UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA...
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL DE LECHE DESCREMADA DE VACA TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA DE ALIMENTOS CARINA ALEXANDRA FERNÁNDEZ TACO DIRECTOR: ING. MANUEL CORONEL Quito, marzo 2015
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS
MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL DE LECHE DESCREMADA
DE VACA
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERA DE ALIMENTOS
CARINA ALEXANDRA FERNÁNDEZ TACO
DIRECTOR: ING. MANUEL CORONEL
Quito, marzo 2015
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo CARINA ALEXANDRA FERNÁNDEZ TACO, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Carina Fernández Taco
C.I. 172042823-2
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por Título “Microfiltración
Tangencial de leche descremada de vaca”, que, para aspirar al título de
Ingeniera en Alimentos fue desarrollado por Carina Alexandra Fernández
Taco, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la
Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de
Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Ingeniero Manuel Coronel
DIRECTOR DELTRABAJO
C.I. 171062522-7
DEDICATORIA
A la persona que más amo en este mundo, mi mami Mónica, cuya vida es
ejemplo de sacrificio, superación y constancia.
A mi hermosa familia, mis hermanos y tíos, con quienes siempre he contado,
su apoyo constante, enseñanza e impulso, son fundamentales para ver hoy
culminada una de mis metas.
Carina Fernández
AGRADECIMIENTO
Una gratitud a mi madre, hermanos y tíos, que con su guía, apoyo
incondicional, confianza, respeto y amor inculcaron en mí las ganas de
superación, y por este legado infinitas gracias.
Al Divino Niño Jesús, que es mi fortaleza y refugio.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial, en especial a la facultad de
Ingeniería de Alimentos, al Ingeniero Jorge Viteri, PhD, Decano de La
Facultad de Ciencias de la Ingeniería, a la Ingeniera Carlota Moreno
Coordinadora de la Carrera de Ingeniería de Alimentos, por su entrega de
conocimientos, a mi director el Ingeniero Manuel Coronel, por su valiosa guía
en el desarrollo de esta investigación de titulación.
A mis amigos y amigas, por su colaboración incondicional y empuje, con
quienes siempre he contado muchas gracias.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN vii
ABSTRACT viii
1. INTRODUCCIÓN 1
2. MARCO TEÓRICO 3
2.1 GENERALIDADES DE LA LECHE DE VACA 3
2.1.1 CONCEPTO 3
2.1.2 COMPONENTES DE LA LECHE DE VACA 3
2.1.3 MICROBIOLOGÍA 6
2.1.4 INFORMACIÓN NUTRICIONAL 6
2.1.5 CLASIFICACIÓN DE LA LECHE DE VACA 8
2.1.6 APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA DE
MICROFILTRACIÓN EN LA INDUSTRIA LÁCTEA 8
2.2 REOLOGÍA DE LA LECHE 10
2.2.1 DEFINICIÓN 10
2.2.2 DEFORMACIÓN 11
2.2.3 FLUIDO 11
2.2.4 TIPOS DE FLUIDOS 12
2.2.5 FLUIDOS NEWTONIANOS 13
2.3 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS 14
2.3.1 INTRODUCCIÓN 14
ii
2.3.2 SEPARACIÓN POR MEMBRANAS 15
2.3.3 DEFINICIÓN DE MEMBRANA 17
2.4 TECNOLOGÍA DE MICROFILTRACIÓN 18
2.5 MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL 20
2.5.1 VENTAJAS DE LA MFT 22
2.5.2 APLICACIONES DE LA MFT 23
2.6 OPERACIONES Y PROCESOS 23
2.6.1 EFICIENCIA DE LA MEMBRANA 24
2.6.2 FUERZA IMPULSORA 24
2.6.3 PARÁMETROS LIMITANTES EN MICROFILTRACIÓN
TANGENCIAL 25
2.6.3.1 PRESIÓN TRANSMEMBRANA 25
2.6.3.2 FLUJO DE PERMEADO 26
2.6.3.3 FACTOR DE REDUCCIÓN VOLUMÉTRICO (FRV) 27
2.6.3.4 VELOCIDAD TANGENCIAL (U) 27
2.6.3.5 COEFICIENTE DE RETENCIÓN 28
3. METODOLOGÍA 29
3.1 CARACTERIZACIÓN DE LECHE DESCREMADA 29
3.2 MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL 29
3.3 FACTORES EN ESTUDIO PARA LA MICROFILTRACIÓN
TANENCIAL DE LECHE DESCREMADA DE VACA 30
3.4 ANÁLISIS 30
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 31
4.1 CARACTERIZACIÓN DE MATERIA PRIMA 31
4.2 MICROFILTRACIÓN 31
iii
4.2.1 MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL 31
4.3 PROCESO DE MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL 32
4.3.1 Presión 1.5 Bar 32
4.3.2 Presión 2.0 Bar 37
4.3.3 FLUJO TRANSMEMBRANA PROMEDIO 41
4.3.4 FACTOR DE RETENCIÓN VOLUMÉTRICO 42
4.3.5 ANÁLISIS 43
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 47
5.1 CONCLUSIONES 47
5.2 RECOMENDACIONES 48
BIBLIOGRAFÍA 49
ANEXOS 54
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Requisitos microbiológicos de la leche cruda 6
Tabla 2. Aporte de energía y nutrientes de la leche de vaca 7
Tabla 3. Contenido de minerales en la leche de vaca 7
Tabla 4. Requisitos del contenido de grasa presente en la leche 8
Tabla 5. Ventajas e inconvenientes de la separación por membranas. 16
Tabla 6. Características del tipo de flujo del alimento en la MF A) Flujo
Normal, B) Flujo Tangencial. 21
Tabla 7. Factores en estudio 30
Tabla 8. Factores obtenidos del proceso de microfiltración tangencial 32
Tabla 9. Porcentajes de macronutrientes y densidad de las tres
corrientes del proceso de microfiltración tangencial 43
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Componentes de la Leche 4
Figura 2. Principales componentes de la Leche de vaca 5
Figura 3. Distribución por tamaño de las principales partículas
presentes en la leche cruda 5
Figura 4. Esquema de los tipos de fluidos existentes en reología 12
Figura 5. Curvas características para un fluido newtoniano 14
Figura 6. Principios de filtración con membranas 16
Figura 7. Representación esquemática de dos medios separados por
una membrana. 17
Figura 8. Diferencia de presión a la que está sometida el flujo
tangencial en microfiltración 24
Figura 9. Flujo transmembrana a 15°C (1,5 Bar) 33
Figura 10. Flujo transmembrana a 25°C (1,5 Bar) 34
Figura 11. Flujo transmembrana a 35°C (1,5 Bar) 35
Figura 12. Comparación de la influencia de la temperatura (15°C, 25°C
y 35°C) en el flujo transmembrana a 1,5 Bar 36
Figura 13. Flujo transmembrana a 15°C (2 Bar) 37
Figura 14. Flujo transmembrana a 25°C (2 Bar) 38
Figura 15. Flujo transmembrana a 35°C (2 Bar) 38
Figura 16. Comparación de la influencia de la temperatura (15°C, 25°C
y 35°C) en el flujo transmembrana a 2 Bar de presión 39
Figura 17. Comparación del flujo transmembrana JP (L/h*m2) en los
tratamientos a 1.5 Bar y 2.0 Bar de presión aplicando los
tres niveles de temperatura (15°C, 25°C y 35°C) 41
Figura 18. Comparación del FRV en los tratamientos a 1.5 Bar y 2.0 Bar
de presión aplicando los tres niveles de temperatura (15°C,
25°C y 35°C) 42
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 54
ANEXO II
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE MICROFILTRACIÓN
TANGENCIAL DE LECHE DESCREMADA DE VACA 55
ANEXO III
RECUPERACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DE LA MEMBRANA 56
ANEXO IV
MÉTODO GERBER PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE
GRASA EN LA LECHE (NTE INEN 12:73) 58
ANEXO V
TABLAS DE DATOS 60
vii
RESUMEN
El objetivo de esta investigación, fue estudiar el proceso de microfiltración
tangencial de leche descremada de vaca, se utilizó una membrana con un
tamaño de poro de 0.5 µm. Se aplicaron dos niveles de presión 1.5 y 2.0
Bar, cada uno con tres distintas temperaturas 15°C, 25°C y 35°C. Para cada
tratamiento, se determinó: temperatura (°C), flujo transmembrana (JP = l/h-
1m-2), volumen de alimentación, retenido y permeado, presión (Bar) y
rendimiento (FRV) y en cada una de las corrientes del proceso
(alimentación, permeado y concentrado) se analizó: el contenido de grasa,
solidos no grasos, densidad, proteína, lactosa y agua. Los mayores flujos
transmembrana se obtuvieron a 35 ºC tanto para 2.0 Bar (30.24 L/h-1m-2)
como para 1.5 Bar (26.02 L/h-1m-2) este comportamiento puede deberse a la
influencia inversamente proporcional de la temperatura sobre la viscosidad
de la leche. Se observó que para la presión de 1.5 Bar los valores de FRV
fueron los más altos, a 15 ºC se reportó un valor de 1.85, mientras que para
2 Bar el FRV mayor fue de 1.37 a 35 ºC, no se presentó diferencia
significativa entre los tratamientos a la misma presión. En el permeado el
contenido de grasa (%) estuvo bajo el límite no detectable del método para
todos los tratamientos; en tanto que la densidad, los sólidos no grasos,
proteína y lactosa disminuyeron, en el permeado, con respecto a su
contenido en la alimentación, indicando que estos compuestos son retenidos
por la membrana y por tanto se podría afirmar que los tamaños de estas
moléculas son mayores a 0.5 µm.
