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,,,. EDUCACION UCHU114 01 IOl,j C• c1 0N 11 0 1 1. ICA 19
Departamento de
Escuela Superior de Ingenieria Qui mica e Industrias Extractivas
Subdirecci6n Academica Evaluaci6n y Segui miento Academico
T-DEySA-1 05 -1 8
Asunto Aut orizaci6n de lmpresi6n
CDM>: , a 26 de noviembre de 20 19
Pasante PEDRO SANCHEZ AVELAR PRESENTE
Boleta 2008320605
·20rn. t\/lfl rlol Cr.ud(,lr, d1A %1. Errnf,aoo 7apa1a· flll al,o, de, la IJnidad Profo11w,I M!'llfo I.J,por1. II.;;~;,,.
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Programa Academico I .Q. I.
Los suscritos tenemos el agrado de i nformar a usted , que habiendo pr ocedido a r evisa r el borrador de la modalidad de titulaci6n correspondi ente denorninado :
Instrumentaci6n y control de los para.metros criticos en un proceso de producci6n de yogurt"
encontramos que e l citado t r abajo escrito de Tesis Individual, r eune los requisites para autorizar el examen profesional y proceder a su impresi6n segun e l caso , debiendo tomar en conside raci6n l as i ndicaci ones y correcciones que al respecto se l e hicie r on.
At entamente JURADO /
M. en P. • • Presidenta
anes Per ez M. en E. Armando Tonat iuh Ava l os Bravo Secr e ta r i o
M. en E. Sa ndra Vi llanueva Funez
\·SI Dra . Lil ia ~ictor ia Hernande z
Vocal 2 Pascualli
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Ediriclo 7, 1er plso, Unidad Profesional "Adolfo Lopez Mateos·. Col. Zacatenco. Alcaldia Gustavo A. Madero, C.P. 07738, Ciudad de Mexico, Conmutador 01 (55) 57296000 ext. 55103 Y 55104 www.eslqle.ipn.mx; www.ipn.mx
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2019 1:MILIAHO? Al'Al.A
!& EDUCACION I mi: ~ SECR ETARIA DE EDUCACION P~BLICA u Folio T- DEySA-105-1 9
Asunto Cesi6n de derechos
CDMX, 26 de noviembre de 2019
Escuela Superior de Ingenieria Quimica e Industrias Extractivas
Subdirecci6n Academica Departamento de Evaluaci6n y Seguimiento Academico
•2019, Model Caudillo del Sur, Emiliano Zapata· 60 ai\o5 de la Unidad Profesional Adolfo L6pez Mateos
70 Aniversario del CE Cy T No. 3 "Estanislao Ram~ez R~iz• 60 eiios de XEIPN Canal Once, orgullosamenle pohtecn,co
60 Aniver.iario del CECy T No 4 1.ilzaro Cardenas·
CARTA CESION DE DERECHOS
El/La que suscribe : Pedro Sanchez Avelar estudiante del Programa de: Ingenieria Quimica Industrial con numero de Bol eta: 2008320605 , manifiesta que es autor / a intelectual del presente traba j o e s cr i to, por la opci6n : Tesis Individual, bajo la direcci6n del profesor/a M. en E . Armando Tonatiuh Avalos Bravo ceden los derechos del trabaj o : "Instrumentaci6n y control de los pariunetros criticos en un proceso de producci6n de yogurt" a l I ns ti tuto Poli tecnico Naci onal para su difusi6n , con fines academicos y de investigaci6n .
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fl 2019
lMI LIA J«lJ: A l\.\fA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA
E INDUSTRIAS EXTRACTICAS
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE LOS
PARÁMETROS CRÍTICOS EN UN PROCESO DE
PRODUCCIÓN DE YOGURT
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
PRESENTA
PEDRO SÁNCHEZ AVELAR
ASESOR M. en E. ARMANDO TONATIUH
AVALOS BRAVO
CIUDAD DE MÉXICO, DICIEMBRE 2019
Agradecimientos
Al Instituto Politécnico Nacional, por la constante dedicación en la formación de profesionistas.
A la ESIQIE, por haber formado parte de mi vida y haberme ayudado a encontrar los mejores amigos y colegas. Por el conocimiento y las experiencias.
A mi familia, por haberme dado la fortaleza para vencer cualquier adversidad, por estar a mi lado y comprender todas mis locuras.
A mis amigos, por ser parte de mi vida y apoyarme en todos los momentos.
A Nataly, por tu paciencia y dedicación, por estar a mi lado y por ayudarme en esta etapa tan importante.
A mi asesor, por compartir conmigo sus conocimientos, tiempo y experiencia en la elaboración de la presente tesis. Gracias por su interés, comprensión y apoyo.
ÍNDICE Página
RESUMEN i INTRODUCCIÓN ii CAPÍTULO I – Antecedentes del proceso de fabricación del yogurt I.1 Proceso de fabricación del yogurt 1 I.2 Principales defectos en la fabricación industrial del yogurt 5 I.3 Buenas prácticas de fabricación y prevención de la contaminacióncruzada
9
I.3.1 Prevención de la contaminación cruzada 11 I.4 Características de la materia prima 12 I.4.1 Propiedades microbiológicas de la leche 13 I.4.2 Especificaciones fisicoquímicas y microbiológicas del yogurt 15 I.4.3 Cultivos bacterianos 16 I.4.4 Mermeladas 17 CAPÍTULO II – ESTUDIO DEL CASOII.1 Etapas criticas 18 II.1.1. Estandarización 18 II.1.2. Homogeneización 19 II.1.3. Pasteurización 20 II.1.4. Incubación 21 II.2. Fundamentos sobre la automatización y el control 22 II.2.1 Control 22 II.2.2 Automatización 23 II.3 Elementos para un sistema de control 27 II.4 Elementos de un sistema de control para temperatura 29 II.4.1 Controladores de temperatura 29 II.4.2 Medidores de temperatura 33 II.5 Descripción general del suministro de materia prima 35 II.6 Equipos y sensores 36 II.7 Lógica de funcionamiento del sistema 47 II.7.1 Condiciones para el arranque del sistema 47 CAPÍTULO III – PROPUESTA DE DISEÑOIII.1 DTI 52 III.2 Glosario y descripción de líneas de proceso 55 CONCLUSIONES 61 BIBLIOGRAFÍA 63ANEXOSAnexo A - Instrumentos mecánicos de medida de temperatura 64 Anexo B - Simulador de Control de PID serie Platinum 67Anexo C - Ficha Técnica “Tetra Pak® High Shear Mixer” 70 Anexo D – Ficha Técnica “Tetra Pak® Mixing unit/Dynamic statorsuitable for Tetra Pak® High Shear Mixers”
73
Anexo E - Preparación de cultivos iniciadores. Optimización del sustratode crecimiento
76
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
i Pedro Sánchez Avelar
RESUMEN
La fabricación industrial de yogurt es uno de los procesos que menos tiene cambios en la industria alimenticia y a pesar de que existen muchos tipos y marcas de yogurt, todos se fabrican con una serie de pasos o etapas que son la columna vertebral del proceso. Las principales innovaciones en la fabricación de yogurt están enfocadas en las formulaciones y en la adición de ingredientes para mejorar o incrementar la calidad del producto terminado.
La presente investigación plantea una opción de mejora para hacer que las etapas críticas de fabricación del yogurt estén ordenadas, coordinadas y monitoreadas por un sistema de control automático. El sistema de control propuesto parte de la creación de un diagrama de tuberías e instrumentación y son diseñados para identificar las etapas críticas en un formato
Dentro del primer capítulo se vislumbra conocer todos los aspectos de la fabricación de yogurt, considerando desde lo más elemental como las propiedades de las materias primas hasta los pasos generales para la fabricación industrial del yogurt. Un aspecto muy importante para garantizar la calidad del producto final, es conocer los errores más comunes que se cometen en la operación para, poder así entender cuáles son su orígenes y ayudar a combatirlos, Se consideran también las buenas prácticas de fabricación recomendadas para el manejo de productos lácteos, esto como medida de calidad para el producto terminado.
Debido a que el enfoque de esta investigación es mejorar el proceso de fabricación del yogurt en el segundo capítulo se detallan las etapas críticas o la columna vertebral para producir el yogurt. Las etapas críticas son las partes de la fabricación en donde se cometen el mayor número de errores y esto es principalmente por fallas humanas. Este capítulo contrasta también los fundamentos y elementos de deberá contener nuestro sistema de control automático y que son la base de la propuesta del diagrama de proceso.
Para finalmente plantear un modelo de mejora que se traduce en una planta piloto capaz de adaptarse a cualquier necesidad del mercado, enfocada al control de la temperatura en 2 etapas críticas y al control de la temperatura en relación con el ph durante la incubación, se detallan todos los elementos de instrumentación y control requeridos por el proceso para logar automatizar la producción.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
ii Pedro Sánchez Avelar
El control de la temperatura durante el proceso de fabricación industrial del yogurt es de vital importancia ya que al controlar la temperatura es posible garantizar un producto final que cumpla con los estándares de calidad de la empresa, controlar esta variable favorece el proceso de transformación durante la incubación de las bacterias vivas lo que requiere una temperatura adecuada y constante para ayudar a garantizar el óptimo crecimiento de las mismas. Los microorganismos durante su crecimiento liberarán ácido láctico para las condiciones requeridas de pH. Así mismo, una temperatura estable ayuda a reducir el tiempo de incubación y a obtener una transformación eficiente de nuestras materias primas.
A lo largo de la historia de la ingeniería química siempre se ha buscado acercarse lo más posible al ideal en algún proceso o reacción química, y esto implica también los aspectos más pequeños que conforman cualquier operación de transformación. Es de destacar que el método para la fabricación de productos fermentados ha cambiado muy poco desde que lo conocemos y sobre todo desde que se produce de manera industrial y son los avances más recientes en el área de las formulaciones. Es para la demanda de este tipo de alimentos está constantemente incrementando resulta muy importante mejorar los aspectos que puedan complementar a una producción óptima que cumpla los estándares de calidad.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
ii Pedro Sánchez Avelar
INTRODUCCIÓN
Una de las propuestas para lograr mitigar y satisfacer las demandas, con un objetivo claro de calidad y responsabilidad, incluye además la reducción de los errores cometidos durante la operación que puedan resultar en pérdidas. La capacidad actual de una planta puede dejar de ser aceptable para cubrir la demanda de los consumidores, pero es notable que a medida que la empresa se expande también lo hacen los requerimientos de producción.
Uno de los parámetros más importantes a lo largo del proceso de fabricación es la temperatura se debe a que la leche debe pasar por varias etapas de calentamiento y enfriamiento.
Para que el producto final sea aceptable debe primero ser tratado con el mayor cuidado posible ya que el componente principal para elaborar el yogurt, son las bacterias lácteas, que transforman la materia prima, al cuidar la temperatura en la que las bacterias se inoculan, se garantiza una producción adecuada de ácido láctico, otorgando así las mejores condiciones para el óptimo desempeño de los ingredientes.
El control de la temperatura durante el proceso de fabricación resulta ser una medida eficaz y óptima para garantizar los objetivos de la empresa, este planteamiento propone una comprobación puntual de las temperaturas a lo largo de las etapas críticas del proceso, además de una lectura en tiempo real del pH durante la incubación, pueden así obtener una medida, de estas variables para que puedan ser grabadas y rastreables para fines de calidad y sobre todo para garantizar las condiciones necesarias para la producción.
Las mediciones de temperatura se realizan por medio de termopares que comunican esta información a una computadora central y a un controlador, el valor del pH se mide por medio de un sensor que envía esta información a la consola central. Este control puede también accionar alertas, cuando las variables salgan de los rangos establecidos en el sistema, enviando una señal a los operarios mediante la computadora.
Si la temperatura durante las etapas críticas del proceso de fabricación sufre algún cambio el sistema puede también accionar una alerta y emitir una señal para regular la cantidad de vapor otorgando la oportunidad de corregir automáticamente cualquier falla que pueda alterar la calidad de producto. El monitoreo del pH se realiza de manera automática otorgando una señal constante en la computadora, el sistema contempla alertas cuando el nivel del pH alcance un valor establecido.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
iiPedro Sánchez Avelar
La automatización y el control como medida de solución provee una mejor revisión de la temperatura en cada una de las etapas del proceso de fabricación y otorga la posibilidad de actuar de manera automática para regular los parámetros requeridos para la producción. Al automatizar la toma de lecturas de pH durante la incubación se puede monitorear en un tiempo real la producción de ácido láctico, las condiciones ideales para obtener un producto de calidad se alcanzan al llegar a un pH de entre 4.6 y 4.7.
El proceso de automatizar y controlar la temperatura otorga una reducción de los errores cometidos a diferencia de un control manual, lo que implica una centralización de los datos de medición de la temperatura para cada etapa crítica del proceso de fabricación y la medición del pH durante la incubación, por señales transmitidas a un controlador o computadora que analiza la información y emite señales al actuador para regular o corregir los parámetros establecidos.
CAPÍTULO I
ANTECEDENTES DEL PROCESO DE
FABRICACIÓN DEL YOGURT
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
1 Pedro Sánchez Avelar
En este capítulo se conocerán los aspectos fundamentales para la fabricación industrial
de yogurt, se describen las etapas por las que deben pasar los ingredientes y la presente
información nos da un panorama general sobre los requerimientos de las materias primas
y el cuidado que se debe tener en cada una de las etapas.
I.1 Proceso de fabricación del yogurt
Dentro de la industria existen diversos métodos y formas de realizar el yogurt, sin
embargo esto se debe a que la elaboración tiene procesos muy específicos resulta más
sencillo englobar la fabricación en 3 etapas1:
Etapa 1 - Acopio y estandarización
La etapa de acopio inicia una vez que la leche es recibida del establo, el personal se
asegura que la leche cumpla con los parámetros de calidad establecidos, es un requisito
esencial que la leche esté libre de compuestos que puedan poner en riesgo la calidad
del producto.
La estandarización es un proceso mediante el cual la grasa y los sólidos de la leche son
controlados para obtener una materia prima adecuada. La leche se debe precalentar a
una temperatura que permita lograr una homogenización de la grasa para que mediante
el uso de una descremadora se nivele su concentración.
Etapa 2 - Producción
En esta etapa se integran todas las materias primas necesarias para la elaboración del
yogurt. Es fundamental que se sigan las buenas prácticas de manufactura y que las
instalaciones cumplan con los estándares de calidad para garantizar un producto de
calidad.
La leche se vierte en un mezclador que aplica presión para lograr una mezcla homogénea,
para favorecer este proceso y evitar separaciones se debe calentar la leche.
La leche homogeneizada debe pasar por un proceso de pasteurización para eliminar
microorganismos patógenos. Este proceso se debe realizar cuidando la temperatura y el
tiempo con el fin de obtener la mejor calidad de la materia prima, los tiempos pueden
variar dependiendo de la concentración de grasa en la leche.
1 http://inds-alimentarias.blogspot.com/2017/07/proceso-de-produccion-de-yogurt-nivel.html
Alais, Charles. Ciencia de la leche: principios de técnica lechera. España: Reverté, 1985.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
2 Pedro Sánchez Avelar
La leche que sale del proceso de pasteurización debe ser enfriada y preparada para la
inoculación, en este proceso se le adiciona a la leche un fermento lácteo conformado por
cultivos bacterianos. La incubación se realizará durante 4 a 6 horas controlando la
temperatura, este parámetro es de suma importancia ya que el rango de temperatura
óptima de crecimiento de las bacterias es muy específico.
Una vez que el producto alcanza el pH deseado se procede a realizar un batido, este
proceso ayuda a enfriar el yogurt y lo deja listo para agregar saborizantes, mermeladas
de frutas, azúcar, colorantes y conservadores.
