, aunque ene se caso el objeto es hacer el valor U lo más pequeño posible, mientras que en un intercambiador de calor se trata de que el valor de U sea lo más elevado posible, este factor depende de:
- Las pérdidas de presión admisibles en ambos fluidos.
- las viscosidades de los líquidos.
- La forma y el espesor de la pared de intercambio.
- El material de la pared de intercambio.
- la presencia de suciedad depositada sobre las superficies de la pared de intercambio.
Con el fin de aumentar el valor de U y mejorar así la transferencia térmica es posible reducir el tamaño de los canales a través de los cuales circula el producto.
Esto hace que se reduzca la distancia a través de los cuales se debe transferir el calor desde la pared hasta el centro del canal.
Sin embargo, al mismo tiempo se ve reducida el área de la sección de paso del fluido. Esto da lugar a dos resultados:
- La velocidad de flujo a través del canal aumentará y a su ves hará que
- Dicho flujo sea más turbulento
Los productos que son sensibles a una agitación mecánica (por ejemplo, la grasa de la leche) sin embargo, pueden ver deteriorada su calidad como consecuencia de un tratamiento violento. las pérdidas de carga a través del intercambio también se verán aumentadas, por lo que la presión de entrada del producto tendrá que incrementarse con objeto de que éste pueda pasar a través de los canales más estrechos. Puede que incluso sea necesario la instalación de una bomba de refuerzo. En algunos países se especifica legalmente la instalación de una bomba de refuerzo, básicamente para asegurar el nivel de presión necesario en el lado del producto y poder prevenir la fuga de producto no pasteurizado hacia el producto pasteurizado, en el cuerpo de recuperación de calor del intercambiador.
Viscosidad
Las viscosidades del producto y del medio calefactor se necesitan para dimensionar el intercambiador de calor. Un líquido con una viscosidad elevada desarrolla menos turbulencia cuando fluye a través del intercambiador de calor que un producto con una viscosidad baja. Esto quiere decir que se necesita un intercambiador de calor más grande, manteniéndose constante el resto de los parámetros. Por ejemplo, trabajando con capacidades y programas de temperatura idénticos se necesita un intercambiador de calor más grande para el tratamiento de nata que para el tratamiento de leche.
Además, se ha de prestar una especial atención a los productos con comportamiento al flujo No-Newtoniano. Para estos productos la viscosidad aparente depende no solo de la temperatura sino también del gradiente de velocidad. Un producto que parece más bien espeso en un tanque puede fluir mucho mejor cuando se bombea a través de tuberías o de un intercambiador de calor. El comportamiento al flujo de tales productos debe medirse con instrumentos especiales para poder realizar los cálculos correctamente.
Forma y espesor de la pared de intercambio
La pared de intercambio es a menudo corrugada para crear un flujo más turbulento, que provoca una mejor transferencia de calor, la figura siguiente muestra tres diseños diferentes:
El espesor es también importante. Cuanto más delgada es la pared, mejor será la tranferencia de calor. pero el espesor se ha de determinar teniendo en cuenta además que el espesor ha de ser suficiente para aguantar las presiones de los líquidos que intercambian calor. Las Técnicas modernas de diseño y producción permiten paredes más delgadas que las que se tenían hace relativamente pocos años.
El siguiente video muestra la construcción y funcionamiento de un intercambiador de calor del tipo Placas.
Vea el análisis de caso que se muestra en el siguiente Link: http://www.dairyenergy.eu/index.php?option=com_content&task=view&id=183&Itemid=171&lang=es
Fuente: Libro de leche (Manual de tratamiento en industrias Lácteas confeccionado por TETRA PACK)
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