El proceso de microfiltración tangencial aplicado en este estudio permitió
obtener un producto libre de grasa, sin embargo presenta contenidos bajos
de proteína y otros macronutrientes.
viii
ABSTRACT
The objective of this investigation was to study the cross flow micro-filtering
process of cow skimmed milk, was used a membrane with a pore size of 0.5
µm. Two levels of pressure were applied 1.5 Bar and 2 Bar; each level with
three different temperatures 15°C, 25°C, and 35°C. For each processing was
determined: temperature (°C), transmembrane flow (JP = l/h-1m-2), feed
volume, retentate and permeate, pressure (Bar) and performance (FRV) and
these were analyzed to each flux process (feed, retentate and permeate): the
contents of fat, nonfat solids, density, protein, lactose and water. The higher
transmembrane fluxes were obtained at 35 °C for both pressures 2.0 Bar
(30.24 L/h-1m-2) and 1.5 Bar (26.02 L/h-1m-2). This behavior can be due to the
inverse effect of temperature on the viscosity of the milk. It was observed that
to 1.5 Bar pressure the FRV values were the highest, at 15 °C a value of 1.85
was reported, while for 2.0 Bar the greatest FRV was 1.37 at 35 °C, there
wasn’t found a significant difference between the treatments at the same
pressure. In the permeate the fat content (%) was under of the not detectable
limit of the method for all treatments; while the density, nonfat solids, protein
and lactose decreased in the permeate, relative to its content in the feed,
indicating that these compounds are retained by the membrane and therefore
one could argue that the size of these molecules are greater than 0.5 µm.
The crossflow microfiltration process applied in this study allowed have a
product free of fat, however it presents lower protein contents and other
nutrients.
1
1. INTRODUCCIÓN
La industria láctea, constantemente busca aplicar nuevas tecnologías en la
producción y conservación de los alimentos, con el objeto de aumentar su
inocuidad y vida útil, conservando sus propiedades y nutrientes (Binetti,
Bailo, & Reinheimer, 2004).
La microfiltración ha surgido como una tecnología de separación que usa
membranas, con tres aplicaciones fundamentales en la producción de
lácteos: eliminación de microorganismos, remoción de la grasa de suero y
enriquecimiento en caseína micelar durante la elaboración quesera. Pero no
se ha profundizado en el estudio del proceso en sí, combinando variables
que influyan sobre el flujo de permeado (Binetti, Bailo, & Reinheimer, 2004).
La microfiltración, permite concentrar un líquido por retención de los
componentes de mayor tamaño respecto al diámetro del poro de la
membrana. Los diámetros del poro oscilan entre 0.1 y 10µm, según el tipo
de componente que se desee retener. En microfiltración tangencial, el flujo
de alimentación es conducido paralelamente a la superficie de la membrana,
con el objetivo de evitar la acumulación de depósitos en la superficie de
filtración (Coronel, 2012; Flanzy, 2003).
En la industria de alimentos, la mayor aplicación de las tecnologías de
membranas, comprende la industria de bebidas y la de productos lácteos, su
gran desarrollo surge a partir de los años 60. La primera aplicación conocida
en la industria láctea es en el tratamiento de lacto suero (Pérez, 2007).
Durante el proceso de microfiltración tangencial, se debe controlar diversos
parámetros, aún más si la alimentación es la leche, un fluido sumamente
susceptible a cualquier cambio, entre estos los más importantes son la
presión y acidez. Arias y Espinel (2006), en su estudio sobre la “Evaluación
de la utilización de microfiltración tangencial para la fabricación de queso y
2
aprovechamiento de lactosuero” trabajaron a una presión de 2.5 bar a 20°C,
temperatura a la cual se evitan daños en las propiedades de la leche.
La temperatura es directamente proporcional al flujo transmembrana e
inversamente proporcional a la viscosidad, parámetro que causa colmatación
de la membrana. Tanto la presión como la temperatura tienen efecto sobre la
colmatación, haciendo que las partículas que se encuentran sobre la
membrana se aglomeren y no permitan el paso del líquido a través de esta
por el taponamiento de los poros y la formación de la torta, disminuyendo así
el flujo (Fan, 2007; Alais, 2003; Arias & Espinel, 2006; Huisman, 1994).
La finalidad de este estudio, como aporte al Proyecto de Desarrollo de
Productos Lácteos Aplicando Microfiltración Tangencial, de la Universidad
Tecnológica Equinoccial, es aplicar distintos niveles de presión (1.5 y 2.0
Bar) y temperatura (15°C, 25°C y 35°C) en el proceso de microfiltración
tangencial de leche descremada de vaca y determinar los diferentes factores
del proceso.
OBJETIVOS
Objetivo General
Estudiar el proceso de microfiltración tangencial de leche descremada de
vaca.
Objetivos Específicos
Caracterizar la materia prima (leche descremada de vaca).
Aplicar distintos niveles de presión y temperatura al proceso de
microfiltración tangencial de leche descremada de vaca.
Determinar el contenido de grasa, solidos no grasos, densidad,
proteína, lactosa y agua de la leche descremada en los procesos
de microfiltración tangencial.
3
2. MARCO TEÓRICO
2.1 GENERALIDADES DE LA LECHE DE VACA
2.1.1 CONCEPTO
La Norma NTE INEN 9:2012 define a la leche como “el producto de la
secreción mamaria normal de animales bovinos lecheros sanos, obtenida
mediante uno o más ordeños diarios, higiénicos, completos e
ininterrumpidos, sin ningún tipo de adición o extracción, destinada a un
tratamiento posterior previo a su consumo”.
Además, se define a la leche cruda como la leche que no ha sido sometida a
ningún tipo de calentamiento, es decir su temperatura no ha superado la de
la leche inmediatamente después de ser extraída de la ubre (no más de
40°C).
Según el CODEX ALIMENTARIUS la leche es “la secreción mamaria normal
de animales lecheros, obtenida mediante uno o más ordeños sin ningún tipo
de adición o extracción, destinada al consumo en forma de leche líquida o a
elaboración ulterior”.
2.1.2 COMPONENTES DE LA LECHE DE VACA
La leche, como se muestra en la Figura 1, está constituida por un elevado
porcentaje de agua (87.25%), en la cual se encuentran disueltos lípidos
(3.5%), proteínas y otras sustancias nitrogenadas (4%), carbohidratos (4.5%)
y sales (0.75%), cuyo contenido puede variar por múltiples factores. Su
densidad a una temperatura de 15°C, oscila entre 1.029 a 1.033, y su pH a
4
una temperatura de 25°C, oscila entre 6.5 y 6.7, siendo el valor más común
el de 6.6 (Aranceta & Serra, 2004; Ramírez, 2006; Rigaux, 2008). Los
principales componentes de la leche se muestran en la Figura 2.
Figura 1. Componentes de la Leche
(Aranceta & Serra, 2004; Ramírez, 2006; Rigaux, 2008)
La proteína de la leche tiene un alto valor biológico y está formada por
caseínas (aprox. 80%) y por las proteínas del suero, principalmente lacto-
albúmina y lacto-globulina (aprox. 20%). El aspecto característico de la leche
se debe principalmente a las proteínas y sales de calcio disueltas en ella, el
color amarillo de la crema se debe a la presencia de caroteno (Aranceta &
Serra, 2004; Jácome & Molina, 2008).
Los lípidos figuran entre los constituyentes más importantes de la leche, ya
que confieren características únicas de sabor, contenido nutricional y
propiedades físicas. La grasa de la leche es una mezcla de diferentes ácidos
grasos (saturados e insaturados) y glicerol, se presenta como glóbulos
liposolubles (diámetro aprox. 4μ) dispersos en forma de emulsión, la cualse
estabiliza por una membrana delgada de fosfolípidos y colesterol que rodea
cada glóbulo, es el medio de transporte de las vitaminas liposolubles A, D, E,
y K (Gčosta & López, 2003; CANILEC, 2011).
87,25
3,5 4 4,5 0,75 Agua
Materia Grasa
Proteínas (caseína)
Carbohidratos
Sales minerales
5
Figura 2. Principales componentes de la Leche de vaca
(Jácome & Molina, 2008)
El azúcar principal en la leche es la lactosa, aunque también se encuentran
pequeñas cantidades de glucosa, galactosa y sacarosa. La lactosa le
confiere el sabor dulce característico a la leche. Tiene la propiedad de ser
fermentada por bacterias lácticas, dando lugar a la formación de ácido
láctico (López & Vásquez, 2007).