Etapa 3 - Acondicionamiento
En esta etapa el producto está listo para ser empacado de acuerdo a las necesidades
del mercado, es importante conservar el producto final en refrigeración hasta el momento
de su comercialización.
Tabla I.1.- Parámetros y condiciones durante la fabricación de yogurt 23
Proceso Parámetros Condiciones
Estandarización de la leche
Porcentaje de grasa: 2% Porcentaje de solidos: 7%
Precalentar la leche a 40 °C
Homogeneización Presión: 100 kg/cm2 Temperatura: 40 °C
Pasteurización Tiempo: 15 - 30 minutos 15 segundos
Temperatura: 85 °C 72 °C
Enfriamiento Temperatura: 40 -45 °C
Incubación
Tiempo: 4 - 6 horas Mezcla: 2-3% de cultivo formado por partes iguales de Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus
Temperatura: 45 °C pH: 4.6 – 4.7 pH 4.0 - 7
Batido - Temperatura: 20 °C
Durante la fabricación se contemplan procesos que requieren de una minuciosa atención,
el primero que debe ser medido con exactitud es la estandarización y ocurre durante la
primera etapa de la producción, para lograr la estandarización de la leche es necesario
incrementar la temperatura hasta 40 °C.
2 Rodriguez, Oscar. 12 de Septiembre de 2016. Proceso de producción de yogurt a nivel industrial
https://es.slideshare.net/wapg16/proceso-de-produccion-yogurt-a-nivel-industrial.
3 Preparación de cultivos iniciadores. Optimización del sustrato de crecimiento. Rivas, Franco P. - Garro, Oscar
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
3 Pedro Sánchez Avelar
Esto permitirá la integración de todos los ingredientes lo cual favorece la calidad del
producto.
La segunda etapa es la homogeneización, la temperatura de la leche deberá aumentar
a 40°C para facilitar que los glóbulos de la grasa se pulvericen con la presión, al reducirse
el tamaño de los glóbulos la grasa se integra mejor y permanece unida durante los
proceso posteriores.
La tercera etapa crítica durante el proceso es la pasteurización, la leche ya homogénea
aumenta su temperatura hasta 85°C, es por esto que resulta muy importante medir y
controlar la temperatura para garantizar la esterilidad de la materia prima.
La cuarta etapa crítica corresponde a la incubación, la leche ahora debe tener una
temperatura de 45°C para proceder a adicionar las bacterias, esta etapa es crucial para
el proceso ya que las bacterias se desarrollan en condiciones muy particulares, el medir
y controlar la temperatura y el pH durante esta etapa favorece una conversión eficiente
de la materia prima lo que se traduce en una calidad óptima del producto final.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
4 Pedro Sánchez Avelar
Diagrama 1 – Proceso de fabricación del yogurt4:
4 Elaboración artesanal de yogur: cuadernillo para unidades de producción: apoyo al trabajo popular. Zielinski, Ana. Mathon, Yamila coord.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
5 Pedro Sánchez Avelar
I.2 Principales defectos en la fabricación industrial del yogurt
Uno de los objetivos principales de la fabricación industrial de yogurt es evitar los errores
que puedan conducir a la obtención de un producto con bajos estándares de calidad,
esto ya que el proceso contempla la incubación de bacterias vivas para la transformación
de la materia prima, al igual que los ingredientes, instrumentos, equipos y el personal
deben cumplir con altos estándares de higiene e inocuidad.
Dentro del proceso de fabricación hay parámetros y condiciones específicas que
favorecen la transformación de la materia prima, de no seguir las buenas prácticas de
manufactura para la elaboración de productos fermentados, como lo es el yogurt
nuestro producto terminado puede presentar deficiencias.
Dentro de las deficiencias más comunes en el proceso de fabricación de yogurt se puedeencontrar los siguientes ejemplos con su respectiva posible causa y solución:
Tabla No. I.2.- Principales defectos del yogurt, posibles causas y soluciones.
Defectos del Yogurt
Defecto Posible causa Solución
Baja Viscosidad
Escaso contenido de proteína en la leche.
Incrementar el porcentaje de proteína en la leche.
Insuficiente tratamiento térmico/homogeneización de la leche.
Ajustar las condiciones del proceso.
Agitación demasiado vigorosa
Ajustar el agitador
Tratamiento mecánico demasiado vigoroso en la línea de proceso.
Usar bombas mono/positivas, bombear lentamente, caída de presión en las tuberías reducida.
Agitación a una temperatura demasiado baja.
Aumentar la temperatura en la agitación a 20°C - 24°C
Destrucción del coágulo durante la acidificación
Ajustar las condiciones del proceso.
Acidificación insuficiente por escaso crecimiento de las bacterias.
Ajustar la T°C de incubación y/o revisar condiciones de leche.
Temperatura de incubación baja.
Ajustar temperatura de incubación a 45 °C
Cultivo Escoger cultivos más viscosos
Otras Añadir un estabilizante.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
6 Pedro Sánchez Avelar
Defecto Posible causa Solución
Aire en el coágulo
Condiciones de almacenamiento deficientes.
Comprobar la temperatura de las cámaras de refrigeración.
Incorporación de aire debido a la mala unión de las tuberías.
Examinar las juntas de las tuberías.
Agitación demasiado vigorosa
Ajustar el agitador
Contaminación por levaduras y/o coliformes
Determinar el origen de la contaminación.
Defecto Posible causa Solución
Sinéresis
Muy bajo contenido de proteínas/extracto seco
Ajustar la composición
Muy bajo contenido de grasa
Incrementar el porcentaje de grasa o acidificar a pH 4.5 – 4.4
Insuficiente tratamiento térmico/ homogeneización de la leche.
Ajustar las condiciones del proceso
Incubación a temperatura demasiado alta
Regular la temperatura entre 42°C y 45°C
Destrucción del coágulo durante la acidificación
Ajustar las condiciones del proceso
Presencia de enzimas contaminantes
Eliminar la fuente de estas enzimas
Oxígeno en la leche Tratamiento al vacío de la leche
El pH es muy alto ( Menor de 4,6) en el momento de agitar / bombear
Asegurar una acidificación suficiente
Desequilibrio del balance salino de la leche
Adicionar C12 Ca.
Defecto Posible causa Solución
Dulzor Alto nivel de edulcorantes
Reducir los edulcorantes
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
7 Pedro Sánchez Avelar
Defecto Posible causa Solución
Textura Filante
Desequilibrio entre las cepas
Ajustar equilibrio
Cultivo filante
Reducir el contenido de proteína. Incrementar el "stress" mecánico ( bombeos, agitación). Incrementar la temperatura de incubación ( 45°C). Escoger un cultivo menos filante.
Defecto Posible causa Solución
Aroma
Presencia de Streptococcus con actividad alcohol deshidrogenasa que transforma acetaldehido en etanol.
Cambiar de cultivo
Aroma insuficiente debido a un desequilibrio a favor de los Streptococcus
Ajustar el equilibrio
Defecto Posible causa Solución
Sabores extraños
A malta o levadura Posible contaminación por levaduras
Graso Contenido en materia grasa demasiado elevado
Agrio Contaminación del cultivo por flora salvaje o coliformes
Oxidado
mala protección contra la luz si se emplean vasos de vidrio. Presencia de metales en la leche (hierro, cobre...)
Rancio Comprobar la calidad de la leche utilizada
Defecto Posible causa Solución
Capa de nata Mala o ausencia de homogeneización
Ajustar o realizar homogeneización
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
8 Pedro Sánchez Avelar
Defecto Posible causa Solución
Producto sobre la tapa Manejo inadecuado Cuidado con el manejo
Defecto Posible causa Solución
Producto no homogéneo
Mala agitación ( en yogurt con frutas)
Agitación adecuada
Como se observa hay una gran cantidad de defectos asociados con el mal manejo de la
temperatura durante las etapas críticas, la optimización en la toma de lecturas y el
control dinámico durante la incubación son importantes para garantizar la calidad del
producto final5.
5 Material del Técnico en Lechería Gustavo Miranda - Uruguay
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
9 Pedro Sánchez Avelar
I.3 Buenas prácticas de manufactura para la elaboración de yogurt
Con la finalidad de brindar el mejor producto posible a los consumidores, el proceso de
fabricación de yogurt debe realizarse siguiendo las buenas prácticas de manufactura,
esto sumado a la calidad de las materias primas da como resultado un producto que
cumple con los estándares de los mercados actuales.
En la elaboración de productos lácteos fermentados se recomienda tener en cuenta las
siguientes consideraciones6:
No se permitirá la presencia de personas que no porten el uniforme completo
sean visitantes o trabajadores.
Las zonas de producción o proceso deberán estar limpias y desinfectadas
antes de comenzar el proceso, los servicios tales como agua y luz deben estar
funcionando y un checklist será la herramienta que controlará todos estos
puntos.
Las zonas de producción o elaboración de productos estarán libres de
materiales ajenos al proceso. No se permite el tránsito de materiales o
personas ajenas a las actividades que allí se realizan.
Durante la fabricación o mezclado de productos, no se permitirán actividades
de limpieza que generen polvo ni salpicaduras que puedan contaminar los
productos, de igual manera al terminar labores no es permitido dejar expuestas
en las salas de proceso y materias primas que puedan contaminarse.
Todas las materias primas en proceso que se encuentren en tambores, frascos,
barriles, cubetas, etc, deben estar tapadas y las bolsas deben tener cierre
sanitario, para evitar posible contaminación. Se recomienda no usar
recipientes de vidrio por el peligro de ruptura.
Todos los insumos en cualquier etapa del proceso deben estar identificados
en cuanto a su contenido.
Si durante el proceso es necesario reparar o lubricar un equipo, se deben
tomar las precauciones necesarias para no contaminar los productos y los
lubricantes usados deben ser inocuos. Llámese paradas de jornada o el tiempo
que requiera la reparación.
Se tomará especial precaución para evitar que vengan adheridos materiales
extraños (polvo, agua, grasas) en los empaques de los insumos que son
introducidos a las salas de proceso, los cuales pueden contaminar los
productos.
6 Manual de buenas prácticas de manufactura para elaboración de yogurt Karla Romina Lazarte Rojas 2015
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
10 Pedro Sánchez Avelar
Se recomienda no utilizar termómetros de vidrio a menos que tengan
protección metálica.
Los envases deben retirarse cada vez que se vacían y no está permitido
usarlos para actividades diferentes.
Todas las operaciones del proceso de producción, se realizarán a la mayor
brevedad reduciendo al máximo los tiempos de espera, y en unas condiciones
sanitarias que eliminen toda posibilidad de contaminación.
Deben seguirse rigurosamente los procedimientos de producción dados en los
estándares o manuales de operación, tales como orden de adición de
componentes, tiempos de mezclado, atemperamiento, agitación y otros
parámetros de proceso.
Todos los procesos de producción deben ser supervisados por personal
capacitado.
Los métodos de control y conservación, estarán enfocados a proteger contra
la contaminación o la aparición de riesgos para la salud de los consumidores.
Se recomienda que todos los equipos, estructuras y accesorios sean de fácil
limpieza, que eviten la acumulación de polvo y suciedad, la condensación, la
formación de mohos e incrustaciones y la contaminación por lubricantes y
piezas o fragmentos que se puedan desprender.
Para los procesos que demanden monitoreo o mediciones específicas, las
líneas, equipos y operarios estarán dotados con los instrumentos necesarios
para hacerlas: reloj, termómetro, higrómetro, salómetro, potenciómetro,
balanza, etc. No se permiten mediciones sensoriales o al tanteo.
Todas las acciones correctivas y de monitoreo deben ser registradas en los
formatos correspondientes.
Es necesario considerar los ejemplos arriba mencionados para que todo el personal que
participa durante el proceso de fabricación esté capacitado y cuente con los materiales
y condiciones óptimas para el mejor desempeño de sus labores.
Al seguir estas sugerencias es posible reducir al mínimo los defectos causados por la
contaminación cruzada, al mismo tiempo que permite el registro de acciones correctivas
y preventivas para poder ajustar los defectos encontrados respectivamente.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
11 Pedro Sánchez Avelar
I.3.1 Prevención de la contaminación cruzada
Las área potenciales de contaminación cruzada deben permanecer alejadas de la planta
de fabricación por ellos se deberá implementar un plan de zonificación a la par una
evaluación de riesgo para determinar fuentes potenciales de contaminación y la
susceptibilidad del producto. Las medidas apropiadas de control para estas áreas son:
- La separación de productos terminados y materias primas.
- Barreras físicas, muros, edificios separados.
- Espacios para el cambio de ropa de los trabajadores.
- Se deben declarar los alérgenos presentes en el producto, ya sea por diseño
o por potencial contacto cruzado de manufacturación.
- La declaración deberá estar en la etiqueta para los consumidores del producto,
y en la etiqueta o la documentación que acompaña al producto destinado a
procesos adicionales.
- Los productos deberán estar protegidos de los aléjenos evitando la
contaminación cruzada, limpiando y cambio de líneas y/o la secuencia de
producto.
Con la finalidad de eliminar la totalidad de las bacterias patógenas es recomendable
seguir las siguientes medidas que pueden ayudar a obtener una leche de calidad y que
es adecuada para el proceso:
- Mínimo 72°C por 30 minutos
- Aplicar Temperaturas más elevadas (80-90°C x 20 a 15 minutos)
- Enfriar tan rápido como sea posible.
- Inmersión en agua fría en circulación (indirecto)
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
12 Pedro Sánchez Avelar
I.4 Características de la materia prima
La fabricación de yogurt es una de las industrias con mayor crecimiento, esto se debea la gran demanda los fabricantes han realizado un gran número de
combinaciones y fórmulas para satisfacer las necesidades y diversificar el producto
final logrando de esta manera destacar en la calidad del yogurt, sin embargo, el proceso
de fabricación recae casi siempre en una serie de ingredientes básicos o pilares para
lograr la base de yogurt y posteriormente combinarla con los ingredientes que darán el
paso final en la fabricación.
El primer ingrediente básico es la leche de vaca, la leche es un producto complejo que
contiene más de 100 sustancias, en su mayoría son proteínas, grasas, carbohidratos,
sales, enzimas, pigmentos y agua, todo esto está en solución, suspensión o en
emulsión. La leche posee un gran número de componentes y para ayudar a resumir su
contenido a continuación se presentan las sustancias más comunes:
Tabla I.4.1 – Principales componentes de la leche Componente
Porcentaje contenido en la leche de vaca
Proteínas1 3.3 %
Grasa 3.8 %
Lactosa 4.7 %
Sales minerales2 0.7 %
Agua 87 % 1Proteínas contenidas en la leche: caseína,
albúmina y globulina 2Las sales minerales contenidas en la leche son:
Ca, Na, K, Mg, Cl
La leche de vaca tiene las siguientes características:
- La actividad enzimática 7 depende de dos factores: la temperatura y el pH,
comúnmente el rango de pH va de 6.6 - 6.8, y está presente en todo el sistema de
diversas formas.
- La fosfatasa es un inhibidor a temperaturas de pasteurización e indica que se
realizó bien la pasteurización.
- La reductasa es producida por microorganismos ajenos a la leche y su presencia
indica que está contaminada.
- La xantoxidasa en combinación con nitrato de potasio (KNO3) inhibe el
crecimiento de bacterias butíricas.
7 Bushill, J. H. y Wright, W. B. 1964. «Some physical methods of assessing the effects of processing on the structure and properties of milk.» J. Soc. Dayry Technol., 17:3
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
13 Pedro Sánchez Avelar
- La lipasa oxida las grasas y da olor rancio a los productos y se inhibe con
pasteurización.
- La catalasa se incrementa con la mastitis y, si bien no deteriora el alimento, se
usa como indicador microbiológico.