La leche cruda contiene partículas en suspensión con rangos de distribución
por tamaño bien definidos, detallados en la Figura 3, están representados
por células somáticas (15-6 μm), glóbulos grasos (15-0.2 μm), bacterias (6-
0.2 μm) y micelas de caseína (0-0.03 μm)(Aranceta & Serra, 2004).
Figura 3.Distribución por tamaño de las principales partículas presentes en la leche cruda
(Aranceta & Serra, 2004)
6
2.1.3 MICROBIOLOGÍA
La leche constituye un producto altamente perecedero, es un medio
excelente para el crecimiento de la mayor parte de los microorganismos. Los
requisitos microbiológicos de la leche cruda se presentan en la Tabla 1, su
composición y pH (6.5 – 6.7) permiten el desarrollo de bacterias, mohos y
levaduras, además, puede ser vehículo de bacterias patógenas para el
hombre, como Mycobacterium tuberculosis, Brucella, Salmonella,
Escherichiacoli, Listeria monocytogenes, etc. En la leche también pueden
estar presentes micotoxinas y mohos (Penicillium) (Pascual & Calderón,
2000).
La mayoría de microorganismos presentes en la leche cruda, son bacterias
no patógenas, que pertenecen a los géneros Streptococcus, Lactococcus,
Propionibacterium y Lactobacillus (Hernández, 2003).
Tabla 1. Requisitos microbiológicos de la leche cruda
Requisito Límite
máximo Método de
ensayo
Recuento de microorganismos aerobios, mesófilos REP, UFC/cm
3 1.5 x 106
NTE INEN 1529:-5
Recuento de células somáticas/cm3
7.0 x 105
AOAC – 978.26
(Norma NTE INEN 9:2012)
2.1.4 INFORMACIÓN NUTRICIONAL
De acuerdo con la Organización para la Alimentación y la Agricultura (FAO),
la leche es una fuente primordial de nutrimentos; cuenta con nueve
componentes esenciales que necesita el cuerpo diariamente para
mantenerse fuerte y sano.
7
Es un alimento casi completo, ya que sólo es pobre en hierro, vitamina D y
C. Su riqueza en energía, proteínas de fácil asimilación, grasa, calcio,
fósforo y varias vitaminas hacen de la leche sea un alimento básico del
lactante y el niño en sus primeros cuatro años de vida y en general en las
siguientes etapas de la vida del hombre. La Tabla 2 muestra su aporte
nutricional (Garduño, 2012; CANILEC, 2011).
Tabla 2. Aporte de energía y nutrientes de la leche de vaca
(Aranceta & Serra, 2004)
Su contenido en sales minerales, especialmente calcio y zinc, se observan
en la Tabla 3. Las vitaminas presentes en la leche de vaca son la A (700
UI/l), D (13.7 UI/l - 33 UI/l), B1 (450 mg/l), B2, B12 y C (Espinoza, 2001).
Tabla 3.Contenido de minerales en la leche de vaca
(Espinoza, 2001)
Tipo Proteínas Grasa Carbohidratos Energía Calcio
Cada 100g g g g kJ mg
Regular 3.3 3.8 4.7 271 114
Semidescremada 3.9 1.4 5.3 204 137
Descremada 4.6 0.2 6.5 187 160
Minerales mg/litro
Calcio 1200
Hierro 0.5
Magnesio 120
Zinc 3.5
Sodio 500
Potasio 1500
Selenio 10
Cobre 0.09
Yodo 100-770
8
2.1.5 CLASIFICACIÓN DE LA LECHE DE VACA
La leche de vaca de acuerdo a su procesamiento y composición, tiene
diversas clasificaciones. La Norma Técnica INEN 10:2012 define tres tipos
de leche según su contenido graso, presentes en la Tabla 4:
Tabla 4.Requisitos del contenido de grasa presente en la leche
LECHE
Entera Semidescremada Descremada
Contenido de Grasa (%)
Min. Max. Min. Max. Min. Max.
3.0 - ≥ 1.0 < 3.0 - < 1.0
(Norma NTE INEN 10:2012)
2.1.6 APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA DE MICROFILTRACIÓN EN
LA INDUSTRIA LÁCTEA
La microfiltración tangencial es un proceso importante, cuyo uso en la
industria láctea tiene varios propósitos. Se puede lograr la separación de: las
bacterias de la leche entera o descremada, la grasa de la leche entera y
micelas de caseína de las proteínas solubles. El suero puede ser
descremado y clarificado para la posterior producción de concentrados de
proteína de suero de leche de alta calidad (Merin & Daufin, 1990).
Binetti et al. (2004), describen las siguientes aplicaciones:
- Remoción de microorganismos en la leche fluida
La leche procesada por microfiltración, en cuanto a carga microbiana,
experimenta en promedio, una reducción de 5 órdenes log en el
recuento total, 4 en el de las bacterias psicotrofas y 2 en el de
bacterias coliformes. El tiempo de vida útil de esta leche puede
9
extenderse a un periodo mínimo de 28 días en condiciones
adecuadas de almacenamiento (4-6 °C).
- Leche para quesería
El uso de leche microfiltrada proporciona a la industria quesera un
completo control sobre la materia prima, minimiza el riesgo sanitario,
elimina una alta proporción de bacterias formadoras de esporas,
suprime la adición de nitratos, y permite determinar y caracterizar el
rol exacto que desempeña cada especie microbiana durante la
maduración del queso.
- Purificación de salmueras
El uso de la microfiltración para la purificación de salmueras se lleva a
cabo en equipos PTU (presión transmembrana uniforme) con
membranas de 1.4 o de 0.8 μm, reteniendo completamente levaduras
y hongos, así como el 99.9% de las bacterias contaminantes y una
fracción minoritaria de sales de calcio y de materia nitrogenada.
- Separación selectiva de caseína micelar
El retenido de microfiltración es una solución enriquecida en caseína
micelar. Esta caseína deshidratada puede usarse para fortificar leche
de quesería o para la purificación de las distintas fracciones de
caseína.
- Fraccionamiento selectivo de glóbulos grasos
La separación por tamaño de los glóbulos grasos es una metodología
para la que recientemente se ha propuesto el uso de membranas
especiales de cerámica, que minimizan el daño producido sobre la
10
membrana de los mismos. La leche con glóbulos grasos de un
diámetro menor a 2 μm contribuye a mejorar la textura y palatabilidad
de ciertos productos lácteos (crema, leche fluida, quesos, etc.).
- Remoción de grasa de suero
Optimiza la remoción total de la grasa residual del suero y de los
microorganismos y la separación del complejo fosfolipídico de calcio
agregado. Este producto adquiere propiedades espumantes.
2.2 REOLOGÍA DE LA LECHE
2.2.1 DEFINICIÓN
La reología es la ciencia del flujo y la deformación, se define como parte de
la mecánica que estudia la elasticidad, plasticidad y viscosidad de la materia,
desde gases a sólidos. El término procede de la palabra griega rheos, que
significa flujo (Gčosta & López, 2003; Ramírez, 2006).
La reología se utiliza en la ciencia de los alimentos para definir la
consistencia de diferentes productos, y viene descrita por dos componentes,
la viscosidad (lo “espeso” que es un producto, o la dificultad para deslizarse)
y la elasticidad (“tenacidad”, estructura). En la práctica, la reología será útil
para medir la viscosidad, la caracterización del comportamiento del flujo y la
determinación de la estructura del material (Gčosta & López, 2003).
Las características reológicas de un fluido son uno de los criterios esenciales
en el desarrollo de productos en el ámbito industrial. Frecuentemente, éstas
determinan las propiedades funcionales de algunas sustancias e intervienen
11
durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el
diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado,
almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo
(textura) (Gčosta & López, 2003).
Las propiedades reológicas se definen a partir de la relación existente entre
fuerza y su respuesta, ya sea como deformación o flujo. Todo fluido se va
deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas
externas. Dicho sistema de fuerzas se representa matemáticamente
mediante el esfuerzo cortante “τxy”, mientras que la respuesta dinámica del
fluido se cuantifica mediante la velocidad de deformación “γ” (Ramírez,
2006).
2.2.2 DEFORMACIÓN
La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a
esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el
mismo. Los cuerpos se deforman cuando sobre ellos actúa una fuerza, así
pues, a cada esfuerzo aplicado le corresponde una deformación relativa,
cuya magnitud depende del material considerado (Ramírez, 2006).
2.2.3 FLUIDO
Un fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo
la acción de un esfuerzo de corte, por tanto, en ausencia de este, no habrá
deformación. La relación entre el esfuerzo de corte requerido para inducir
una determinada velocidad de deformación en corte, caracteriza el
comportamiento reológico de un fluido (Ramírez, 2006).
12
2.2.4 TIPOS DE FLUIDOS
Existen 3 tipos de fluidos que se muestran en la Figura 4: Newtonianos
(proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación);
No Newtonianos (no hay proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la
velocidad de deformación); Viscoelásticos (se comportan como líquidos y
sólidos, presentando propiedades de ambos). La relación entre el esfuerzo
cortante aplicado y la velocidad viene dada por la Ecuación 1 (Ramírez,
2006).
τxy = μdu
dt= 𝜇 . γ [1]
Donde:
- τxy= el esfuerzo cortante (mPa),
- µ = la viscosidad dinámica del fluido (mPa·s),
- γ =la velocidad de deformación del fluido (s-1) =du/dy.
Figura 4. Esquema de los tipos de fluidos existentes en reología
(Ramírez, 2006)
13
2.2.5 FLUIDOS NEWTONIANOS
Los fluidos que obedecen la ley de viscosidad de Newton, se llaman fluidos
newtonianos. En los fluidos newtonianos existe una relación lineal entre el
esfuerzo cortante τyz y el gradiente de velocidad dvz/dy (velocidad de
deformación). Esto significa que la viscosidad µ es constante y no depende
de la velocidad cortante (Ramírez, 2006; Gčosta & López, 2003).
De esta forma, un fluido Newtoniano se puede definir mediante un único
valor de viscosidad para una determinada temperatura. Se debe tener en
cuenta que la viscosidad de un fluido newtoniano no depende del tiempo de
aplicación del esfuerzo, aunque si puede depender tanto de la temperatura
como de la presión a la que se encuentre. La resistencia que el líquido
ofrece al flujo se denomina viscosidad, la cual disminuye a medida que
aumenta la temperatura (variaciones de hasta un 10% por cada °C
modificado) y decrece la presión (variaciones mínimas) (Ramírez, 2006;
Gčosta & López, 2003).
En los líquidos, la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura. Puesto
que los líquidos son esencialmente incomprensibles, la presión no afecta su
viscosidad. En el caso de fluidos newtonianos, la viscosidad se determina
aplicando una sola velocidad de corte y midiendo el esfuerzo cortante
correspondiente. Para una mejor comprensión de este tipo de fluido se
representan dos tipos de gráficas, la “Curva de Fluidez” y la “Curva de
Viscosidad” en la Figura 5. En la Curva de Fluidez se grafica el esfuerzo
cortante frente a la velocidad de deformación (τ vs ƴ), mientras que en la
Curva de Viscosidad se representa la viscosidad en función de la velocidad
de deformación (µ vs ƴ) (Ramírez, 2006).
Muchos materiales alimenticios como leche entera y desnatada, jugo de
manzana, jugo de naranja, vino, cerveza, agua tienen un comportamiento
newtoniano (Gčosta & López, 2003).
14
Figura 5. Curvas características para un fluido newtoniano
(Ramírez, 2006)
2.3 TECNOLOGÍA DE MEMBRANAS
2.3.1 INTRODUCCIÓN
La tecnología de membranas en la conservación y obtención de alimentos,
se utiliza para concentrar o bien fraccionar un líquido. El proceso de
separación se fundamenta en la permeabilidad selectiva de los componentes
de la alimentación a través de la membrana debido al tamaño del poro y
otros fenómenos de polarización por concentración. Los procesos de
filtración más importantes que funcionan con la gradiente de presión como
fuerza motriz, para la industria alimentaria son: Microfiltración (MF),
Ultrafiltración (UF), Nanofiltración (NF) y Ósmosis Inversa (OI) (Laverde,
2010).
b) Curvas de Fluidez a) Curvas de Viscosidad
ƴ
µ
ƴ
τ
15
Según Raventós (2005) las ventajas de la utilización de esta tecnología en la
industria alimentaria son:
- Mejora de la calidad de los productos (nutricional, bacteriológica y
funcional).
- Reducción de los costes de producción, aumento del rendimiento,
automatización de los procesos.
- Nuevos productos y solución a los problemas medioambientales.
2.3.2 SEPARACIÓN POR MEMBRANAS
Definiciones segúnGčosta & López (2003):
- Alimentación: solución a ser concentrada o fraccionada.
- Flujo: la velocidad de extracción de permeado medido en litros por
metro cuadrado de superficie de membrana y por hora (Lh-1m-2).
- Colmatación: deposición de sólidos sobre la membrana, irreversible
durante el procesado.
- Permeado: filtrado, el líquido que pasa a través de la membrana.
- Retenido: concentrado, los componentes que no atravesaron la
membrana.
La tecnología de membranas tiene muchas ventajas, descritas en la Tabla 5,
comparada con otras técnicas de separación convencionales. Pero, tiene
como desventaja importante la colmatación de la membrana, que hace
disminuir el flujo, con lo que el tiempo de filtración aumenta, lo que requiere
una limpieza más frecuente e incrementa el coste y el tiempo entre
filtraciones. El tamaño de las partículas de la alimentación y sus propiedades
químicas determinan las características estructurales, como el tamaño y la
distribución de los poros de las membranas en cada proceso (Raventós
Santamaría, 2005).
16
Tabla 5.Ventajas e inconvenientes de la separación por membranas.
Ventajas Desventajas
- No es necesario calentar el
alimento (no hay perdida de
productos termolábiles).
- La concentración por
membranas no exige un
cambio de fase.
- Tiene pocas exigencias de
espacio.
- Inversión inicial importante
- Variaciones del flujo del
producto que se quiere filtrar.
- Obstrucción de la membrana,
que reduce el tiempo de
funcionamiento efectivo entre
dos sesiones de limpieza
consecutiva.
(Raventós Santamaría, 2005)
En la Figura 6 se observan los modelos generales de flujo, el tamaño de las
partículas retenidas y la presión aplicada de los distintos sistemas de
separación por membranas.
Ósmosis inversa (OI)
30-60Bar
Nanofiltración (NF)
20-40Bar
Ultrafiltración (UF)
1-10Bar
Microfiltración (MF)
<1Bar
104 -10
4µm
10-3
-102 µm
102-10
-1 µm
10-1
-101
µm
Figura 6.Principios de filtración con membranas
(Gčosta & López, 2003)
Bacterias, Grasa
Proteínas
Lactosa
Sales minerales
Agua
17
2.3.3 DEFINICIÓN DE MEMBRANA
Una membrana es una barrera o película permeo selectiva entre dos medios
fluidos, que permite la transferencia de determinados componentes de un
medio al otro a través de ella, y evita o restringe el paso de otros
componentes. De este modo es posible enriquecer o empobrecer una
corriente en uno o varios compuestos. La permeabilidad selectiva está
determinada por la medida de la partícula, la afinidad química con el material
de la membrana y/o la movilidad de los componentes a través de la
membrana (Chacón, 2006; Romero, 2010).
La densidad de flujo de estas sustancias a través de la membrana se debe a
la acción de diferentes fuerzas impulsoras, siendo las más importantes la
gradiente de presión y la concentración o potencial eléctrico, como se
muestra en la Figura 7 (Romero, 2010).
Figura 7. Representación esquemática de dos medios separados por una membrana.
(Raventós Santamaría, 2005)
18
Las membranas, para ser efectivas en los procesos de separación y
filtración, deben ser resistentes y estables química (tanto con el alimento
como con los productos de limpieza), mecánica y térmicamente, y tener una
permeabilidad elevada, alta selectividad y resistencia a las operaciones. Las
membranas cerámicas, compiten por la gran cantidad de aplicaciones
debido a su alta estabilidad, tanto térmica como química. Además, la
facilidad de limpieza, permite un uso prolongado en el tiempo (Raventós
Santamaría, 2005; Coronel, 2012).
Membranas cerámicas o inorgánicas
Son membranas rígidas con un flujo de 5 a 10 veces mayor que las
poliméricas, resistentes a los productos químicos y de limpieza sencilla, con
una larga vida útil (10 años). Son adecuadas para aplicaciones
biotecnológicas, pero su costo es elevado. El diámetro de un poro promedio
se puede ajustar entre los 0.1 y 10 μm (Mendoza, 2010).
La mayoría de las membranas están hechas de polímeros; en la búsqueda
de membranas que no dañen el ambiente (pH, presión, temperatura,
químicos esterilizados, etc.), se han introducido las membranas de cerámica
(Muller & Riel, 1990).
2.4 TECNOLOGÍA DE MICROFILTRACIÓN
La microfiltración (MF) se refiere a procesos de filtración que utilizan
membranas porosas para separar partículas suspendidas con diámetros
entre 0,1 y 10 micras, como este diámetro es muy pequeño, el fluido debe
estar bajo presión para efectuar la separación en dos flujos distintos:
concentrado y permeado. Las presiones de trabajo de MF son más bajas
19
que en el resto de procesos de tecnología de membrana, entre 0.1 y 2 Bar
(Muller & Riel, 1990; Raventós Santamaría, 2005; Baker, 2000).
En la industria de alimentos el tamaño de poro permite usualmente retener la
mayoría de las esporas, bacterias, hongos y levaduras; por lo cual la
microfiltración puede ser considerada como una técnica de pasteurización
(en frío) que no requiere de tratamientos térmicos. Es sumamente importante
controlar en este tipo de procesos, tanto la selectividad como el nivel de
colmataje. Los solutos retenidos por la membrana de microfiltración, que se
encuentran en diámetros entre 0.1 y 10 micras, son coloides, células
microbianas y partículas pequeñas (Muller & Riel, 1990; Coronel, 2012).