Tabla I.4.2.- Composición química de la leche
I.4.1 Propiedades microbiológicas de la leche
La leche recién obtenida es un sustrato ideal para un gran número de géneros
bacterianos, algunos beneficiosos y otros perjudiciales, que provocan alteraciones
diversas del alimento y sus propiedades8:
Tabla I.4.3.- Propiedades microbiológicas de la lecha
Tipo de bacterias
Efectos sobre el alimento Condiciones necesarias para su
activación o desarrollo
Lácticas Son las bacterias que convierten mediante la fermentación la lactosa en ácido láctico. Pueden generar una alteración en la consistencia, como Lactobacillus bulgaricus, que puede hacer espesar la leche, paso principal para elaborar yogurt. Genera que el porcentaje de acidez suba y el pH baje a 4,5.
Se requiere de temperaturas ya sea ambientales o superiores. A temperaturas ambientales se genera un cultivo láctico y puede tardar hasta dos días, aplicando calentamiento el proceso se hace menos lento.
8 Varnam, A. H. y Sutherland, J. P. 1994. «Milk and Milk Products Technology.» Chemistry and Microbiology.
Composición media de la leche en gramos por litro
Agua
Extracto seco
Materia
grasa
Materias nitrogenadas Lactos
a Materias minerales
Totales
Caseína
Albúmina
Leche de vaca
900 130 35-40 30-35 27-30 3-4 45-50 8-10
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
14 Pedro Sánchez Avelar
Tipo de bacterias
Efectos sobre el alimento Condiciones necesarias para su
activación o desarrollo
Propiónicas Generan liberación de dióxido de carbono (CO2). Actúan sobre las trazas de ácido propiónico de la leche para generar ácido acético. Pueden generar un exceso burbujeante sobre la leche y dar un olor excesivamente ácido.
Requieren de temperaturas de 24 °C para comenzar a actuar.
Butíricas Generan coágulos grasos en la leche no acidificada. La alteración de la grasa puede generar un espesor muy poco deseado.
Requieren de poca acidez y de un pH superior a 6,8.
Patógenas Alteran todas las propiedades. La acidez disminuye, el pH comienza a hacerse básico, existe una separación irregular de las grasas y la caseína (se “corta”) y el olor se hace pútrido. Su presencia, como la de coliformes, puede indicar contaminación fecal. Producen liberación de CO2 y dióxido de nitrógeno(NO2). Generan burbujas grandes y pareciera efervescer.
Requieren de temperaturas de 37 °C y de acidez baja. Usualmente, la leche fuera de refrigeración experimenta estos cambios.
Psicrófilas Este tipo de bacterias aparecen después del esterilizado de la leche y resisten las bajas temperaturas pudiendo incluso manifestar crecimiento bacteriano entre 0 ° y 10 °Celsius. Aunque en el esterilizado se eliminan la mayor cantidad de este tipo de gérmenes, estos dejan una huella enzimática (proteasa) que resiste las altas temperaturas provocando en las leches un amargor característico cumplido el 50 % del tiempo de su caducidad. En la industria láctea, este tipo de bacterias (Familia pseudomonas) son responsables de conferir un sabor amargo a cremas y leches blancas.
Requieren un grado de acidez y valor de pH menor a 6.6. No son inhibidas por congelamiento y generan una persistente actividad enzimática.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
15 Pedro Sánchez Avelar
I.4.2 Especificaciones fisicoquímicas y microbiológicas del yogurt
El yogurt como producto terminado debe pasar por una serie de pruebas para garantizar
que cumple con lo establecido en la normativa nacional vigente y para que pueda ser
liberado para su venta al público.
La tabla siguiente muestra las especificaciones fisicoquímicas que el yogurt deberá
cumplir:
Tabla I.4.4.- Especificaciones fisicoquímicas del yogurt9
Especificación Contenido Método de Prueba
Proteína Láctea.
(% m/m)
Mínimo 2,9% 1,2
Determinación de Proteína por Micro-Kjedahl conforme a la NOM-155-SCFI-2003, numeral 8.5.
Grasa Butírica.
(% m/m)
Máximo 15,0%
Método de Caracterización de ácidos grasos conforme a la NMX-F-490-1999-NORMEX, Método para grasa butíricaconforme a la NOM-086-SSA1-1994 Apéndice normativo Cinciso 1,2 Hidrólisis alcalina
Acidez titulable expresada como porcentaje de Ácido Láctico (% m/m)
Mínimo 0,5% Método de prueba de bacterias que fermentan los productos,del numeral 8 de la NMX-703-COFOCALEC-2004 o NOM-185-SSA1-2002Apéndice normativo A inciso 1
Sólidos Lácteos no grasos
Mínimo 8,25%
Determinación de Sólidos no grasos conforme a la NOM-155-SCFI-2003, numeral 8.4
1 La relación de la caseína proteína láctea presente en el producto final debe ser al menos de 70% (m/m). 2 La proporción de proteína láctea respecto a los sólidos lácteos no grasos totales contenidos en el yogurt, no debe disminuir respecto de la proporción de proteína láctea presente originalmente en la leche
Para que el yogurt sea determinado como conforme y apto para su venta deberá tener
un contenido microbiológico mínimo de 107 UFC/g de la suma de Streptococcus
thermophilus y Lactobacillus delbrueckii subespecie bulgaricus viables, conforme al
método de prueba de bacterias que fermentan los productos, del numeral 8 de la NMX-
703-COFOCALEC-2004.
En caso de contener cultivos alternativos adicionales, éstos deberán estar en valores de
106 UFC/g viables de cultivos lácticos, como mínimo. Los microorganismos deben
permanecer viables, activos y abundantes hasta la fecha de caducidad del producto.
Las especificaciones de la Tabla 1 deben cumplirse aunque el producto sea modificado
en su composición, conforme a los parámetros permitidos por la NOM-086-SSA1-1994.
9 NORMA Oficial Mexicana NOM-181-SCFI-2010, Yogurt-Denominación, especificaciones fisicoquímicas y microbiológicas, información comercial y métodos de prueba
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
16 Pedro Sánchez Avelar
I.4.3 Cultivos bacterianos
Las bacterias son el segundo ingrediente fundamental para la fabricación de yogurt ya
que son responsables de iniciar la producción de ácido láctico. En la industria existen
muchos tipos de bacterias que debido a sus características favorecen la producción del
tipo de yogurt deseado.
Las bacterias más usadas en la fabricación de yogurt son Streptococcus thermophilus y
Lactobacillus bulgaricus, estas bacterias son particularmente afines. En presencia de un
medio adecuado como lo es la leche10 y considerando las temperaturas óptimas11 de
crecimiento, de 37° - 42°C y de 42° - 45°C para S. thermophilus y L. bulgaricus
respectivamente, las bacterias S. thermophilus y L. bulgaricus se desarrollan en una
verdadera simbiosis.
En esta simbiosis es el S. thermophilus el que inicia la fermentación láctica y que se
desarrolla muy intensamente hasta un pH de 5,5. La acidez, el consumo de oxígeno y la
liberación de sustancias volátiles, por ejemplo ácido fórmico, que produce crea las
condiciones ideales para que se desarrolle L. bulgaricus.
Normalmente se utilizan en una relación cuantitativa de 1:1 a 1:3, aproximadamente. La
actividad proteolítica de los lactobacilos estimula, a su vez el crecimiento y la actividad
acidificante de los estreptococos.
Los lactobacilos desarrollan aparte una actividad lipolítica, por lo que se liberan ácidos
grasos y producen además acetaldehído, constituyéndose así en los principales
productores de aroma del yogurt. Observados bajo el microscopio se ve que S.
thermophilus crece formando pares o cadenas mediante células esféricas o elipsoides.
L. bulgaricus presenta forma de bastoncillo relativamente largo con tendencia a formar
cintas12.
Tomando en cuenta las propiedades simbióticas de las bacterias la temperatura a la que
se debe realizar la incubación en la leche oscilará en un rango de 40°- 45°C, esto con la
finalidad de proporcionar un ambiente adecuado para el crecimiento de ambas cepas.
Es por eso que el control de la temperatura es crucial para la calidad del producto final.
10 Bourgeois, 1995; Ramos, 2002; Beltran; García López; Valbuena, 2005 11 Preparación de cultivos iniciadores. Optimización del sustrato de crecimiento. Rivas, Franco P. - Garro, Oscar - Facultad de Agroindustrias, UNNE. - Comandante Fernández 755, Sáenz Peña 3700, Chaco, Argentina. 12 Cayré, 2000; Briceño, 2001; Holt, 2000
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
17 Pedro Sánchez Avelar
I.4.4 Mermeladas
La elaboración de las mermeladas es un proceso relativamente sencillo que se realiza
de manera simultánea a la fabricación de yogurt. Las mermeladas pueden incluir diversas
frutas y azúcar que mezclados a la temperatura correcta permiten obtener un producto
de calidad. Este proceso se realiza con especial atención a la posible
contaminación ya que el yogurt se encuentra en un sistema casi libre de contaminación
donde las bacterias que producen el yogurt son los únicos microorganismos presentes,
es vital mantener la inocuidad del proceso para obtener el mejor producto posible.
CAPÍTULO II
ESTUDIO DEL CASO
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
18 Pedro Sánchez Avelar
En este capítulo se detallan todos los aspectos técnicos requeridos para entender los
fundamentos de la automatización y control, junto con las bases de las etapas o procesos
que requieren ser automatizados.
Podremos conocer también los elementos que conforman a los sistemas de control de
temperatura y los principales equipos y sensores que conformaran el sistema de control.
Tomando en cuenta las bases descritas se propone una lógica de funcionamiento del
sistema que contempla la propuesta de diseño y que sirve como fundamento para la
creación del DTI.
II.1 Etapas críticas
La fabricación industrial de yogurt considera 3 etapas que engloban una serie de actividades necesarias para la producción de yogurt, es posible que un proceso industrial contemple actividades de acondicionamiento adicionales o procesos que den un terminado especifico al producto final, sin embargo para todos los distintos tipos de yogurt existen etapas que resultan de vital importancia, se debe a que la calidad final depende directamente de esta operación.
A continuación se describen las etapas críticas de la fabricación industrial del yogurt.
II.1.1. Estandarización
En la producción de yogurt se contemplan 4 actividades que son de suma importancia,
durante estas operaciones las condiciones de temperatura deben cuidarse ya que de
estos procesos depende la calidad del producto final.
La primera etapa con condiciones críticas es la estandarización de la leche. La
estandarización es un proceso mediante el cual las grasas de la leche, las proteínas y
la materia sólida se integran nuevamente al producto, esta actividad nos permite
también controlar la cantidad correcta de grasa que contendrá el yogurt. Este
proceso es requerido ya que la leche naturalmente tiende a separarse, para garantizar
la calidad del producto es requerida una materia prima homogénea.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
19 Pedro Sánchez Avelar
La estandarización de la leche se realiza con equipos que separan en líneas la grasa y
la leche para posteriormente volverlos a mezclar, durante esta etapa la temperatura debe
permanecer en 35 °C para facilitar la mezcla de los componentes. Es por eso que la
automatización de la temperatura durante esta etapa puede ayudar a obtener un
producto de calidad y garantiza que la leche se encuentre en el mejor estado posible
para continuar con la fabricación.
Figura No. II.1.- Equipo de estandarización para productos lácteos
II.1.2. Homogeneización
Previamente a la homogeneización la leche estandarizada puede presentar una
separación de los elementos que la conforman, es muy importante que la leche
permanezca homogénea durante las siguientes etapas críticas. La leche se hace pasar
a una cierta presión a través de boquillas que pulverizan los glóbulos de la grasa lo cual
reduce el tamaño de los componentes disueltos y ayuda a que permanezcan unidos.
Figura No. II.2.- Homogeneizador de carga media
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
20 Pedro Sánchez Avelar
II.1.3. Pasteurización
La pasteurización es un proceso termoquímico que se realiza a la leche con la finalidad
de reducir o minimizar la cantidad de patógenos, también puede producir un cambio en
el estado de las enzimas encargadas del sabor de ciertos alimentos.
La temperatura durante esta etapa es muy importante ya que se debe establecer un
parámetro que garantice que la leche estará libre de microorganismos, se debe evitar
por completo que la leche alcance su punto de ebullición (100 °C) ya que esto produce
que la caseína se coagule, esto produce que la leche se separe o se corte.
En esta etapa la automatización nos permite fijar un parámetro óptimo que el sistema
leerá y comparará en tiempo real, para poder cortar de manera automática la
alimentación de vapor y poder prevenir así que la leche pierda sus propiedades
elementales garantizando una materia prima libre de microorganismos.
La temperatura y tiempo aplicados en la pasteurización garantizan la destrucción de los
agentes patógenos tales como Mycobacterium, tuberculosis, Brucellos, Solmonellas, etc.,
pero no destruye los microorganismos mastiticos tales como el Staphilococus aereus o
el Streptococuspyogenes, como así tampoco destruye algunos micro organismos
responsables de la acidez como los Lacotobacillus.
Existen 3 tipos de pasteurización que pueden ser aplicados a la industria alimenticia;
- Pasteurización lenta
- Pasteurización a alta temperatura por corto tiempo
- Ultra pasteurización.
Existen diversos tipos de pasteurizadores que por sus características pueden ayudar
reducir el tiempo en la línea de producción, esto depende básicamente de los
requerimientos del proceso ya sea en lotes o flujo continuo.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
21 Pedro Sánchez Avelar
El tipo de pasteurización que mejor se acopla al proceso de fabricación es la realizada a
alta temperatura por un corto tiempo. La pasteurización asegura la calidad de la leche y
al realizarse por un periodo tan corto permite eficientar la producción.
Figura No. II.3.- Pasteurizador de leche.
II.1.4. Incubación
La incubación es la etapa principal del proceso de fabricación del yogurt, la materia prima es almacenada en contenedores que mantendrán una temperatura de 45 °C y que permitirán agregar los cultivos bacterianos, las bacterias producirán ácido láctico hasta que se alcance un nivel de pH entre 4.6 – 4.7. Posteriormente a la incorporación de todos los ingredientes se debe dejar reposar la leche, en un tiempo aproximado de 4 a 6 horas se lleva acabo la fermentación y la formación del coagulo.
La fabricación del yogurt está fundamentalmente basada en estas 4 etapas críticas, por esto resulta de vital importancia medir y controlar en tiempo real la temperatura, mediante la aplicación adecuada de las medidas de control se puede garantizar la calidad del producto final.
Las 4 etapas son controladas de manera automática con resultados medibles y trazables, el sistema de control automático podrá almacenar la información recabada de la instrumentación en las 4 etapas por cada lote de producción para poder construir una base de datos de una correcta operación o en su caso los errores cometidos por los operadores.
Al enfocarse en el control de estas 4 tapas criticas es posible adaptar un sistema
de control automático que se ajuste a las necesidades de cualquier tipo de yogurt,
capaz de ser escalable y funcionar de manera estable y organizada con la ayuda de un
operador.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
22 Pedro Sánchez Avelar
II.2 Fundamentos sobre la automatización y el control
La automatización y control del proceso de fabricación debe ser adecuada para poder
adaptarla al modelo propuesto, a continuación se describen los fundamentos que se
deberán considerar para realizar la correcta instrumentación del proceso.
II.2.1 Control.
La ingeniería de control forma parte de la ingeniería automática. Su función es controlar los sistemas dinámicos por medio del principio de la realimentación, de esta forma se logra que las salidas de los mismos se acerquen lo más posible a un comportamiento determinado. Un computador realiza tareas y maneja datos en memoria teniendo a una secuencia de pasos lógicos para lo que es programado.
Programar computadoras es indispensable en cualquier área de la ingeniería, ya que
diferentes problemas que se puedan presentar, tardan tiempo en resolverse de manera
manual. Un sistema computarizado resuelve problemas de acuerdo a la
programación de manera rápida.