A consecuencia de aplicar la presión (fuerza impulsora) y por el tamaño de
los poros, los solutos próximos a la superficie se concentran en este sector,
originando una resistencia extra al flujo y, por ende, disminuyendo el caudal.
Tanto la absorción de proteínas, como la interacción proteína-proteína
pueden estrechar u obstruir los poros de la membrana incrementando el
rechazo de partículas. Es decir, el proceso se hace susceptible a sufrir un
rápido colmataje especialmente si se trata de buscar altos flujos de
permeado (Reis Coimbra & Teixeira, 2010; Coronel, 2012).
El procesamiento de la leche aplicando la tecnología de MF con membranas
de tipo cerámico ha demostrado ser el que ofrece mejor rendimiento y
durabilidad, con flujos bajos de entre 4kg/h/m2 y 15kg/h/m2 y presiones
transmembranarias uniformes, generalmente menores a 10 psi. Además, es
necesario señalar que el pH de la leche tiene una gran importancia, pues a
medida que se incrementa este parámetro se da un aumento en la
viscosidad relativa del fluido (Muller & Riel, 1990).
20
2.5 MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL
La microfiltración en flujo tangencial, es una técnica separativa que opera
removiendo de la superficie de la membrana las moléculas o células
retenidas, manteniendo en suspensión permanente todas las moléculas,
microorganismos o partículas contenidas en el líquido a procesar. Esto se
debe a que el flujo de alimentación se conduce paralelamente a la superficie
de la membrana. Este efecto de barrido aumenta el caudal, el rendimiento y
la recuperación (Molina, 2000).
Es la técnica de aplicación más extendida, en un principio se desarrolló en la
ultrafiltración y la ósmosis inversa a fin de controlar la polarización por
concentración, luego se extendió a la microfiltración con gran éxito,
alargando la vida útil de la membrana y permitiendo un flujo de permeado
más elevado al dificultar la formación del depósito de partículas retenidas por
la misma (Molina, 2000; Hernández, Tejerina, Arribas, & Martínez, 1990).
En los sistemas de filtración clásicos, el líquido a filtrar es conducido
perpendicularmente a la superficie filtrante. Este tipo de filtración conlleva
una acumulación de partículas y microorganismos que conducen a la
formación de una capa creciente sobre la superficie de filtración que puede
determinar la eficacia de la separación. En la Tabla 6 se describen las
características de los procesos de filtración convencional y tangencial
(Molina, 2000).
21
Tabla 6.Características del tipo de flujo del alimento en la MF
A) FLUJO NORMAL B) FLUJO TANGENCIAL
(CROSS-FLOW)
La presión obliga a todo líquido a
atravesar el medio filtrante.
Las partículas, en función de su
tamaño, son retenidas por la
superficie del filtro, por su interior o
atraviesan el medio filtrante.
La filtración cesa cuando la superficie
queda completamente obturada por
los sólidos retenidos, siendo
necesario remplazar el medio filtrante
para poder continuar filtrando.
Método de filtración aplicado a
membranas de microfiltración de
tamaño de poro superior a 0,1 µm.
Formación de torta.
Incremento progresivo de la presión
de filtración para mantener el caudal
constante.
La presión da lugar a la filtración de
una parte del líquido. El resto forma
un flujo paralelo a la superficie de la
membrana filtrante, que barre los
sólidos retenidos, retornándolos al
depósito de alimentación.
Esta técnica se emplea en:
o Microfiltración (MF)
o Ultrafiltración (UF)
o Osmosis inversa (OI)
Los poros de las membranas
empleadas en el flujo tangencial son
siempre de menor diámetro que la de
los sólidos a separar.
Las partículas son retenidas
momentáneamente, para ser
posteriormente arrastradas por la
corriente de fluido no filtrado.
Mantiene constante la presión
diferencial o presión transmembrana
(PTM).
A) Flujo Normal, B) Flujo Tangencial.
(Molina, 2000)
22
2.5.1 VENTAJAS DE LA MFT
La microfiltración tangencial presenta varias ventajas respecto a los sistemas
de separación típicos. Romero (2010) y Arias& Espinel (2006) presentan las
siguientes ventajas:
- Posibilidad de operar bajo condiciones suaves. Mediante los procesos
de membrana es posible separar compuestos sin necesidad de
trabajar a altas temperaturas.
- Posibilidad de llevar a cabo el proceso de separación en continuo.
- Adaptabilidad a la capacidad de producción y a otros procesos de
tratamiento, ya que se trata de equipos modulares.
- Se pueden utilizar en aplicaciones muy diversas, gracias a que las
propiedades de las membranas son variables.
- No se necesita incorporar ningún producto químico ajeno a la
disolución o suspensión a tratar. En consecuencia, no hay
modificación de la naturaleza de los productos tratados.
- Bajo consumo energético, normalmente el gasto energético principal
es el bombeo de sustancias.
- Facilidad de instalación, desinstalación y operación.
- Los rendimientos en el proceso son altos.
- La limpieza del equipo es relativamente fácil.
- Las condiciones de operación en el proceso, evitan la perdida de las
características nutricionales, físicas y químicas del producto.
- Las membranas que se utilizan en la actualidad (membranas
inorgánicas), son resistentes a condiciones extremas de pH, tienen
una estructura resistente y soportan el ataque de ácidos y bases.
- Proporciona oportunidades para regular el contenido de caseínas de
la leche o para eliminar microorganismos.
- Permite minimizar residuos, reutilizar productos y por ende cuidar el
medio ambiente.
23
2.5.2 APLICACIONES DE LA MFT
Las membranas de microfiltración tangencial fueron comercializadas por
primera vez en 1920 y fueron utilizadas principalmente para análisis
bacteriológicos de agua. Después en 1960 el número de aplicaciones creció
rápidamente y actualmente los procesos de MFT son operados en diferentes
campos, que, según Pérez et al (2007) son:
- Clarificación y concentración de alimentos como leche, jugos de
frutas, cervezas y vinos.
- Tratamiento y purificación del agua.
- Tratamiento de efluentes.
- En la industria biotecnológica ha permitido la recuperación y
purificación de enzimas y para la separación de células y restos de
células presentes en soluciones.
- Para la eliminación de microorganismos (pasteurización en frío)
presentes en la leche.
- Como proceso de pretratamiento de soluciones que serán sometidas
a procesos de ultrafiltración y osmosis inversa.
- Elaboración de leche fresca microfiltrada.
- Preparación de agua para la elaboración de bebidas.
2.6 OPERACIONES Y PROCESOS
En la microfiltración tangencial la corriente del líquido fluye paralelamente a
la membrana y está sometida a una diferencia de presión que corresponde a
la presión de alimentación P1 del líquido a filtrar y la presión de reciclado P2,
como se muestra en la Figura 8 (Molina, 2000).
24
Figura 8. Diferencia de presión a la que está sometida el flujo tangencial en
microfiltración
(Molina, 2000).
2.6.1 EFICIENCIA DE LA MEMBRANA
La permeabilidad de una membrana es adecuada cuando se registra una
relación lineal entre un flujo de agua de baja dureza y la presión
transmembranaria que se registra en la misma. Este rendimiento de la
membrana en términos de la cantidad de permeado obtenido, no sólo
depende de la presión transmembranaria, sino también de la velocidad del
flujo de alimentación, la temperatura, la concentración del fluido y las
características fisicoquímicas de la membrana (Chacón, 2006).
2.6.2 FUERZA IMPULSORA
La fuerza impulsora aporta la energía necesaria para la separación de la
mezcla en un proceso no espontáneo. La energía disminuye la entropía
global del sistema superando las resistencias del proceso, como la fricción
25
de los componentes a través de la membrana. Para conseguir que el
proceso alcance una velocidad adecuada, la fuerza impulsora ha de ser
superior a la mínima necesaria (Raventós Santamaría, 2005).
La presión requerida para forzar el paso a través de alguna membrana suele
ser inversamente proporcional al tamaño de los poros, siendo necesario
incrementar sustancialmente su magnitud a medida que el tamaño de estos
decrece (Chacón, 2006).
2.6.3 PARÁMETROS LIMITANTES EN MICROFILTRACIÓN
TANGENCIAL
2.6.3.1 PRESIÓN TRANSMEMBRANA
La presión que impulsa al líquido a través de la membrana se denomina
presión transmembrana media definida por la Ecuación 2:
𝑷𝑴𝑻 = 𝑷𝟏+𝑷𝟐
𝟐− 𝑷𝟑 [2]
Donde P1 es la presión de entrada al filtro, P2 es la presión de retenido y P3
es la presión del permeado, calor generalmente nulo cuando el sistema es
abierto. Para P3 = 0 la expresión anterior adquiere la forma descrita en la
Ecuación 3:
𝑷𝑴𝑻 = 𝑷𝟏+𝑷𝟐
𝟐 [3]
26
2.6.3.2 FLUJO DE PERMEADO
Es el permeado o flujo volumétrico que pasa a través del área de la
membrana en un tiempo determinado, una de las ecuaciones más
frecuentes empleadas para definir el flujo de permeado en función de la
presión transmembrana y de la resistencia total es la Ecuación 4 (Laverde,
2010):
𝑱𝒑 =𝑷𝑻𝑴
𝝁𝑹𝒕 [4]
Donde:
- JP = Flujo de permeado a través de la membrana (L/h*m2).
- PTM = Presión transmembrana (Bar).
- Rt = Resistencia total.
- µ = Viscosidad del permeado
Si la suma de los valores de las resistencias fuera constante, el caudal de
permeado sería directamente proporcional a la presión transmembrana. Sin
embargo, el flujo se incrementa linealmente hasta un cierto valor de PTM,
más allá de la cual se forma la capa de gel que incrementa el valor de la
resistencia total con disminución progresiva del flujo del permeado (Molina,
2000).
La resistencia total se calcula mediante la Ecuación 5:
𝑹𝒕 = 𝑹𝒎 + 𝑹𝒄 + 𝑹𝒈 + 𝑹𝒃 + 𝑹𝒂𝒅 [5]
Donde 𝑅𝑚 es la resistencia de la membrana limpia o nueva, 𝑅𝑐 es la
resistencia de la capa de torta, 𝑅𝑔 la resistencia del gel, 𝑅𝑏 resistencia
debida albloqueo del poro y 𝑅𝑎𝑑 es la resistencia por adsorción (Romero,
2010).
27
2.6.3.3 FACTOR DE REDUCCIÓN VOLUMÉTRICO (FRV)
Por necesidades técnicas y económicas en ocasiones es obligatorio reducir
al máximo el volumen del retenido especialmente si se desea emplear la
tecnología de membranas para la concentración. El factor de reducción
volumétrico (FRV) constituye un parámetro útil para medir esta disminución y
está directamente relacionado con el rendimiento del proceso. Se define en
términos del volumen de alimentación (𝑉𝑎), del volumen de retenido (𝑉𝑟) y
volumen del permeado (𝑉𝑝), como se muestra en la Ecuación 6 (Chacón,
2006).
𝑭𝑹𝑽 =𝑽𝒂
𝑽𝒓= 𝟏 +
𝑽𝒑
𝑽𝒓 [6]
Como indicador de eficiencia industrial, nos permite calcular el rendimiento
entre el volumen de retenido y el volumen de permeado expresado en
porcentaje mediante la Ecuación 7 (Montero M. , 2008):
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝑉𝑝
𝑉𝑎= 1 −
𝟏
𝐹𝑅𝑉 [7]
2.6.3.4 VELOCIDAD TANGENCIAL (U)
La velocidad tangencial es la velocidad axial a la que circula el fluido a lo
largo de la superficie de la membrana y se muestra en la Ecuación 8:
𝑼 =𝑸𝑹
𝑨𝒎 [8]
Donde 𝑄𝑅 es el caudal de circulación del retenido (m3/s) y 𝐴𝑚 es el área
transversal de la membrana (m2) (Arias & Espinel, 2006).
28
2.6.3.5 COEFICIENTE DE RETENCIÓN
Capacidad que tiene la membrana para retener determinadas moléculas de
un tamaño específico más fácilmente que el resto de componentes de la
solución. La retención viene definida por la Ecuación 9 (Raventós
Santamaría, 2005):
𝑹 =(𝑪𝒇−𝑪𝒑)
𝑪𝒇= 𝟏 −
𝑪𝒑
𝑪𝒇 [9]
Donde:
- 𝐶𝑓 = concentración del soluto en el alimento
- 𝐶𝑝 = concentración del soluto en el permeado
29
3. METODOLOGÍA
3.1 CARACTERIZACIÓN DE LECHE DESCREMADA
La leche de vaca que se utilizó en la presente investigación procede del
Cantón Mejía. La temperatura de transporte se mantuvo entre los 4 y 6 °C.
El volumen de la materia prima para cada tratamiento fue de 11 litros, que
fueron sometidos a los procesos de descremado y pasteurizado, como
pretratamientos para la microfiltración tangencial.
3.2 MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL
Se utilizó un equipo de microfiltración tangencial de la Planta Piloto de
Alimentos de la Universidad Tecnológica Equinoccial. Está fabricado en
acero inoxidable AISI 304, contiene una membrana de cerámica (α- alúmina)
marca MEMBRALOX EP1960 de 1020 mm de longitud total, con 19 canales,
cada uno de 6 mm de diámetro y poros de 0.5 µm, con una superficie de
filtrado de 0.36 m2. La descripción del equipo se encuentra en el Anexo 1.
Se trabajó con dos presiones y tres niveles de temperatura. Se controló la
temperatura con el uso del módulo refrigerante del equipo. En cada
tratamiento la alimentación fue de 9 litros de leche descremada. El diagrama
de flujo del proceso de microfiltración tangencial se muestra en el Anexo 2.
Después de cada microfiltración se realizó la limpieza del equipo y se
recuperó la permeabilidad de la membrana, datos reportados en el Anexo 3.
30
3.3 FACTORES EN ESTUDIO PARA LA MICROFILTRACIÓN
TANENCIAL DE LECHE DESCREMADA DE VACA
Factor A: Presión Niveles A1:1.5 Bar
A2: 2.0 Bares Factor B: Temperatura Niveles B1: 15°C
B2: 25°C
B3: 35°C
Tabla 7. Factores en estudio para la microfiltración tangencial
Tratamientos Factor A (Presión)
Factor B (Niveles
de presión)
Combinaciones
T1 A1 B1 A1B1
T2 A1 B2 A1B2
T3 A1 B3 A1B3
T4 A2 B1 A2B1
T5 A2 B2 A2B2
T6 A2 B3 A2B3
Se realizaron seis experimentos, y de cada uno, se determinó el Flujo de
Permeado (Lh-1m-2) y el Factor de Retención Volumétrico (FRV).
3.4 ANÁLISIS
Se utilizó el equipo Milkoscope Julie C2 de la Planta Piloto de Alimentos de
la Universidad, para determinar el contenido de cada macronutriente
(proteína, lactosa, agua, sólidos no grasos) y la densidad de la leche
expresados en porcentajes. Para determinar el contenido de grasa (leche
descremada <1.0%) se aplicó el método Gerber NTE INEN 12:73 descrito en
el Anexo 4.
31
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 CARACTERIZACIÓN DE MATERIA PRIMA
En el descremado se alimentó al equipo 11 litros de leche entera y se obtuvo
9.4 litros de leche descremada con un contenido de grasa de 0.32%, que
cumple con lo establecido por la norma NTE INEN 10:2012 y 1.6 litros de
crema de leche con 30.06 % de grasa.
4.2 MICROFILTRACIÓN
4.2.1 MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL
Los resultados de la microfiltración tangencial se presentan en la Tabla 8
donde se observa que el permeado alcanzó mayores volúmenes en los
tratamientos con una presión de 1.5 Bar, por lo que se obtuvo un mayor
rendimiento en estos tratamientos, pero entre los tres la variación de este
valor es mínima; según Montero (2008) cuando la presión transmembrana es
constante, los rendimientos son estables.
El volumen muerto del equipo fue de 5,9 litros y el tiempo aproximado de
funcionamiento continuo de la bomba centrifuga de 3,5 minutos, valores
cercanos a los obtenidos por Mariño (2013), quien reportó 6 litros y 3
minutos respectivamente.
32
Tabla 8. Valores obtenidos del proceso de microfiltración tangencial
1.5 Bar 2.0 Bar
Factor 15ºC 25ºC 35ºC 15ºC 25ºC 35ºC
Presión de entrada (Bar) 1.5 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0
Presión de permeado (Bar) 0 0 0 0 0 0
Presión transmembrana promedio PTM (Bar)
0.09 0.09 0.14 0.09 0.1 0.1
Volumen de alimentación (l) 9 9 9 9 9 9
Volumen de retenido (l) 4.55 4.9 5.15 5.65 6.5 4.1
Volumen de permeado (l) 3.85 3.83 3.8 2 2 1.5
Rendimiento (%) 45.83 43.87 42.46 26.14 23.53 26.79
Flujo de retenido 7.01 12.18 19.02 2.08 2.91 1.26
Duración del proceso (min) 88 52 38 31 20 15
4.3 PROCESO DE MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL
4.3.1 Presión 1.5 Bar
En la Figura 9 se presenta el primer tratamiento de microfiltración tangencial
a 1.5 Bar de presión y 15°C de temperatura con un rendimiento del 45.83%,
presentó el mayor flujo transmembrana (Jp) de 14.63 L/h*m2 a los 19.15
minutos de haber iniciado el proceso, con una duración total de 88 minutos.
Los datos obtenidos se muestran en el Anexo E.1. Se puede apreciar, que el
flujo se incrementa hasta un tiempo cercano a 20 minutos y luego tiende a
disminuir por la colmatación.
33
Espinel et al (2006), dedujeron que, al trabajar a temperaturas alrededor de
los 20°C, se consigue que las características físicas y organolépticas de la
leche no cambien significativamente. Sin embargo, Tamime (2013) señala
que se puede trabajar hasta 50°C sin que exista desnaturalización de
proteínas, factor que incide en la colmatación de la membrana.