Automatización industrial:
Es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o
procesos industriales substituyendo a operadores humanos y maximiza la eficiencia
del proceso, corregir los problemas de forma eficiente.
El alcance va más allá de la simple mecanización de los procesos, ya que ésta provee
a operadores humanos, mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo,
la automatización reduce ampliamente los errores humanos.
La automatización como una disciplina de la ingeniería, abarca la instrumentación
industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y
supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones
de software en tiempo real, para supervisar y controlar las operaciones de
plantas o procesos industriales.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
23 Pedro Sánchez Avelar
II.2.2 Automatización
La automatización1, está diseñada con el fin de usar la capacidad de las máquinas para
llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos y para
controlar la secuencia de las operaciones sin intervención del elemento humano lo que
crea un sistema automático.
Estos sistemas se aprovechan para utilizarlos no solo en la fabricación de elementos
productivos, sino también para controlar y programar equipos en diversos tipos de
industrias e incluso servicios. Estas están conformadas en forma independiente de
acuerdo a lo que se quiere automatizar o controlar.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
- Parte operativa
- Parte de mando
La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los
elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los
elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como
motores, cilindros, compresores, etc.
La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque
hasta hace poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos
lógicos neumáticos (tecnología cableada).
En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable está en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
Para entender el concepto de automatización, se puede representar esquemáticamente como:
CONTROL AUTOMÁTICO + PROGRAMACIÓN = AUTOMATIZACIÓN
El desarrollo de este esquema, se dice que gran parte de la automatización
depende de un programa para determinar el orden de los eventos así como para
instruir al sistema sobre cómo debe realizarse cada uno de los casos de la operación.
1 International Journal of Automation and Control. Prof. Ling Wang
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
24 Pedro Sánchez Avelar
¿A qué se debe el incremento en la demanda de sistemas automatizados?
- Aumento de productividad y creatividad en los empleados
- Incremento en los tiempos muertos
- Posibilidad de cobrar cuotas más altas por la calidad del producto
- Menor costo en operación de la maquinaria
La implementación de la automatización tiene como objetivo primordial el control total de
un sistema que permite el establecimiento de una comunicación transparente entre el
área, el proceso, la planta y la empresa.
Las tecnologías de redes y servicios web garantizan el intercambio y distribución
eficiente de la información entre sensores, instrumentos, dispositivos, controladores,
estaciones de trabajo del operario y otros sistemas de terceros. Proporciona acceso en
tiempo real a la información operativa y de producción, que permite a las organizaciones
mejorar su competitividad en los mercados globales, incrementar la eficacia operativa y
reducir el consumo de energía, Ofrecemos herramientas de ingeniería para un sistema
flexible, con el fin de apoyar sus esfuerzos para ser más eficientes.
Estas herramientas se centran en ayudar a acelerar la configuración de su sistema de
control, al reducir significativamente el tiempo de ingeniería y minimizar el riesgo del
proyecto.
La centralización de datos en los procesos automatizados, ya sea en procesos
comerciales o industriales, posibilita supervisar y controlar confortablemente desde una
PC, los estados de funcionamiento o alarmas de los sistemas que componen la
instalación, así como los principales parámetros de medida y permiten actuar des-
centralizadamente sobre los diferentes elementos de mando.
El sistema automatizado cuenta con las siguientes facilidades:
- Control absoluto del edificio en todos sus sistemas
- Control y optimización de Energía Eléctrica
- Sistema de alimentación sin interrupción
- Control de iluminación
- Sistema de protección contra incendios
- Sistema de control de aire acondicionado
- Sistema integrado de seguridad
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
25 Pedro Sánchez Avelar
Objetivos de la automatización:
- Mejorar la productividad de la empresa, reducción los costos de la producción y mejorando la calidad de la misma.
- Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos penosos e incrementando la seguridad.
- Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.
- Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el momento preciso.
- Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo.
- Integrar la gestión y producción.
Campos de aplicación:
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy
extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este
campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus
posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en
donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su
aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a
transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de
almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o
alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en
procesos en que se producen necesidades tales como:
- Espacio reducido
- Procesos de producción periódicamente cambiantes
- Procesos secuenciales
- Maquinaria de procesos variables
- Instalaciones de procesos complejos y amplios
- Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
26 Pedro Sánchez Avelar
Ejemplos de aplicaciones generales de la automatización:
- Maniobra de máquinas
- Maquinaria industrial de plástico
- Máquinas de transferencia
- Maquinaria de embalajes
- Maniobra de instalaciones
- Instalación de aire acondicionado, calefacción.
- Instalaciones de seguridad
- Señalización y control
- Chequeo de programas
- Señalización del estado de procesos
Niveles de automatización
El nivel de automatización de cualquier proceso está determinado siempre por 2 factores:
Económico y tecnológico.
De acuerdo a esto, podemos clasificar a los niveles de automatización básicamente
en tres:
- Nivel básico o elemental: Corresponde al instalado en una máquina sencilla o
parte de una máquina, programándole tareas de supervisión de tiempos muertos,
posicionamiento de piezas y funciones de seguridad.
- Nivel intermedio: Corresponde a la automatización de un conjunto de máquinas
elementales para una etapa determinada de un proceso, o bien de una máquina
compleja, en otras palabras, este tipo de automatización, también se le conoce
como automatización industrial.
- Nivel superior: Es el instalado, cuando se tiene o se desea la automatización de
un proceso al 100 %, incluye aspectos de servicio, gestión de mantenimiento,
entre otros.
Ventajas y desventajas:
Ventajas:
- Menor tiempo de elaboración de proyectos
- Posibilidad de añadir modificaciones con una inversión mucho menor a la inicial
- Menor costo de mano de obra Mantenimiento económico
- Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo sistema
- Menor tiempo de puesta en funcionamiento
Desventajas:
- Requiere capacitación
- Alto costo inicial
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
27 Pedro Sánchez Avelar
II.3 Elementos para un sistema de control
Un sistema de control es un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar,
dirigir o regular el comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades
de fallo y obtener los resultados deseados. Por lo general, se usan sistemas de control
industrial en procesos de producción industriales para controlar equipos o máquinas. 2
Existen dos clases comunes de sistemas de control, sistemas de lazo abierto y sistemas
de lazo cerrado. En los sistemas de control de lazo abierto la salida se genera
dependiendo de la entrada; mientras que en los sistemas de lazo cerrado la salida
depende de las consideraciones y correcciones realizadas por la retroalimentación. Un
sistema de lazo c errado es llamado también
sistema de control con realimentación.
Sistema de control de lazo abierto.
Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como
resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la
primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste
pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal
de entrada para el controlador.
Estos sistemas se caracterizan por:
- Ser sencillos y de fácil concepto
- Nada asegura su estabilidad ante una perturbación
- La salida no se compara con la entrada
- Ser afectado por las perturbaciones.
- Éstas pueden ser tangibles o intangibles
- La precisión depende de la previa calibración del sistema
Sistema de control de lazo cerrado.
Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida.
Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para
ajustar la acción de control en consecuencia. El control en lazo cerrado es imprescindible
cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:
- Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre
- Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones
- Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos casos y requiere una
atención que el hombre puede perder fácilmente.
2 Taylor, S. T. (1971). "Fundamentals of HVAC control systems". Atlanta: American Society of Heating.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
28 Pedro Sánchez Avelar
Características de un sistema de control de lazo cerrado:
- Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros
- La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema
- Su propiedad de retroalimentación
- Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas
El sistema de control que mejor se acopla al proceso de fabricación industrial del yogurt
es el sistema de control de lazo cerrado, debido a que la temperatura durante la
incubación debe ser constantemente medida y controlada y a que el sistema contempla
una acción de control que tiene como base la retroalimentación en tiempo real de la
lectura de la temperatura.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
29 Pedro Sánchez Avelar
II.4 Elementos de un sistema de control para temperatura
En los sistemas industriales modernos, la temperatura es la medida física más común y
los controladores de temperatura son los controladores más comunes. Desde el control
diario de temperaturas de aire y del agua para procesos más complejos (refinerías,
procesamiento de alimentos etc.)3
II.4.1 Controladores de temperatura
Los controladores de temperatura son instrumentos que sirven para regular el estado
térmico dentro de algún proceso. Es decir este instrumento recibirá una señal de entrada
que proviene de un sensor o medidor de temperatura y emitirá una señal de salida hacia
un elemento de control tal como un componente de calentamiento.
El controlador es sólo una parte del sistema y durante el proceso es el instrumento que
recibe y envía las señales necesarias para controlar el proceso, por esto no interfiere de
manera directa.
Los controladores se pueden clasificar dependiendo de la complejidad de la señal o
señales que deben enviar a los elementos de control. El proceso y su control requieren
de parámetros de lectura y de respuesta establecidos para garantizar la producción, de
acuerdo con esto los controladores se dividen de la siguiente manera4:
- Controladores de Encendido y apagado
- Controladores proporcionales
- Controladores PID (Proporcional Integral Derivativo)
3 Simulador de Control de PID serie Platinum™. Omega Engineering Limited River Bend Technology Centre Northbank, Irlam, Manchester M44 5BD United Kingdom 4 Controladores de temperatura. Omega Engineering Limited River Bend Technology Centre Northbank, Irlam, Manchester M44 5BD United Kingdom
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
30 Pedro Sánchez Avelar
El proceso de control de temperatura se puede explicar brevemente en el siguiente
diagrama, considerando que este se repite un intervalo de veces determinadas para
garantizar condiciones controladas a lo largo de la fabricación:
El controlador recibe la señal y compara contra
los parámetros establecidos
El medidor de temperatura obtiene la lectura durante el
proceso
¿La temperatura está dentro de los parámetros?
El controlador mantiene los parámetros establecidos
No
Sí
¿La temperatura está por arriba de la media
establecida?
El controlador envía la señal al actuador
para reducir la temperatura de alimentación.
Sí
¿La temperatura está por debajo de la media
establecida?
El controlador envía la señal al actuador para incrementar la
temperatura de alimentación.
Sí
No
No
Diagrama II.4.1.- Diagrama del proceso de control de la temperatura.
Controladores de Encendido y apagado
Este tipo de controladores son los más simples, ya que el tipo de salida de estos
dispositivos no cuenta con un punto medio, y simplemente trabajan, o no. Los
controladores de encendido y apagado empiezan a trabajar en el momento en que la
temperatura necesaria atraviesa o sobrepasa el punto de ajuste indicado, por lo que el
mecanismo de control térmico funciona a base de calor, y éste se enciende y empieza a
funcionar cuando la temperatura se encuentra debajo del punto adecuado y a su vez,
deja de trabajar y se apaga cuando el calor ha sobrepasado el punto de ajuste.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
31 Pedro Sánchez Avelar
En estos dispositivos ocurre un ciclo de oscilación constante de la temperatura, por lo
que el controlador se enciende y se apaga continuamente para mantenerse en el punto
de ajuste, y en algunos casos este cambio constante puede ser demasiado rápido y
podría dañar a las válvulas y a los contactos del sistema de control, para que esto no
suceda, a la programación del controlador se le añade un pequeño diferencial , también
conocido como “histéresis”, que ajusta la activación del sensor a un rango más flexible
para el punto de ajuste.
De esta manera, con el diferencial se requiere una ligeramente mayor temperatura para
desactivar el sistema, y de la misma manera permite que disminuya un poco más el calor
antes de volver a activar al controlador.
Este tipo de controladores térmicos pueden ser utilizados cuando la precisión en el
proceso no es necesaria o tan básica y se puede permitir una pequeña variación en la
temperatura, o cuando el sistema no puede llegar a soportar cambios tan frecuentes de
encendido y apagado del controlador, así como para procesos donde la masa de todo el
sistema sea muy grande y cambie de temperatura muy lento.
La secuencia de comandos de lectura y acción en este tipo de controladores tiene una
actividad parecida a una serie de altas y bajas en una gráfica, pudiendo ejemplificar su
comportamiento de la siguiente manera, considerando que cada flecha corresponde a
una acción ya sea de encendido y apagado:
Diagrama II.4.2.- Diagrama del comportamiento de un sistema de encendido y apagado.
Tiempo total del proceso
Diferencial de lectura
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
32 Pedro Sánchez Avelar
Controladores proporcionales
Este tipo de controladores está diseñado para que se logre eliminar el ciclo de control
que se tiene con los de encendido y apagado. Los controladores proporcionales
funcionan con un regulador que disminuye la potencia suministrada en el calentador o
enfriador a la par con la que la temperatura buscada se va aproximando al punto de
ajuste, con lo que se evita que se sobrepase de calor, o le haga falta, manteniendo una
temperatura estable todo el tiempo.
Esta dosificación de calor se puede llevar a cabo gracias a la manipulación del sistema
de encendido y apagado en determinados intervalos de tiempo.
Controladores PID (Proporcional Integral Derivativo)
Este tipo de controlador de temperatura combina a los dos sistemas mencionados
anteriormente, con lo que se logra compensar los cambios de temperatura mediante un
control integral, proporcional y derivativo, es decir, que se puede ajustar cada variable
de manera individual y por lo tanto la inspección es mucho más precisa.
Este tipo de controladores de temperatura son utilizados en sistemas que trabajan con
masas pequeñas, y que por ende son más susceptibles a los cambios de temperatura,
por muy ligeros que sean.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
33 Pedro Sánchez Avelar
II.4.2 Medidores de temperatura
La actividad de medir la temperatura consiste en cuantificar el calor de una sustancia
homogénea, y por lo tanto es una unidad de medida para la energía cinética media de
sus moléculas. Para que dos objetos adapten la misma temperatura se requiere un
contacto térmico al objeto.
Los métodos más habituales de los medidores de temperatura están basados en
variaciones de las propiedades de una sustancia inducidas por las variaciones de
temperatura.5
Medidor de temperatura bimetálico
Una tira compuesta por dos chapas de metal de diferentes coeficientes de dilatación
(“bimetal”), laminadas entre sí en forma inseparable, se deforma a consecuencia de un
cambio de temperatura. La curvatura resultante es casi proporcional al cambio de
temperatura. A partir de las tiras bimetálicas se desarrollaron dos diferentes formas de
sistemas de medición:
- Muelle helicoidal
- Muelle espiral
Mediante deformación mecánica de las tiras bimetálicas en las formas de muelle
mencionadas con anterioridad, frente a un cambio de temperatura se produce un
movimiento de rotación. Si un extremo del sistema de banda bimetálica está sujetado en
forma firme, el otro extremo hace girar el árbol portaíndice. Los rangos de visualización
van de -70 °C a +600 °C con precisiones de clase 1 y 2 según EN 13190.
Medidor de temperatura de dilatación de líquido
El registro de los valores de medición se realiza mediante el sistema de medición relleno
con líquido, que se compone de sensor de temperatura, línea capilar y tubo Bourdon.
Los tres sistemas forman un sistema de tubería cerrado. La presión interior de un medidor
de temperatura con en este sistema varía la temperatura contactada provocando un giro
del eje de la aguja unido al resorte para indicar la temperatura en la escala. La línea
capilar, con longitudes entre 500 y 10.000 mm, permite mediciones también en puntos
de medición remotos. Los rangos de visualización varían entre -40 a +400 °C con
exactitudes de clase 1 y 2 según EN 13190.
5 Introducción al registro de datos de temperatura. Omega Engineering Limited River Bend Technology Centre Northbank, Irlam, Manchester M44 5BD United Kingdom
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
34 Pedro Sánchez Avelar
Medidores de temperatura de dilatación de gas con o sin capilar
El sistema de medición de este tipo de medidor de temperatura está compuesto de bulbo,
capilar y tubo elástico en la caja. Estos componentes forman una unidad. El sistema de
medida completo está rellenado a presión con gas inerte. Si cambia la temperatura,
cambia también la presión interior del bulbo. La presión deforma el muelle de medición,
cuyo movimiento se transmite al indicador a través de un mecanismo de indicación.
Las variaciones de la temperatura ambiente son despreciables porque hay un elemento
bimetálico entre el mecanismo de indicación y el muelle que sirve de compensador. El
rango de visualización va de -200 a +700 °C con precisión de clase 1 según EN 13190.
Para aplicaciones de control desde un puesto de mando se aplican sondas de
temperatura conectadas a controladores de temperatura para configurar los parámetros
de control.
Medidores eléctricos de temperatura
Existen dos sistemas de medición de temperatura eléctrica. El sistema más utilizado son
las termorresistencias que son dotados con un materal semiconductor cuya resistencia
varia proporcionalmente con el valor de la temperatura. El valor de la resistencia se
transmite a un indicador que convierte el valor de la resistencia en el valor de la
temperatura actual correspondiente. La versión más habitual es RTD (Resistance
Temperature Detector) PT100 con una resistencia de 100 ohmios a 0 ° C y 138,4 ohmios
a 100 ° C.
Para aplicaciones especiales se aplican también sensores PT1000 con una resistencia
de 1000 ohmios a 0 ° C. El otro sistema se aplica en los termopares (también termocupla)
que consiste en dos hilos de distintos metales unidos en un extremo. La variación de
temperatura produce una diferencia de potencial, proporcional a la diferencia de
temperatura entre los dos extremos. El extremo del punto de medición de la temperatura
es la unión caliente (o punto caliente) y el otro es el punto de referencia. Los termopares
son adecuados para temperaturas muy elevadas superiores de 600 ºC.
El tipo de medidor que mejor resultado tiene para la medición de la temperatura en el
proceso industrial de fabricación de yogurt es el bimetálico debido a que es sencillo de
instalar y es posible conectarlo a la instrumentación eléctrica de temperatura de un
sistema de control, además de ofrecer resultados confiables y muy precisos tiene la
ventaja de ser económico de acuerdo con los parámetros de operación requeridos.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
35 Pedro Sánchez Avelar
II.5 Descripción general del suministro de materia prima.
La fabricación de yogurt puede variar de acuerdo al tipo de producto o a los ingredientes
que lo componen, para la instrumentación y control de las etapas criticas es importante
considerar que a pesar de que los ingredientes puedan cambiar estos deben prepararse
o adaptarse para obtener la mejor calidad en el producto final.
A continuación se resumen los principales ingredientes de manera enunciativa pero no
limitativa junto con las características que deberán cumplir y que serán los parámetros
óptimos para la automatización del sistema de control.
Tabla II.5.1.- Características de los ingredientes para la fabricación de yogurt.
Componente Estado Concentración Temperatura óptima para el
proceso
Leche de vaca Líquido
Porcentaje de grasa: 2%
Porcentaje de solidos: 7%
pH: 6.6 - 6.8
Estandarización: 35 °C
Homogeneización: 40 °C
Pasteurización: 72 °C
Incubación: 45 °C
Mermelada de fruta Líquido 1 porción por cada 3
de yogurt base Temperatura ambiente
Azúcar Sólido >10% de la mezcla
total Se agrega el azúcar a temperatura ambiente
Cultivos lácticos (Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus)
Sólido liofilizado
2-3% Se agregan a los 45 °C
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
36 Pedro Sánchez Avelar
II.6 Equipos y sensores
A continuación se describen de acuerdo con la propuesta de diseño los equipos y
sensores requeridos para la automatización y control del proceso de fabricación de
yogurt, considerando una propuesta para el material de fabricación y tomando en cuenta
las características necesarias para el tipo de proceso.
Tabla II.6.1.- Descripción de equipos y sensores para la fabricación de yogurt.
Proceso Equipo Material Características
Recepción de la leche
Tanque de almacenamiento.
Tanque: Acero inoxidable. AISI 304
- Almacenamiento seguro e inocuo.
- La limpieza es sencilla y garantizada debido a los materiales de construcción.
Estandarización de la leche
Estandarizador.
Componentes y marco exterior: Acero inoxidable
- Es posible establecer parámetros para el contenido de sólidos y grasas.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
37 Pedro Sánchez Avelar
Proceso Equipo Material Características
Homogeneización Homogeneizador. Bomba de alta presión: Acero inoxidable
Válvulas y tuberías: Acero inoxidable.
- Brinda untamañoadecuado de lagrasa para asegurar la reintegración con el agua.
Pasteurización Pasteurizador Válvulas y tuberías: Acero inoxidable. AISI 316
Panel de control: Acero inoxidable.
Controlador de proceso: Acero inoxidable
- Corto tiempo deproceso.
- Garantiza lainocuidad de laleche.
Incubación Tanque con agitación / Incubador Tanque: Acero inoxidable. AISI 304
Válvulas y tuberías: Acero inoxidable. AISI 316
- Almacenamientoseguro e inocuo.
- La limpieza essencilla ygarantizadadebido a losmateriales deconstrucción.
- Se pueden agregaragitadores o medidores de temperatura.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
38 Pedro Sánchez Avelar
Proceso Equipo Material Características
Batido e incorporación de la mermelada
Mezclador de corte alto. Todas las partes en contacto con el producto son de acero inoxidable AISI 316L.
El cuerpo y partes complementarias son de acero inoxidable AISI 304
- Es posibleajustar la alturadel estator paragarantizar uncorte alto.
- El estatortambién permiteagitación sincorte.
Acondicionamiento Tanque de almacenamiento y distribución. Tanque: Acero inoxidable. AISI 304
Válvulas y tuberías: Acero inoxidable. AISI 316
- Almacenamientoseguro e inocuo.
- La limpieza essencilla ygarantizadadebido a los materiales de construcción.
- Permite la distribución del yogurt para ser envasado.
Actuador Accionador de temperatura variable. Válvulas y tuberías: Acero inoxidable. AISI 316
- Puede controlarla temperaturadel producto yaseacalentamiento orefrigeración.
- Puede acoplarsea los tanques dealmacenamientoo agitación paracontrolar latemperatura.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
39 Pedro Sánchez Avelar
Función Equipo Material Características
Medición de temperatura
Termopares. Cubierta protectora: Acero inoxidable.
- La sonda puede registrar la temperatura de manera contante.
- Capacidad demonitorear un ampliorango detemperaturas.
- Fácil instalación ymanteniento.
Transferir materia prima durante el proceso
Bomba centrifuga. Cuerpo interior y cubierta: Acero inoxidable AISI 316
- El material de construcción garantiza la esterilidad de la materia prima
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
40 Pedro Sánchez Avelar
Tabla III.2.6.- Propuesta Económica de Equipos
Proceso Equipo Costo
Recepción de la leche
Tanque de almacenamiento.
Con base en las características el costo en promedio sería de: $250,000 MX $12,500 USD
Estandarización de la leche
Estandarizador.
Con base en las características el costo en promedio sería de: $80,000 MX $4,000 USD
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
41 Pedro Sánchez Avelar
Proceso Equipo Costo
Homogeneización Homogeneizador.
Con base en las características el costo en promedio sería de: $100,000 MX $5,000 USD
Pasteurización Pasteurizador
Con base en las características el costo en promedio sería de: $400,000 MX $20,000 USD
Incubación Tanque con agitación / Incubador
Con base en las características el costo en promedio sería de: $350,000 MX $17,500 USD
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
42 Pedro Sánchez Avelar
Proceso Equipo Costo
Batido e incorporación de la mermelada
Mezclador de corte alto. Con base en las características el costo en promedio sería de: $60,000 MX $3,000 USD
Acondicionamiento Tanque de almacenamiento y distribución. Con base en las características el costo en promedio sería de: $350,000 MX $17,500 USD
Actuador Accionador de temperatura variable. Con base en las características el costo en promedio sería de: $40,000 MX $2,000 USD
En conjunto para control de temperatura fría y caliente: $65,000 MX $3,250 USD
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
43 Pedro Sánchez Avelar
Función Equipo Costo
Medición de temperatura
Termopares.
Con base en las características el costo en promedio sería de: $3,000 MX $150 USD
Medidor de pH
Con base en las características el costo en promedio sería de: $4,000 MX $200 USD
Transferir materia prima durante el proceso
Bomba centrifuga.
Con base en las características el costo en promedio sería de: $9,000 MX $450 USD
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
44 Pedro Sánchez Avelar
Función Equipo Costo
Controlador eléctrico
Con base en las características del sistema de control en promedio sería de: $500,000 MX $25,000 USD
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
45 Pedro Sánchez Avelar
Recopilador de datos
Con base en las características del sistema de control en promedio sería de: $60,000 MX $3,000 USD
Computadora Con base en las características del sistema de control en promedio sería de: $8,000 MX $400 USD
Pantalla Con base en las características del sistema de control en promedio sería de: $15,000 MX $750 USD
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
46 Pedro Sánchez Avelar
Propuesta Económica
De acuerdo con las características del diseño de automatización y control se plantea que la planta piloto tenga un costo aproximado de:
Costo total en Pesos mexicanos
$2,500,000 MX
Costo total en Dólares americanos
$125,000 USD
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
47 Pedro Sánchez Avelar
II.7 Lógica de funcionamiento del sistema.
La mejora al proceso de fabricación contempla la instrumentación y control de las etapas
criticas mediante un sistema automático que proporciona a los operadores la capacidad
de medir y corregir en tiempo real los parámetros óptimos, para lograr la calidad
requerida en el producto final. Se presentan los requerimientos para programar las
secuencias de control, la programación de alarmas y programación de paro. La lógica de
programación en conjunto con el DTI propuesto conforman la base para la propuesta de
mejora para la fabricación de yogurt a escala industrial.
El sistema que se propone es del tipo eléctrico, mencionado anteriormente, y tiene como
objetivo mantener, monitorear y controlar los parámetros durante las etapas críticas. El
sistema está compuesto por sensores, medidores de temperatura, medidores de pH,
controladores y actuadores que están conectados con un elemento de control final, lo
que permite que el sistema sea operado y monitoreado de forma automática. El sistema
es del tipo de control digital directo que emplea señales digitales y analógicas para la
optimización y control del proceso.
Las condiciones óptimas para que el producto tenga la calidad esperada deben ser
programadas en el sistema de control automático, el sistema mantendrá las condiciones
requeridas durante la incubación y también realizará la lectura y registro de temperaturas
y pH durante el proceso. Durante la operación estos parámetros podrán ser visualizados
desde la computadora central y las pantallas de control.
II.7.1 Condiciones para el arranque del sistema
EL sistema contempla el empleo de controladores y accionadores acoplados a los
equipos donde se realizaran las etapas criticas del proceso, existen una serie de
revisiones que se deben contemplar antes de proceder a encender el sistema.
Es necesario considerar las siguientes instrucciones para garantizar un óptimo
funcionamiento del sistema de control:
• Se deben inspeccionar todos los equipos, aparatos y sensores antes de encender
el sistema.
• El proceso se realizará por lotes y durante la fabricación se tendrá un flujo continuo
por lo que es necesario abrir y cerrar todas las válvulas conforme a lo requerido
para avanzar por los equipos.
• Se deben purgar los equipos que reciban vapor de calentamiento y/o agua de
enfriamiento.
• Verificar que las bombas centrifugas operan apropiadamente desde el tablero de
control.
• Se deberá verificar el glosario de líneas de proceso para los parámetros óptimos
de funcionamiento en las etapas criticas
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
48 Pedro Sánchez Avelar
El sistema de control inicia cuando desde la computadora se arranca la primera bomba
centrifuga que lleva la leche al proceso de estandarización, a continuación el sistema
seguirá los siguientes pasos para operar y controlar de manera automática el proceso
completo de fabricación:
Sistema de control
- El operador enciende la bomba centrifuga B-1
//La bomba centrifuga B-1 lleva el contenido de tanque T-1 al estandarizador E-1
- El termopar T1 realiza la lectura de la temperatura inicial de la leche.
- La señal de la lectura de la temperatura T1 se transmite al controlador CO-1.
- El controlador CO-1 envía a la computadora COP1 la señal COMP1 mostrando la
temperatura actual de la leche en el estandarizador.
- El controlador CO-1 envía el valor registrado por el termopar T1 a la pantalla de
proceso PD-1. El controlador estará actualizando en tiempo real la información
mostrada en la pantalla.
- Desde la computadora el operador programa la temperatura que requiere el
estandarizador para poder acondicionar la leche.
- El operador envía la señal al controlador CO-1 para abrir la válvula de vapor.
- El controlador CO-1 envía al actuador A-1 la señal para abrir la válvula de vapor
- El sistema continuamente estará comparando la lectura del termopar T1 con el
parámetro establecido por el operador hasta alcanzar la condición deseada.
- Cuando la leche en el estandarizador alcanza la temperatura ingresada en el
sistema por el operador el controlador envía la señal al actuador A-1 para cerrar
la válvula de vapor.
- El sistema emite una alarma notificando a la computadora COP1 y a la pantalla PD-
1 que se ha alcanzado la temperatura programada.
- El operador enciende el estandarizador.
- El sistema emite una alarma notificando a la computadora COP1 y a la pantalla PD-
1 que se ha concluido la estandarización.
- Una vez que termina la estandarización el operador acciona la bomba centrifuga
B-2
//La bomba centrifuga B-2 lleva la leche estandarizada al homogeneizador H-1
- El operador enciende el homogeneizador.
- El sistema emite una alarma notificando a la computadora COP1 que se ha
concluido la homogeneización.
- El operador enciende la bomba centrifuga B-3
//La bomba centrifuga B-3 lleva la leche homogénea al pasteurizador P-1
- El termopar T2 realiza la lectura de la temperatura en el pasteurizador P-1
- La señal de la lectura de la temperatura T2 se transmite al controlador CO-2.
- El controlador CO-2 envía a la computadora COP1 la señal COMP2 mostrando la
temperatura actual de la leche en el estandarizador.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
49 Pedro Sánchez Avelar
- El controlador CO-2 envía el valor registrado por el termopar T2 a la pantalla de
proceso PD-2. El controlador estará actualizando en tiempo real la información
mostrada en la pantalla.
- Desde la computadora COP1 el operador programa la temperatura que requiere
alcanzar el pasteurizador.
- El operador envía la señal al controlador CO-2 para abrir la válvula de vapor.
- El controlador CO-2 envía al actuador A-2 la señal para abrir la válvula de vapor
- El sistema continuamente estará comparando la lectura del termopar T2 con el
parámetro establecido por el operador hasta alcanzar la condición deseada.
- El sistema emite una alarma notificando a la computadora COP1 y a la pantalla PD-
2 que se ha alcanzado la temperatura programada.
- Cuando la leche en el pasteurizador alcanza la temperatura ingresada en el
sistema por el operador el controlador envía la señal al actuador A-2 para cerrar
la válvula de vapor.
- El sistema emite una alarma notificando a la computadora COP1 y a la pantalla PD-
2 que se ha concluido la pasteurización.
- El operador enciende la bomba centrifuga B-4.
//La bomba centrifuga B-4 lleva la leche pasteurizada al incubador In-1.
- El termopar T3 realiza la lectura de la temperatura en el incubador In-1.
- La señal de la lectura de la temperatura T3 se transmite al controlador CO-3.
- El controlador CO-3 envía a la computadora COP1 la señal COMP3 mostrando la
temperatura actual de la leche en el incubador.
- El controlador CO-3 envía el valor registrado por el termopar T3 a la pantalla de
proceso PD-3. El controlador estará actualizando en tiempo real la información
mostrada en la pantalla.
- El sensor de pH realiza una lectura en tiempo real de la leche en el incubador
- El sensor de pH envía en tiempo real al controlador CO-3 y a la computadora COP1
el valor medido durante la incubación.