Figura 9. Flujo transmembrana a 15°C (1.5 Bar)
La Figura 10. Muestra el comportamiento del flujo transmembrana (Jp) del
tratamiento número 2, cuya duración total fue de 52 minutos a 1.5 Bar de
presión con una temperatura de 25°C, su máximo Jp a los 17.26 minutos es
de 26.15 L/h*m2 y su rendimiento fue de 43.87%. Los datos obtenidos se
muestran en el Anexo E.2.
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
0 20 40 60 80 100
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
34
Figura 10.Flujo transmembrana a 25°C (1.5 Bar)
En la Figura 11 se representa la variación del flujo transmembrana (Jp) del
tercer tratamiento a 35°C con una presión de 1.5 Bar, cuyo Jp más alto fue
de 37.69 L/h*m2 a los 16.38 minutos del proceso, la duración total fue de 38
minutos y tuvo un rendimiento de 42.46 %. Los datos obtenidos se muestran
en el Anexo E.3.
Al comparar las dos anteriores Figuras 9 y 10, con la Figura 11, en cuanto a
duración del proceso, se observa que, a medida que aumenta la
temperatura, la alimentación fluye más rápido. Astudillo (2010) menciona
que este fenómeno puede ser consecuencia de un aumento de la
temperatura que disminuye la viscosidad de las partículas, facilitando su
transporte a través de la membrana. De acuerdo a literatura relacionada a
clarificado de jugos sucede el mismo fenómeno a temperaturas cercanas a
35°C (Salgado, 2001).
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0 10 20 30 40 50 60 70
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
35
Figura 11. Flujo transmembrana a 35°C (1.5 Bar)
En la Figura 12, puede apreciarse la variación del flujo respecto al tiempo
utilizando tres niveles distintos de temperatura 15°C, 25°C y 35°C, con una
presión de 1.5 Bar.
Se observa que las tres curvas a distintas temperaturas tienen la misma
tendencia, el flujo aumenta hasta llegar a un punto, alrededor de los 17
minutos, a partir del cual empieza a disminuir hasta tener un comportamiento
estable. Según Alais (2003), este fenómeno es producido por la colmatación
de la membrana.
Se ha encontrado que la temperatura es directamente proporcional al flujo
transmembrana e inversamente proporcional a la viscosidad, conociéndose
a esta como la resistencia de los líquidos a fluir (Fan, 2007; Alais, 2003;
Arias & Espinel, 2006). Así, en la Figura 12 se observa que, entre los tres
tratamientos, en el de 35°C se obtuvo el mayor flujo de permeado (37.69
L/h*m2) con una duración total de proceso de 38 minutos, menor a su vez, a
los otros dos niveles de temperatura. Sin embargo, se debe tener en cuenta
no aplicar temperaturas muy elevadas en el proceso ya que, según Astudillo
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
36
(2010), a temperaturas superiores a 60°C ya se presenta la
desnaturalización de las proteínas, efecto no deseado para el producto final
En relación a lo anterior, las proteínas de la leche son un componente
limitante en el proceso de microfiltración tangencial, donde además, la
acidez y la temperatura originan su desestabilización. El pH de la leche en
microfiltración es importante, pues a medida que disminuye este parámetro
se da un aumento en la viscosidad relativa del fluido (Solanki & Rizvi, 2001;
Alais, 2003; Astudillo Castro, 2010). Por ello, algunos autores como
Brandsma y Rizvi (1999), recomiendan un ajuste constante del pH durante el
proceso. El pH de la materia prima utilizada en la investigación estuvo
cercano a 6.6.
Figura 12. Comparación de la influencia de la temperatura (15°C, 25°C y
35°C) en el flujo transmembrana a 1.5 Bar
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 20 40 60 80 100
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
MFT 35°C
MFT 25°C
MFT 15°C
37
4.3.2 Presión 2.0 Bar
En la Figura 13 se representa la variación del flujo transmembrana (Jp) del
cuarto tratamiento a 15°C con una presión de 2.0 Bar, cuyo Jp más alto fue
de 18.02 L/h*m2 a los 8.9 minutos del proceso, la duración total fue de 31
minutos y tuvo un rendimiento de 26.22%. Los datos obtenidos se muestran
en el Anexo E.4.
Figura 13. Flujo transmembrana a 15°C (2.0 Bar)
La Figura 14 muestra el comportamiento del flujo transmembrana (Jp) del
tratamiento número 5, cuya duración total fue de 20 minutos a 2.0 Bar de
presión con una temperatura de 25°C, su máximo Jp a los 8.5 minutos es de
28.46 L/h*m2 y su rendimiento fue de 23.53%. Los datos obtenidos se
muestran en el Anexo E.5.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
38
Figura 14. Flujo transmembrana a 25°C (2.0 Bar)
El sexto tratamiento de microfiltración tangencial a 2.0 Bar de presión y 35°C
de temperatura con un rendimiento de 26.79%, presentó el mayor flujo
transmembrana (Jp) de 42.17 L/h*m2 a los 6.9 minutos de haber iniciado el
proceso, con una duración total de 15 minutos, como se observa en la Figura
15. Los datos obtenidos se muestran en el Anexo E.6.
Figura 15. Flujo transmembrana a 35°C (2.0 Bar)
0
5
10
15
20
25
30
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
39
Para los anteriores tres tratamientos (T4, T5 y T6) se incrementó la presión a
2.0 Bar y se trabajó con los mismos niveles de temperatura 15°C, 25°C y
35°C, en la Figura 16 se muestran los resultados de la variación del flujo
respecto al tiempo.
Figura 16.Comparación de la influencia de la temperatura (15°C, 25°C y
35°C) en el flujo transmembrana a 2.0 Bar de presión.
Es importante notar que en los tres tratamientos el descenso de flujo de
permeado (Jp) es más pronunciado al avanzar el proceso en el tiempo,
Krstic et al. (2003) reportan que el colmataje suele provocar este descenso
del flujo de permeado, alcanzando paulatinamente un estado casi estable,
sin embargo el flujo sigue bajando lentamente hasta generar en pocas horas
caudales significativamente menores al inicial. El mismo comportamiento se
presenta en la microfiltración tangencial de suero de leche reportado por
Camacho (2009) en su estudio, bajo condiciones cercanas de proceso (2.0
Bar a 30°C).
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
JP(l
h-1
m-2
)
Tiempo (min)
MFT 35°C
MFT 25°c
MFT 15°C
40
Al comparar los experimentos realizados a 1.5 Bar (T1, T2, T3) y 2.0 Bar
(T4, T5, T6) de presión, podemos observar que los tratamientos con una
mayor presión alcanzaron flujos promedio de permeado mayores, sin
embargo obtuvieron rendimientos más bajos, debido a que en el proceso de
los mismos (T4, T5 y T6) no ingresó toda la alimentación al equipo. La
presión es directamente proporcional al flujo de permeado, pero esta
relación tiende a ser inversa.
Huisman (1998) reporta que la presión también tiene efecto sobre la
colmatación haciendo que las partículas que se encuentran sobre la
membrana se aglomeren mucho más y no permitan el paso del líquido a
través de esta por el taponamiento de los poros y la formación de la torta
disminuyendo el flujo.
La influencia de la presión en el flujo de permeado cuando se trabaja con
leche, depende mucho de las características de la materia prima y del
equipo, así como también del producto que se desee obtener con el proceso
de microfiltración. Requerimientos que deben ser tomados en consideración
en el diseño y parámetros de funcionamiento de equipos con membrana
(Reis Coimbra & Teixeira, 2010).
Reis et al. (2010) reportaron que la temperatura de trabajo para
microfiltración de leche debe ser alrededor de los 37 °C para evitar efectos
perjudiciales sobre las proteínas del suero, o estar alrededor de 50°C a 55°C
porque en este rango la viscosidad aparente de los materiales retenidos es
mínima, al igual que el crecimiento bacteriano, por lo que los valores
aplicados en la presente investigación están dentro de los parámetros
óptimos de proceso.
41
4.3.3 FLUJO TRANSMEMBRANA PROMEDIO
Figura 17. Comparación del flujo transmembrana JP (L/h*m2) en los
tratamientos a 1.5 Bar y 2.0 Bar de presión aplicando los tres niveles de
temperatura (15°C, 25°C y 35°C).
En la Figura 17 se observa que en los tratamientos realizados presentan el
mismo comportamiento en el flujo transmembrana, el cual aumenta a medida
que aumenta la temperatura. Es decir, la temperatura tiene un efecto
directamente proporcional con el flujo de permeado, este comportamiento
como lo reporta Montero (2008) se debe a que los líquidos disminuyen su
viscosidad con el aumento de temperatura; comportamiento corroborado por
Fan (2007), quien en su experimento al trabajar con leche microfiltrada, a
medida que aumentó la temperatura de 20°C a 40°C la viscosidad aparente
(cP) disminuyó significativamente (cP<0.05).
En relación a los niveles de presión aplicados se aprecia mayores valores de
flujo de permeado en los tratamientos a 2.0 Bar, comportamiento común
debido a que la presión es directamente proporcional al flujo de permeado.
Como lo muestra Arias (2003), quien trabajó a distintos niveles de presión
(de 1 a 5 Bar).