- El controlador CO-3 envía el valor registrado por el sensor de pH a la pantalla de
proceso PD-3. El controlador estará actualizando en tiempo real la información
mostrada en la pantalla.
- El operador establece en el sistema la temperatura que debe alcanzar la leche
para proceder con la incubación.
- Desde la computadora COP1 el operador envía la señal al controlador CO-3 para
abrir la alimentación de agua de enfriamiento.
- El Controlador C0-3 envía la señal al actuador A-3 para abrir la válvula de
alimentación de agua de enfriamiento.
- El sistema emite una alarma notificando a la computadora COP1 y a la pantalla PD-
3 que se ha alcanzado la temperatura programada.
- Cuando la leche en el incubador alcanza la temperatura ingresada en el sistema
por el operador el controlador envía la señal al actuador A-3 para cerrar la válvula
agua de enfriamiento.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
50 Pedro Sánchez Avelar
- El sistema emite una alarma notificando al operador en la computadora COP1 y a
la pantalla PD-3 para adicionar los cultivos lácticos.
- El operador enciende el incubador y el sistema entra en modo automático.
- El sistema es cargado con los parámetros óptimos para obtener la mejor
conversión posible y en el menor tiempo. Los parámetros óptimos se pueden
consultar en el glosario de líneas de proceso.
- El sistema recibe en tiempo real las lecturas del termopar T3 y del sensor de pH.
Con estos datos el controlador compara activamente los valores leídos contra los
parámetros establecidos.
- El sistema es capaz de determinar los cambios de temperatura y ph durante la
incubación.
- Cuando el sistema detecta que las condiciones de temperatura varían manda una
señal al controlador CO-3 para abrir la válvula de alimentación de vapor.
- El sistema emite una alarma notificando a la computadora COP1 y a la pantalla PD-
3 que la temperatura está siendo regulada..
- El sistema guardará la información recolectada por el controlador CO-3.
- El controlador CO-3 envía la señal al actuador A-3 para abrir la válvula de
alimentación de vapor.
//Este proceso de lectura, comparación y comunicación entre el Controlador CO-
3 y el actuador A-3 se repite constantemente hasta alcanzar los valores
predeterminados de pH.
- El controlador CO-3 envía la señal al actuador A-3 para abrir la válvula de
alimentación de vapor.
- Cuando el sistema detecta que el ph en el incubador ha alcanzado los parámetros
establecidos manda una señal notificando a la computadora COP1 y a la pantalla
PD-3 que la incubación a concluido.
- El sistema detiene el incubador.
- El operador enciende la bomba centrifuga B-5.
//La bomba centrifuga B-5 lleva el yogurt base la mezcladora M-1.
- El sistema manda una señal notificando a la computadora COP1 y a la pantalla PD-
3 que el tanque de T-3 debe ser calibrado para adicionar la mermelada a la
mezclador M-1-
- El operador programa las condiciones de mezclado en el sistema de acuerdo a
las características del producto deseado.
- El operador enciende el mezclador M-1.
- El sistema detiene la mezcladora cuando ha alcanzado el tiempo predeterminado.
- El sistema manda una señal notificando a la computadora COP1 notificando que se
ha concluido el mezclado.
- El operador enciende la bomba centrifuga B-6.
//La bomba centrifuga B-6 lleva el yogurt terminado al tanque de almacenamiento
T-4.
- El sistema concluye la operación.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
51 Pedro Sánchez Avelar
Lectura de la
temperatura
del proceso
Lectura de la
temperatura
del proceso
Lectura de la
temperatura
del proceso
Lectura del
pH durante
el proceso
Computadora
central:
Recibe los datos de
las lecturas de
temperatura y pH
3ª Etapa Crítica:
Incubación
Controlador de temperatura:
Compara los datos recibidos
y emite una señal al
actuador
2ª Etapa Crítica:
Pasteurización
1ª Etapa Crítica:
Estandarización de la
leche
A continuación se muestra el proceso de automatización y control en las etapas críticas
del proceso de fabricación.
Esta información está directamente relacionada con el DTI propuesto en el siguiente
capítulo y es posible verificar la secuencia siguiendo el diagrama.
Actuador 1:
Regula la temperatura
con los parámetros
establecidos
Actuador 2:
Regula la temperatura
con los parámetros establecidos
Actuador 3:
Regula la temperatura
con los parámetros establecidos
Diagrama II.4.2.- Diagrama del comportamiento de un sistema de encendido y apagado.
CAPÍTULO III
PROPUESTA DE DISEÑO
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
52 Pedro Sánchez Avelar
III.1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación
Considerando la información revisada previamente a este capítulo, a continuación se
presenta la propuesta de modelo o planta piloto junto con el DTI de instrumentación y
control necesarios para la automatización del modelo propuesto.
La presente propuesta es un modelo desarrollado con base en los estándares de calidad
necesarios para la producción a nivel nacional, y cumple con los criterios requeridos para
que el producto final en conjunto con las materias primas anteriormente descritas puedan
ostentar la denominación de yogurt.
El modelo que se describe a continuación puede adaptarse a cualquier escala de
producción, así como la instrumentación y el control.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
53 Pedro Sánchez Avelar
Diagrama de Ingeniería Básica.
Proceso de fabricación industrial de yogurt – Planta Piloto Pedro Sánchez Avelar
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
54 Pedro Sánchez Avelar
Diagrama de Tuberías e Instrumentación.
Proceso de fabricación industrial de yogurt – Planta Piloto Pedro Sánchez Avelar
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
55 Pedro Sánchez Avelar
III.2 Glosario y descripción de líneas de proceso.
A continuación se enlistan las descripciones para cada tipo de línea en el DTI.
Tabla III.2.1.- Líneas de alimentación en el DTI.
Nombre de la línea
Descripción. Parámetro o valor
A1 Alimentación inicial de leche Temperatura: 35°C
A2 Alimentación de grasa o agua Para estandarizar la leche es posible adicionar agua o grasa en la siguientes proporciones:
• Porcentaje de grasa: 2%• Porcentaje de solidos: 7%
A3 Alimentación de mermelada Se agrega a la base de yogurt la cantidad desea de mermelada.
Cu1 Alimentación de cultivos lácticos
2-3% de cultivo formado por partes iguales de Lactobacillusbulgaricus y Streptococcus thermophilus
Ac Agua de alimentación a la caldera
Se conforma del agua recabada de los procesos que requieren calentamiento y se recomienda realizar un tratamiento previo antes de entrar a la caldera para reducir las posibles incrustaciones.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
56 Pedro Sánchez Avelar
Tabla III.2.2.- Líneas de producto en el DTI.
Nombre de la línea
Descripción. Parámetro o valor
L1 Leche entera La leche debe ser analizada antes de proceder a estandarizar
M1 Toma de muestra Se toma una muestra de la leche para realizar los controles requeridos
L2 Leche estandarizada Porcentaje de grasa: 2% Porcentaje de solidos: 7% Temperatura a la salida del estandarizador: 35 °C Temperatura a la salida del homogeneizador: 40 °C
N1 Nata o grasa La nata estandarizada se almacena para otros procesos
L3 Leche pasteurizada Temperatura de salida: 72 °C Tiempo de residencia: 15 segundos
L4 Yogurt base Temperatura de salida: 20 °C L5 Yogurt terminado Se agrega la mermelada 1 a 3 de yogurt base
L6 Yogurt para envasar Se debe conservar el producto final en refrigeración hasta el momento de su comercialización
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
57 Pedro Sánchez Avelar
Tabla III.2.3.- Servicios auxiliares.
Nombre de la línea
Descripción. Parámetro o valor
V0 Salida de vapor inicial Vapor de caldera
V1 Alimentación de vapor al actuador 1
V2 Alimentación de vapor ajustado al estandarizador
Alimentación regulada por el actuador Vapor necesario para precalentar la leche a 40°C
C1 Salida del condenzado del estandarizador
V3 Alimentación de vapor al actuador 2
V4 Alimentación de vapor ajustado al pasteurizador
Alimentación regulada por el actuador Vapor necesario para calentar la leche a 72°C
C2 Salida del condenzado del pasteurizador
V5 Alimentación de vapor al actuador 3
V6 Alimentación de vapor ajustado a la incubadora
Vapor necesario para mantener la leche a 45°C Alimentación regulada por el actuador
AF1 Alimentación de agua de enfriamiento
Alimentación regulada por el actuador
C3 Salida del condensado del tanque de incubación
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
58 Pedro Sánchez Avelar
Tabla III.2.4.- Instrumentación y control.
Nombre de la línea / Equipo
Descripción. Parámetro, valor o acción
T1
Termopar 1 Termopar montado al estandarizado
Rango de lectura: 5°C a 70°C
T1 Línea eléctrica Comunica el valor medido en el termopar 1 al controlador 1
COMP1 Línea eléctrica Señal de comunicación de dos vías con la consola central Permite mostrar en la computadora el valor medido de la temperatura. Transmite de la computadora al contralor la señal para cerrar o abrir la alimentación de vapor ajustado.
AJV1 Línea eléctrica Comunica al actuador 1 la señal para mantener la alimentación de vapor en 40°C
PC1 Línea eléctrica Señal de comunicación a la pantalla 1 Muestra el valor de la temperatura medido por el termopar 1
Termopar 2 T2
Termopar montado al pasteurizador
Rango de lectura: 15°C a 90°C
T2 Línea eléctrica Comunica el valor medido en el termopar 2 al controlador 2
COMP2 Línea eléctrica Señal de comunicación de dos vías con la consola central Permite mostrar en la computadora el valor medido de la temperatura. Transmite de la computadora al contralor la señal para cerrar o abrir la alimentación de vapor ajustado.
AJV2 Línea eléctrica Comunica al actuador 2 la señal para mantener la alimentación de vapor en 72°C
PC2 Línea eléctrica Señal de comunicación a la pantalla 2 Muestra el valor de la temperatura medido por el termopar 2
Termopar 3 T3
Termopar montado al tanque de incubación
Rango de lectura: 10°C a 90°C
T3 Línea eléctrica Comunica el valor medido en el termopar 3 al controlador 3
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
59 Pedro Sánchez Avelar
Nombre de la línea / Equipo
Descripción. Parámetro, valor o acción
COMP3 Línea eléctrica Señal de comunicación de dos vías con la consola central Permite mostrar en la computadora el valor medido de la temperatura. Transmite de la computadora al contralor la señal para cerrar o abrir la alimentación de vapor ajustado.
Nombre de la línea / Equipo
Descripción. Parámetro, valor o acción
AJA1 Línea eléctrica Comunica al actuador 3 para abrir o cerrar la alimentación de agua de enfriamiento
AJV3 Línea eléctrica Comunica al actuador 3 la señal para mantener la alimentación de vapor en 45°C
PC3 Línea eléctrica Señal de comunicación a la pantalla 3 Muestra el valor de la temperatura medido por el termopar 3
Medidor de pH
pH
Medidor de pH montado al tanque de incubación
Rango de lectura de pH: 8-3
PH1 Línea eléctrica Comunica el valor medido en el sensor de pH al controlador
C-1C-2C-3
Controlador Recibe las señales de los termopares. Envía una señal al actuador para regular la entrada de vapor Envía una señal al actuador 3 para activar la entrada del agua de enfriamiento
R Recopilador de datos Recibe las señales de los 3 controladores y se comunica con la computadora para poder enviar y recibir datos de control.
MC1 Línea eléctrica Comunicación entre el recopilador y los controladores con la computadora
COP1 Computadora Computadora o consola central que recibe las señales de los
controladores y es capaz de controlar los parámetros del proceso.
PD-1 PD-2 PD-3
Pantalla Muestra el valor de la temperatura medida por cada termopar
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
60 Pedro Sánchez Avelar
Tabla III.2.5.- Equipos.
Código Equipo Material
E-1 Estandarizador Componentes y marco exterior: Acero inoxidable
H-1 Homogeneizador Bomba de alta presión: Acero inoxidable Válvulas y tuberías: Acero inoxidable.
C-1 Caldera Acero
P-1 Pasteurizador Válvulas y tuberías:
Acero inoxidable. AISI 316 Panel de control: Acero inoxidable. Controlador de proceso: Acero inoxidable
In-1 Tanque con agitación / Incubador Tanque: Acero inoxidable. AISI 304 Válvulas y tuberías: Acero inoxidable. AISI 316
M-1 Mezclador de corte alto. Todas las partes en contacto con el producto son de acero inoxidable AISI 316L. El cuerpo y partes complementarias son de acero inoxidable AISI 304
T-1T-2T-3T-4T-5TN
Tanque de almacenamiento y distribución. Tanque: Acero inoxidable. AISI 304 Válvulas y tuberías: Acero inoxidable. AISI 316
A-1A-2
Accionador de temperatura variable. Válvulas y tuberías: Acero inoxidable.
A-3 Accionador de temperatura variable y de alimentación de agua de enfriamiento
Válvulas y tuberías: Acero inoxidable.
CO-1, CO-2, CO-3
Controlador eléctrico -
COP1 Computadora -
B-1 a B-6 Bomba centrifuga Acero inoxidable
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
61 Pedro Sánchez Avelar
Conclusiones Generales
La presente investigación proporciona una propuesta que con base en el fundamento teórico es aceptable para incrementar la calidad del yogurt, ayudando a disminuir los errores más comunes durante la fabricación, considerando la propuesta de diseño que incorpora un sistema automatizado para el control de la temperatura en las etapas críticas propuestas de la fabricación del yougurt.
Se logra plantear una propuesta de ingeniería básica para la automatización e instrumentación de los equipos recomendados para la estandarización del proceso de fabricación del yogurt. Se propone una serie de equipos y de sensores que son capaces de trabajar en conjunto y se describe de manera detallada el mecanismo de acción del sistema de control.
Considerando la presente propuesta se puede concluir que al eficientar los parámetros de medición y de control en un proceso estándar de fabricación de yogurt es posible incrementar la calidad y la cantidad de producto terminado logrando una propuesta que integra un enfoque de control y de seguridad a los usuarios y a los fabricantes en general.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
62 Pedro Sánchez Avelar
Consideraciones
La investigación realizada nos proporciona información suficiente para sustentar el diseño de ingeniería propuesto y nos da las bases para poder conocer a detalle la instrumentación y el control que deben ser agregados al proceso, la suma del diseño o propuesta del modelo de fabricación con la instrumentación da como resultado un sistema de control automático, que considera una programación básica de los parámetros establecidos para el producto terminado y que facilita al operador el proceso de fabricación.
El sistema de control que se propone garantiza una comunicación directa y en tiempo real de los medidores de temperatura y de pH en el proceso hacia los controladores, actuadores y a la computadora para automatizar la producción de manera total, dejando espacios para poder adaptar, el modelo a una fabricación de mayor escala o una fabricación determinada.
El sistema es detallado de manera que el DTI propuesto proporciona la información básica de equipos y sensores requeridos por el proceso de fabricación, así mismo se incluyen en el diagrama las especificaciones de las líneas de proceso, de servicio y eléctricas para que el sistema logre funcionar. Se plantea una propuesta que detalla los pasos requeridos por el sistema de control para garantizar que se establezcan los parámetros óptimos de operación, considerando alertas y notificaciones que ayudan a los usuarios a garantizar una producción eficiente.
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
63 Pedro Sánchez Avelar
Bibliografia
- Alais, Charles. “Ciencia de la leche: principios de técnica lechera”. Editorial Reverté.
España. 1985.
- Bourgeois, 1995; Ramos, 2002; Beltran; García López. Valbuena. 2005.
- Bushill, J. H. y Wright, W. B. “Some physical methods of assessing the effects of
processing on the structure and properties of milk”. J. Soc. Dayry Technol. 2007.
- Cayré, 2000; Briceño, 2001; Holt, 2000.
- Lazarte, Karla Romina. “Manual de buenas prácticas de manufactura para
elaboración de yogurt”. Ecuador. Universidad Agraria del Ecuador La Molina. 2015.
- Miranda, Gustavo. “ Material del Técnico en Lechería”. Uruguay.
- Omega Engineering Limited. “Simulador de Control de PID serie Platinum™”. Reino
Unido.
- Omega Engineering Limited. “Controladores de temperatura”. Reino Unido.
- Omega Engineering Limited. “ Introducción al registro de datos de temperatura”.
Reino Unido.
- Rivas, Franco P. y Garro, Oscar. “Preparación de cultivos iniciadores. Optimización
del sustrato de crecimiento”. Universidad del Norte. Argentina. 2016.
- Rodriguez, Oscar. “Proceso de producción de yogurt a nivel industrial”. Servicio
Nacional de Aprendizaje SENA-CIMI. Girón, Santander. España. 2016.
- Sorcia, Felipe de Jesús. “Control Digital Directo Control Supervisorio Control
Distribuido”. Universidad Tecnologica Emiliano Zapata. México.
- Taylor, S. T. "Fundamentals of HVAC control systems". American Society of
Heating. Atlanta, Estados Unidos. 1971.
- Varnam, A. H. y Sutherland, J. P. “Milk and Milk Products”. Springer US. Estados
Unidos. 1994.
- Wang, Ling. “International Journal of Automation and Control.
- Zielinski, Ana. Mathon, Yamila coord. “Elaboración artesanal de yogur: cuadernillo
para unidades de producción: apoyo al trabajo popular”. Inst. Nacional de
Tecnología Industrial – INTI. Argentina. 2013.
ANEXOS
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
64 Pedro Sánchez Avelar
Anexo A
Instrumentos mecánicos de
medida de temperatura
Instrumentos mecánicos de medida de temperatura
Hoja técnica WIKA IN 00.07
La temperatura cuantifica el calor de una sustancia homogénea, y por lo tanto es una unidad de medida para la energía
cinética media de sus moléculas. Para que dos objetos adapten la misma temperatura se requiere un estrecho contacto
térmico (nivelación de temperatura). El objeto a medir debe vincularse al máximo con el sistema de sensor de temperatura.
Los métodos más habituales de medida de temperatura están basados en variaciones de las propiedades de la sustancia u
objetos merced a cambios de temperatura. Fabricamos medidores de temperatura conforme a los siguientes principios de
medición:
Termómetro bimetálico
Principio de funcionamiento
Una tira compuesta por dos chapas de metal de diferentes
coeficientes de dilatación ("bimetal"), laminadas entre sí en
forma inseparable, se deforma a consecuencia de un cambio
de temperatura. La curvatura resultante es casi proporcional
al cambio de temperatura. A partir de las tiras bimetálicas
se desarrollaron dos diferentes formas de sistemas de
medición:
■ Muelle helicoidal
■ Muelle espiral
Los tres sistemas componen un sistema de tubería cerrado.
La presión interior en este sistema se modifica conforme
la temperatura contactada. Merced a ello, el eje de la
aguja unido al resorte experimenta un giro, indicando la
temperatura en la escala. La línea capilar, con longitudes
entre 500 y 10.000 mm, permite mediciones también en
puntos de medición remotos.
Los rangos de visualización van de -40 a +400 °C con
precisiones de clase 1 y 2 según EN 13190.
Termómetros de dilatación de gas con o sin capilar
Principio de funcionamiento
El sistema de medición está compuesto de bulbo, capilar
y tubo elástico en la caja. Estos componentes forman una
unidad. El sistema de medida completo está rellenado a
presión con gas inerte. Si cambia la temperatura, cambia
también la presión interior del bulbo. La presión deforma
el muelle de medición, cuyo movimiento se transmite al
indicador a través de un mecanismo de indicación.
Mediante deformación mecánica de las tiras bimetálicas en
las formas de muelle mencionadas con anterioridad, frente
a un cambio de temperatura se produce un movimiento de
rotación.
Si un extremo del sistema de banda bimetálica está sujetado
en forma firme, el otro extremo hace girar el árbol portaíndice.
Los rangos de visualización van de -70 °C a +600 °C con
precisiones de clase 1 y 2 según EN 13190.
Termómetro de tensión
Principio de funcionamiento
El registro de los valores de medición se realiza mediante el
sistema de medición relleno con líquido, que se compone
de sensor de temperatura, línea capilar y tubo Bourdon.
Las variaciones de la temperatura ambiente son despreciables
porque hay un elemento bimetálico entre el mecanismo de
indicación y el muelle que sirve de compensador.
El rango de visualización va de -200 a +700 °C con precisión
de clase 1 según EN 13190.
Hoja técnica WIKA IN 00.07 ∙ 04/2011 Página 1 de 2
Información técnica
Página 2 de 2 Hoja técnica WIKA IN 00.07 ∙ 04/2011
Conversiones de temperatura
Se busca
Temperatura en
Dados
K °C °F °R °Ré
K x K= °C + 273,15 K= 5/9 (°F + 459,67) K= 5/9 °R K= 5/4 °Ré + 273,15
°C °C= K - 273,15 x °C= 5/9 (°F - 32) °C= 5/9 °R - 273,15 °C= 5/4 °Ré
°F °F= 9/5 K - 459,67 °F= 9/5 °C + 32 x °F= °R - 459,67 °F= 9/4 °Ré + 32
°R °R= 9/5 K °R= 9/5 °C + 491,68 °R= °F + 459,67 x °R= 9/4 °Ré + 491,68
°Ré °Ré= 4/5 K - 218,52 °Ré= 4/5 °C °Ré= 4/9 (°F - 32) °Ré= 4/9 °R - 218,52 x
Límites de error en °C Según DIN EN 13190 para termómetro de aguja
Termómetro de muelle y bimetálico
Puntos fundamentales de las escalas termodinámicas
© 2011 WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, todos los derechos reservados.
Los datos técnicos descritos en este documento corresponden al estado actual de la técnica en el momento de la publicación.
Nos reservamos el derecho de modificar los datos técnicos y materiales.
Instrumentos WIKA, S.A. C/Josep Carner, 11-17 08205 Sabadell (Barcelona)/España Tel. (+34) 933 938 630 Fax (+34) 933 938 666 E-mail info@wika.es www.wika.es
Nombre Símbolo Temperatura en el
punto cero punto triple del
absoluto agua
Kelvin K 0 273.16
Grados Celsius °C -273,15 0,01
Grados Fahren-
heit
°F -459,67 32,01
Grados Rankine °R 0 491,68
Grad Réaumur °Ré -218,52 0
Rango de indi-
cación en °C
Rango de
medida en
°C
Límites de error en ± °C
Clase 1 Clase 2
-20 ... +40 -10 ... +30 1 2
-20 ... +60 -10 ... +50 1 2
-20 ... +120 -10 ... +110 2 4
-30 ... +30 -20 ... +20 1 2
-30 ... +50 -20 ... +40 1 2
-30 ... +70 -20 ... +60 1 2
-40 ... +40 -30 ... +30 1 2
-40 ... +60 -30 ... +50 1 2
-100 ... +60 -80 ... +40 2 4
0 ... 60 10 ... 50 1 2
0 ... 80 10 ... 70 1 2
0 ... 100 10 ... 90 1 2
0 ... 120 10 ... 110 2 4
0 ... 160 20 ... 140 2 4
0 ... 200 20 ... 180 2 4
0 ... 250 30 ... 220 2.5 5
0 ... 300 30 ... 270 5 10
0 ... 400 50 ... 350 5 10
0 ... 500 50 ... 450 5 10
0 ... 600 100 ... 500 10 15
0 ... 700 100 ... 600 10 15
50 ... 650 150 ... 550 10 15
100 ... 700 200 ... 600 10 15
09
/20
11
E b
ase
d o
n 0
4/2
01
1 D
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
Anexo B
Simulador de Control de PID
serie Platinum
Pedro Sánchez Avelar 67
Simulador de Control de PID serie Platinum™ Page 1 of 2
https://mx.omega.com/technical-learning/simulador-control-pid-serie-platinum.html 7/8/2019
Software Software
Artículos Técnicos
Simulador de Control de PID serie Platinum™
En los sistemas industriales modernos, la temperatura es la medida física más común y
los controladores de temperatura son los controladores más comunes. Desde el control
diario de temperaturas de aire y del agua para procesos más complejos (refinerías,
procesamiento de alimentos etc.), el mundo como sabemos es altamente dependiente de
controladores de temperatura. Por lo tanto, muchas universidades y laboratorios
requieren un moderno sistema para enseñar a los estudiantes cómo configurar un
controlador de temperatura y probar con él.
3 Principales retos con controladores de temperatura para la demostración:
• Falta de capacidad de secuencia de control múltiple
• Dificultad para instalar y configurar el producto
• No compatible con LabVIEW® o DASYLab®
Nuestros productos y soluciones
Producto
La unidad de demostración y formación PLATINUM ofrece un simulador de control de PID que es un sistema de control de
temperatura completamente integrado. Es adecuado para uso como una plataforma para los estudiantes técnicos a aprender
los fundamentos del circuito cerrado (PID) y simple control de temperatura encendido/apagado en aplicaciones de calefacción y
refrigeración.
El demostrador de CNPT OMEGA® consiste en lo siguiente: Un controlador (OMEGA tipo CN8DPT-144-C24-EIP-DC o similar)
con un termopar tipo K montado en un sistema de calefacción/refrigeración termoeléctrico que consiste en una unidad Peltier y
resistor de energía y electrónica de control asociada.
Es fácil de instalar la conectividad para comunicación a través de Ethernet, USB o serial tradicional, que está integrado en la
unidad. Consulte el manual para más detalles y características según sea necesario.
Soluciones
Un avanzado Programa de Gestión de Registros y Archivos (RAMP) de múltiples etapa y secuenciador de estabilización soporta hasta 99 perfiles de 8
secuencias de RAMPA Ascendente/Descendente de segmento. Los perfiles pueden vincularse para proporcionar secuencias extendidas y las salidas auxiliares
pueden ser accionadas basados en estados de RAMP o Estabilización Individual para proporcionar control externo de sopladores, mezcladores u otras
funciones de control auxiliar.
Instalador para descargar gratis Software de aplicación Windows® (Configurador de PLATINUM y controlador USB) le permite:
• Instalar completamente todas las funciones/parámetros de PLATINUM;
• Conexión automática a través de un canal de USB;
• Cargar/guardar archivos de Instalación PLATINUM
• Seguimiento de desempeño/Cuadro gráfico con captura de datos
El driver PLATINUM LabVIEW es el controlador de dispositivo de Instrumento Nacional para comunicarse con los controladores
PLATINUM DE OMEGA vía protocolos Modbus® RTU/ASCII y Modbus TCP. El controlador permite fácil acceso a los datos
internos, ajustes instalación y funciones de operación de la familia de productos PLATINUM.
Soporte para el software de fácil uso DASYLab resuelve problemas complejos de control y adquisición de datos por lo que le
permite trabajar con diagramas de flujo directamente en una pantalla de un PC. La alta exactitud de entrada, control de
Simulador de Control de PID serie PLATINUM™
Simulador de Control de PID serie Platinum™ Page 2 of 2
https://mx.omega.com/technical-learning/simulador-control-pid-serie-platinum.html 7/8/2019
proceso avanzado extendida capacidad de secuenciación y opciones flexibles de salida de un controlador PLATINUM pueden
integrarse fácilmente con el rico conjunto de módulos de función proporcionada por el software DASYLab.
Manual e información de instrucciones relacionadas
Página del producto CNPT-DEMO
Revise la hoja de información básica y manual asociado con el Demostrador.
Descargue e instale el software necesario, que incluye el Configurador OMEGA® Platinum y los drivers de USB para Windows® 7 y 8 para su sistema
informático.
Siga los pasos descritos en el manual para habilitar la comunicación con la unidad USB..
Declaración de privacidad OMEGA | Términos y Condiciones | Política de Control de Exportaciones | Métodos de Pago
© Copyright 2003-2019 OMEGA Engineering inc.
OMEGA Engineering | Ave. Arquitecto Pedro Ramirez Vazquez #200 - 13, Colonia Valle Oriente, 66269, San Pedro Garza García, Nuevo León, México | 01800-953-00-93
Software
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
Anexo C
Ficha Técnica “Tetra Pak® High
Shear Mixer”
Pedro Sánchez Avelar 70
Tetra Pak® High Shear Mixer Batch units B200-800 and B300-2000
Highlights
• No-shear and high-shear in the same
mixer as an option
• Gentle blending of particles
• Handles high and low viscosity products
• Low raw material losses
• Low maintenance
Application The batch unit enables high-shear mixing of high viscosi- ty products, dissolving powder ingredients, such as pec- tin, gums and sweeteners, and mixing concentrates, such as sweetened condensed milk.
The efficient mixing system produces homogeneous, lumpfree products, ready for further processing.
Working principle The main component is a mixing tank with a bottom- mounted batch turbo unit. The turbo unit is based on a rotor/ stator principle which ensures optimal processing.
A preset amount of cold or pre-heated liquid is fed into the mixing tank. Powders and dry ingredients are add- ed manually through the manhole. Liquid additives can be emptied out of barrels using a drum-emptying pump, while small containers are emptied and rinsed in the con- centrate charging station.
The raw materials are mixed into a homogenous product. When the desired composition is obtained, the product is discharged to a buffer tank can be prepared in the mixer.
Continuous processing can be achieved using two or more buffer tanks, arranged for alternative filling and emptying. If high capacity drum-emptying is used, the concentrate is emptied directly to the buffer tank.
Recirculation mixing is also possible by choosing the op- tional level control. In this case, the product is pumped from the batch tank to the mixer tank and then back to the batch tank, keeping a constant level in the mixer.
Basic unit Main components
• Mixing vessel
• High-shear turbo unit with water-flushed seal
• Sack table
• Set of valves
• CIP
Materials
All parts in contact with the product are made from stain- less steel AISI 316L. Other parts are made from AISI 304.
Technical data Processing parametres B200-800 B300-2000
Capacity, l/h 800-3 200 2 000-8 000
Number batches, h 1-4 1-4
Dry matter, % ≤ 80 ≤ 80
Viscosity, cP ≤ 2 500 ≤ 2 500
Mixing temperature ≤ 90 ºC ≤ 90 ºC
Oil addition rate, kg/min ≤ 60 ≤ 120
Powder*, kg/min ≤ 125 ≤ 175
Electricity 380-480 V, 50/60 Hz, kW 30/33.5 55/62
Seal water, l/h 10 10
Instrument air, NI/h 100 100
Dimensions
Lenght, mm 2 250 2 800
Width, mm 1 800 2 300
Height, mm 2 600 2 900
* All product capacities depend on viscosity and circulation flow. The amountof powder added depends on the type and quality of the powder. Milkpowder, flavour, sugar, emulsifiers and stablisers.
We reserve the rights to introduce design modifications without prior notice. Tetra Pak, and PROTECTS WHAT’S GOOD are trademarks belonging to the Tetra Pak Group.
www.tetrapak.com
Options • Dynamic stator for gentle blending of particles
• Propeller for the turbo unit
• Water heating system
• Flow meter on inlet
• Inlet pump
• Outlet pump
• Outlet pump for viscous products
• Relay control panel
• Non-standard power supply, e.g. 3x200 V, 3x575 V
• Speed control of mixing unit
• Suction lance
Tetra Pak® High Shear Mixer
© T
etr
a P
ak
Inte
rna
tio
na
l S.A
., 2
01
4, 1
03
39
, GB
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
Anexo D
Ficha Técnica “Tetra Pak®
Mixing unit/Dynamic stator
suitable for Tetra Pak® High
Shear Mixers”
Pedro Sánchez Avelar 73
Propeller
Rotor
Stator
Tetra Pak®
Mixing unit/Dynamic stator suitable for Tetra Pak® High Shear Mixers
The stator in lowered position. High shear mixing.
High Shear Mixing Unit
The high shear mixing unit can process up to 25.000
litres per batch - or typically 10.000 to 70.000 litres per
hour when used in recirculation.
As a result, liquid/liquid, liquid/powder or liquid/solid
ingredients can be mixed, dispersed, homogenised and
emulsified within minutes or seconds, depending on the
formulation.
Application
The Tetra Pak® Mixing unit is applicable within the cat- egories: Prepared food, beverage, ice cream, dairy and cheese.
The patended Dynamic stator system allows the same machine to be used for high/low shear mixing and blend- ing by raising/lowering the stator.
The stator in upper position. Low shear mixing.
Powders and liquids can be mixed in seconds using high shear; the mixture can then be powerfully circulated us- ing no shear. This innovation further enhances the super- ior all-in-one process system.
Dynamic stator
The unique dynamic stator system in the Mixing unit can be pneumatically lowered to allow high shear mixing. When raised, the stator enables blending without shear for the addition of particles. Also, easy foaming powders can be added even under vacuum with minimum rais- ing of foam. The functions of the all-in-one process can be operated manually or managed by PLC control sys- tems with multi-recipe functionallity and reporting. All Tetra Pak® mixing systems are designed and built to the highest sanitary standards.
1 2
Working principle
• The product is drawn into the stator by powerful cent- rifugal forces.
• The speed across the tank wall generated by the mix- ing wheel gives optimum heat transfer when using thejacket or heating, especially when the stator is lifteddue to higher flow.
• High shear mode: The stator is lowered and all productflow is forced through the stator holes to break downparticles and provide a homogenous mix/product.The shear level is determined by the hole size in thestator. The speed of the mixing wheel is regulated byan inverter drive.
• Low shear/blending mode: The stator is raised andthe product flow is fast but gentle. This mode allowsthe addition of particulates/solids to be blended intothe product homogenously (with little or no damage)or chopped using one of our special knife attach- ments.
We reserve the rights to introduce design modifications without prior notice. Tetra Pak, and PROTECTS WHAT’S GOOD are trademarks belonging to the Tetra Pak Group.
www.tetrapak.com
Low Shear mode High Shear mode
4 3
© T
etr
a P
ak
Inte
rna
tio
na
l S.A
., 2
01
4, 1
03
47
, GB
Instrumentación y Control de los parámetros críticos en un proceso de producción de yogurt.
Anexo E
Preparación de cultivos
iniciadores. Optimización del
sustrato de crecimiento.
Pedro Sánchez Avelar 76
Resumen: E-060
U N I V E R S I D A D N A C I O N A L D E L N O R D E S T E C o m u n i c a c i o n e s C i e n t í f i c a s y T e c n o l ó g i c a s 2 0 0 6
Rivas, Franco P. - Garro, Oscar
Facultad de Agroindustrias, UNNE.
Comandante Fernández 755, Sáenz Peña 3700, Chaco, Argentina.
jianfranco@hotmail.com
Antecedentes
La principal característica de las bacterias lácticas del yogurt Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus y
a la cual deben su gran importancia en la industria alimenticia es la acidificación que producen en el medio debido a la
producción de ácido láctico (Becker ,1999; Tamime, 1991); propiedad que fue usada en este trabajo para seguir su
crecimiento.
En la bibliografía y páginas de Internet consultadas el medio de crecimiento mas comúnmente usado es la leche
(Bourgeois, 1995; Ramos, 2002; Beltran; García López; Valbuena, 2005). Las temperaturas óptimas de crecimiento son de 37º-42ºC y de 42º-45ºC para S. thermophilus y L. bulgaricus
respectivamente.
Las bacterias S. thermophilus y L. bulgaricus se desarrollan en una verdadera simbiosis. En esta simbiosis es el S.
thermophilus el que inicia la fermentación láctica y que se desarrolla muy intensamente hasta un pH de 5,5. La acidez,
el consumo de oxigeno y la liberación de sustancias volátiles, por ejemplo ácido fórmico, que produce crea las
condiciones ideales para que se desarrolle L. bulgaricus. Normalmente se utilizan en una relación cuantitativa de 1:1 a
1:3, aproximadamente.
La actividad proteolítica de los lactobacilos estimula, a su vez el crecimiento y la actividad acidificante de los
estreptococos. Los lactobacilos desarrollan aparte una actividad lipolítica, por lo que se liberan ácidos grasos y
producen además acetaldehído, constituyéndose así en los principales productores de aroma del yogurt.
Observados bajo el microscopio se ve que S. thermophilus crece formando pares o cadenas mediante células esféricas
o elipsoides. L. bulgaricus presenta forma de bastoncillo relativamente largo con tendencia a formar cintas (Cayré,
2000; Briceño, 2001; Holt, 2000).
A partir de estos datos se procedió al reconocimiento, aislamiento e investigación sobre medios de cultivos óptimos
para el desarrollo de dichas bacterias.
Materiales y Métodos
Aislamiento de las bacterias del yogurt: se procedió según el método de diluciones sucesivas en agua peptonada y
siembra en medio agarizado de LAPTg y MRS en placa, se utilizó yogures comerciales de varias marcas hasta lograr el
aislamiento de ambas bacterias. Al medio de cultivo se adicionó sorbato de potasio (0.02%) para evitar el crecimiento
de hongos.
Selección de colonias: se seleccionó según la forma de la colonia en placa. S. thermophilus forma colonias típicas
circulares o lenticulares, compactas y con bordes uniformes (1 a 3 mm. de diámetro) y L. bulgaricus forma colonias de
aspecto rugoso con bordes irregulares. Esto no fue comprobado en la práctica en su totalidad debido a las formas de las
colonias y sobre todo al tamaño muy reducido (un mm. aproximadamente), lo cual dificultó su extracción, por lo cual se
precedió a su elección al azar eligiendo las colonias de mayor tamaño.
Se realizó el pasaje individual a nuevas placas y luego a LAPTg y MRS caldos.
Comprobación de la presencia de S. thermophilus y L. bulgaricus: se realizó la tinción de gram, prueba de la catalasa
y observación de la morfología en microscopio.
Comparación de las medios de cultivos: a efectos de determinar que medio es más óptimo para el crecimiento de
dichas bacterias procedimos a la construcción de curvas de crecimiento con sus correspondientes duplicados, cada
bacteria sola y combinadas para comprobar así también la simbiosis, para lo cual se extraían muestras cada dos horas a
las cuales se les realizaron las pruebas:
◼ Acidez: mediante una titulación con NaOH 0,1N con fenoftaleina como indicador. El volumen gastado en
ml (V) se reemplaza en la fórmula para pasar a grados Dornic (ºD) y dividiendo por 100 obtenemos el
porcentaje de ácido láctico formado durante la fermentación:
% Ác.Láctico = 9 V
100
Preparación de cultivos iniciadores. Optimización del sustrato de crecimiento.
Resumen: E-060
U N I V E R S I D A D N A C I O N A L D E L N O R D E S T E C o m u n i c a c i o n e s C i e n t í f i c a s y T e c n o l ó g i c a s 2 0 0 6
48:00:00 36:00:00 24:00:00
Tiempo (h)
12:00:00
pH en Leche
%Ác. Láctico en Leche
pH en LAPTg
%Ác. Láctico en LAPTg
7
6
5
4
3
2
1
0
0:00:00
Crecimiento de Bacilos
◼ pH: con peachímetro digital.
◼ Densidad óptica: en el caso de que la transparencia del medio lo permita con el espectrofotómetro a 560
nm.
Los resultados fueron colocados en las tablas y representados gráficamente.
Dicho procedimiento fue repetido con leche y con LAPTg como medios de cultivo.
Medios de cultivo (Cayre, 2004):
LAPTg: composición en g/litro: extracto de levadura, 10g; peptona, 15g; triptona, 10g; glucosa, 10g; tween 80, 1ml;
agar, 12g; agua destilada, 1 litro. pH final 6,8. Disolver completamente y esterilizar en autoclave a 121ºC durante 15
minutos.
MRS: composición en g/litro: polipeptona, 10g; extracto de carne, 10g; extracto de levadura, 5g; glucosa, 20g; tween
80, 1.08ml; fosfato de potasio, 2g; acetato de sodio, 5g; citrato de amonio, 2g; sulfato de magnesio, 0.2g; sulfato de
manganeso, 0.05g. El pH del medio a una temperatura de 25ºC es de 6.4 0.2
Leche: se utilizó leche comercial larga vida. Para la preparación de los inóculos, se dosificó en los tubos y esterilizó
en autoclave a 121ºC durante 15 minutos.
Discusión de los resultados
Cuando se realizó el aislamiento de las bacterias S. thermophilus y L. bulgaricus se encontró que no se encontraban
ambas en todos los yogures, o lo hacían en muy bajas concentraciones, y dependía de la marca. Se logró aislar ambos
microorganismos de uno de ellos. Se recurrió al medio MRS para favorecer el crecimiento de los bacilos frente al de
los cocos, facilitando la distinción y aislamiento de cada especie.
Las bacterias aisladas resultaron gram positivas y en la prueba de catalasa, todas catalasa negativas.
Cuando las colonias se cultivaron en los tubos de ensayo se observó que los cocos sedimentaban en forma compacta,
mientras que los bacilos lo hacían en forma esponjosa y en mayor cantidad.
En los ensayos realizados se observó mayor crecimiento en las muestras que contenían ambas bacterias y en segundo
lugar el desarrollo varia de acuerdo al medio de cultivo utilizado.
Las mediciones de densidad óptica no pudieron realizarse en la leche; y en el medio LAPTg luego de 12 h de cultivo
se detuvo el crecimiento de las bacterias, pero si continua la acidificación del medio con la generación de ácido láctico.
También fue analizado el efecto de la temperatura en el crecimiento bacteriano realizándose ensayos a las
temperaturas de 37ºC y luego a 40ºC. A la temperatura de 37ºC el pH del medio bajo a 4.4 en un período de 49 horas,
mientras que a 40ºC se llegó al mismo pH en sólo 14 horas, usando LAPTg como medio de cultivo.
Se puede observar en las gráficas que no se presenta la fase lag o de retraso, esto se debió a que el inóculo crecía ya
bajo las mismas condiciones y el mismo medio en el que se realizó el ensayo, el crecimiento continúa a la misma
velocidad. Sin embargo, si el inóculo se toma de un cultivo viejo se presenta una fase lag,
La fase de crecimiento exponencial se dio en horas de la noche, momentos en los que las mediciones no fueron
tomadas, a esto se debe la forma tomada por el recorrido de la curva en las horas comprendidas entre 0 y 12
aproximadamente.
Luego de las 12 horas observamos la fase estacionaria en la cual el crecimiento exponencial se detiene, por la
presencia del ácido láctico que es una sustancia tóxica para los microorganismos. La producción de ácido continúa hasta
las 20 horas de cultivo, a partir de allí se observó una disminución de la viabilidad de las células. El % de ácido láctico
continuó aumentando hasta las 48 horas pero en muy baja proporción.
Fig 1: Curvas de Crecimiento correspondientes a cada bacteria en los diferentes medios de cultivo a 40ºC:
Resumen: E-060
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48:00:00 36:00:00 24:00:00
Tiempo (h)
12:00:00
7
6
5
4
3
2
1
0
0:00:00
Crecimiento de Cocos
pH en Leche
%Ác. Láctico en Leche
pH en LAPTg
%Ác. Láctico en LAPTg
Conclusiones
A través de las sucesivas mediciones se iba confirmando el hecho de un elevado crecimiento relativo del ensayo que
contiene ambas bacterias respecto a los que contenían una sola especie, comprobándose así la simbiosis que se produce
entre el Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus; y dependiendo del medio, las bacterias por separado
lograban un desarrollo más rápido, en leche la mayor y más rápida acidificación la produjeron los cocos, mientras que
en el medio LAPTg los bacilos se desarrollaron más rápido.
El descenso de pH no se correlaciona linealmente con el ácido producido esto es debido a la capacidad buffer de los
medios de cultivo por lo que es importante seguir los dos parámetros durante el desarrollo del ensayo.
Se confirmó también que el medio leche fue el mejor debido a varias cualidades como ser su accesibilidad, economía,
ser práctico, ser el medio natural de crecimiento y tener todos los nutrientes que las bacterias necesitan para su
desarrollo, esto se observa claramente en los gráficos . Así también ha de destacarse las cualidades del medio LAPTg,
como ser la fácil manipulación debido al no solidificarse al momento de la acidificación, mayor visibilidad de los
procesos de crecimiento, como así también permite realizar mediciones de la densidad óptica del cultivo.
La temperatura fue también una variable muy importante, debido que un pequeño aumento en la temperatura desde
37ºC a 40ºC produjo una gran reducción en el tiempo de crecimiento,
Bibliografía:
Jeffrey M. Becker, Guy A. Caldwell y Eve Ann Zachgo. (1999) Biotecnología: Curso de prácticas de laboratorio.
Editorial Acribia, S.A. Zaragoza (España).
C.M. Bourgeois y J.P. Larpent. (1995). MICROBIOLOGIA ALIMENTARIA. VOLUMEN 2: FERMENTACIONES
ALIMENTARIAS. Acribia.
Ana Graciela Briceño, Raúl Martínez y Karely García (2001) Tecnología de Alimentos. Viabilidad y Actividad de la
Flora Lactica (Streptococcus salivarius ssp thermophilus y Lactobacillus delbrueckii ssp bulgaricus) del yogurt en
Venezuela. Acta Científica Venezolana, 52:46–54
48:00:00 36:00:00 24:00:00
Tiempo (h)
12:00:00
7
6
5
4
3
2
1
0
0:00:00
Crecimiento de Cocos+Bacilos
pH en Leche
%Ác. Láctico en Leche
pH en LAPTg
%Ác. Láctico en LAPTg
Resumen: E-060
U N I V E R S I D A D N A C I O N A L D E L N O R D E S T E
C o m u n i c a c i o n e s C i e n t í f i c a s y T e c n o l ó g i c a s 2 0 0 6
María E Cayré,.Graciela Vignolo,. Oscar Garro. (2004).- Modelo dinámico para el crecimiento de bacterias lácticas
sobre emulsiones cárnicas. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE. Comunicaciones Científicas y
Tecnológicas
María Dolores García López y Federico Uruburu Fernández. LA CONSERVACIÓN DE CEPAS
MICROBIANAS.Colección Española de Cultivos Tipo (CECT). Universitat de València. 46100 Burjassot (Valencia).
John G. Holt, Noel R. Krieg, Peter M. A. Sneath, James T. Staley, Stanley T. Williams. (2000) Bergey`s Manual of
DETERMINATIVE BACTERIOLOGY Ninth Edition. Lippincott WILLIAMS & WILKINS. Philadelphia.
Y. Tamime y R. K. Robinson. (1991) YOGUR- Ciencia y Tecnología. Editorial Acribia, S.A. Zaragoza,
Emiro Valbuena, José Barreiro, Egar Sanchez, (2005) Modelos cinéticos aplicados al crecimiento de lactococcus lactis
subsp. lactis en leche. rc, dic. 2005, vol.15, no.5, p.464-475.ISSN0798-2259.Revista Científica
Maria E Cayré, Oscar A Garro. (2000). Guía de Trabajos Prácticos de Laboratorio de la cátedra Microbiología de los
Alimentos. Facultad de Agroindustrias. UNNE.
Roberto Ramos, (2002). http://www.geocities.com/roberto_raul/crecimiento.html
Daniel Beltran. http://www.freewebs.com/biotecvida9/lactica.htm