9,37
16,82
26,02
12,71
20,88
30,24
0
5
10
15
20
25
30
35
15°C 25°C 35°C
Flu
jo T
ran
smem
bra
na
JP (
L/h
*m2 )
Temperatura
1,5 Bar 2,0 Bar
42
4.3.4 FACTOR DE RETENCIÓN VOLUMÉTRICO
Figura 18. Comparación del FRV en los tratamientos a 1.5 Bar y 2.0 Bar de
presión aplicando los tres niveles de temperatura (15°C, 25°C y 35°C).
La Figura 18 muestra la influencia de la temperatura y presión sobre el
Factor de Retención Volumétrico (FRV) en los distintos experimentos. Se
observa que la temperatura no influye significativamente sobre el FRV,
efecto contrario a la presión, ya que los tratamientos a los cuales se aplicó
1.5 Bar de presión presentan mayores valores de FRV que en los
tratamientos a los que se aplicó 2 Bar. Chacón-Villalobos (2006), indica que
el FRV está directamente relacionado con el rendimiento del proceso,
representa un parámetro para determinar la eficiencia del mismo y se define
en términos de volumen de alimentación, de permeado y de retenido.
Mientras menos volumen de retenido tengamos, mayor va a ser el FRV
(Camacho, 2009). Así, mientras más alto sea el valor de FRV mejor será la
eficiencia del proceso, por lo que se debe reducir el volumen de retenido al
máximo.
1,85 1,78 1,74
1,35 1,31 1,37
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
15°C 25°C 35°C
Fact
or
de
Ret
enci
ón
vo
lum
étri
co
(FR
V)
Temperatura
1,5 Bar 2,0 Bar
43
Montero (2008), indica que por lo general el FRV es inversamente
proporcional al flujo de permeado, debido a que con el transcurso del tiempo
el volumen de alimentación aumenta incrementando la concentración de
sólidos en el sistema, contribuyendo a la disminución del flujo de permeado
por el colmataje de la membrana. Este comportamiento se puede apreciar al
comparar las Figuras 17 y 18, los tratamientos cuya presión fue de 1.5 Bar
tienen mayores valores de FRV y menores valores de Jp en comparación
con los tratamientos a los que se les aplicó 2.0 Bar de presión.
4.3.5 ANÁLISIS
Tabla 9. Porcentajes de macronutrientes y densidad de las tres corrientes
del proceso de microfiltración tangencial.
P (Bar) T (°C)
% 1.5 2.0
Alimento Concentrado Permeado Alimento Concentrado Permeado
15
Grasa 0,26 0,5 LND 0,36 0,58 LND
SNG 8,5 8,58 4,36 8,53 8,39 3,25
Den 27,2 30,98 15,76 27,62 28,92 11,46
Prot. 2,93 3,16 1,61 2,9 3,27 1,2
Lact. 3,98 4,57 2,26 4 4,72 1,65
Agua 15,3 1,2 93,6 15,1 3,92 99,6
25
Grasa 0,26 0,4 LND 0,36 0,51 LND
SNG 8,44 8,53 4,53 8,03 8,63 4,07
Den 27,62 29,62 17,63 27,62 28,99 14,61
Prot. 2,97 3,35 1,6 2,91 3.5 1,32
Lact. 4 5,05 2,48 4,27 4,5 2,1
Agua 13,5 1,5 94,4 13,5 4,3 97
35
Grasa 0,34 0,54 LND 0,36 0,49 LND
SNG 8,96 9,51 4,6 8,63 8,94 4,37
Den 29,19 34,83 16,68 27,62 28,98 15,85
Prot. 2,93 3,5 1,7 2,9 3,62 1,61
Lact. 4,24 5,09 2,39 4,23 4,5 2,26
Agua 13,2 1,2 95,8 13,5 5,35 98
LND: Límite no detectable
44
En la Tabla 9 se presentan los valores obtenidos de la densidad y de los
macronutrientes de los tres fluidos del proceso: alimentación, permeado y
concentrado.
Se puede observar que para los seis tratamientos los valores de cada
elemento reportado son similares para la alimentación, el permeado y el
concentrado, independientemente de los niveles de presión y temperatura
aplicados.
Grasa
Se observa que se ha separado la grasa en el permeado presentando para
los 6 tratamientos un 0% de grasa y se ha conseguido concentrar la misma
con un valor promedio de 0.5 %, los valores obtenidos son semejantes a los
valores reportados por Jácome & Molina (2008), quienes trabajaron con
leche descremada y concentrada por microfiltración tangencial. Estos
fenómenos se deben a que el tamaño de las móleculas de grasa es mayor al
tamaño de poro de la membrana, según Gčosta & López (2003), en el
proceso de microfiltración por el tamaño del poro de la membrana la materia
grasa no atraviesa la misma (el tamaño medio de los glóbulos de grasa de la
leche es de 3 a 4 µm).
Densidad y Sólidos no Grasos
En cuanto al contenido de sólidos no grasos no se observa una variación
significativa entre alimentación y concentrado, mientras que, en el permeado
tiende a reducirse, es decir, hay una distribución de moléculas de solidos no
grasos entre permeado y concentrado, son pocas partículas cuya dimensión
les permite atravesar la membrana y están presentes en el permeado en un
promedio de 4.19%. La concentración de los elementos disueltos y en
suspensión (sólidos no grasos) tiene una relación directamente proporcional
a la densidad (Alais, 2003). Comprobando lo mencionado se puede observar
45
que la densidad aumenta en el concentrado y disminuye en el permeado
considerablemente. Astudillo (2010), al relacionar la densidad en función de
la temperatura (20, 40 y 60°C) y factor de concentrado no obtiene una
variación significativa, lo que corrobora los valores similares reportados de
densidad de los tratamientos a distintas temperaturas (15,25 y 35°).
Proteína
Los valores de proteína presentes en la alimentación y el concentrado no
tienen un rango de variación significativo, mientras que el permeado
presenta valores más bajos con un promedio de 1.51%. Según Walstra
(2001) el diámetro de las partículas de caseína es de 20-300nm y de las
proteínas del suero es de 3-6nm, por lo que se entiende que ciertas
proteínas hayan podido pasar por la membrana. Comportamiento similar
corroborado por Astudillo (2010), quien reportó que al microfiltrar leche con
membranas de 0.14 y 0.20µm se asegura la retención de las micelas de
caseína y la transmisión de la mayoría de las proteínas del suero presentes
en la corriente de alimentación. Las proteínas son el componente de la leche
de mayor interés para las tecnologías de separación por membrana. Pero no
sólo el diámetro de las partículas es un factor que influye en el paso de las
mismas por la membrana, ya que tanto la absorción de proteínas como la
interacción proteína-proteína pueden estrechar u obstruir los poros de la
membrana incrementando el rechazo de partículas que ya no pueden pasar
por estos (Reis Coimbra & Teixeira, 2010; Chacón, 2006).
Lactosa
Se puede observar que tanto el permeado como el concentrado presentan
un contenido de lactosa, con valores promedio de 2.19% y 4.74%
respectivamente. El concentrado presenta valores similares a los de la
alimentación 4.83 %. Solanki & Rizvi (2001) reportan resultados similares en
retenidos de leche descremada microfiltrada.
46
Agua
En cuanto a la cantidad de agua presente, se puede observar que en el
concentrado disminuye y en el permeado aumenta considerablemente
llegando a valores al rededor del 96.4 %, es decir en su mayoría el
permeado es agua. Según Walstra et al. (2001), este comportamiento se
debe a que la disminución o eliminación de agua en el retenido es uno de los
cambios que se producen como consecuencia de aplicar procesos de
concentración de leche.
47
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
La leche descremada para los seis tratamientos presentó un contenido
promedio de grasa de 0.32%, valor que cumple con lo establecido en la
norma NTE INEN 10:2012 para una leche descremada.
El flujo de permeado guarda una relación directa con el incremento de
temperatura en el proceso de microfiltración de leche descremada de vaca.
Los tratamientos cuya temperatura aplicada fue más alta, alcanzaron
mayores flujos, tanto a 1.5 Bar como a 2.0 Bar de presión.
Temperaturas elevadas provocan que la alimentación fluya más rápido.
Entre los tres tratamientos a 1.5 Bar, en el de 35°C se obtuvo el mayor flujo
de permeado (37.69 l/h*m2) con una duración total de proceso de 38
minutos, menor a su vez, a los otros dos niveles de temperatura.
Al comparar la relación Flujo Transmembrana vs Tiempo, las gráficas de los
seis experimentos muestran la misma tendencia, el flujo aumenta hasta
llegar a un punto (tiempo cercano entre los tres tratamientos a 1.5 Bar y 2.0
Bar respectivamente), a partir del cual empieza a disminuir tomando un
comportamiento estable debido a la colmatación de la membrana.
Los experimentos a 2.0 Bar de presión, alcanzaron valores de flujo de
permeado mayores que a los que se les aplicó una presión de 1.5 Bar, sin
embargo, por las características de la membrana utilizada (0.5 µm), el
incremento de la presión provocó una disminución en el rendimiento.
48
Los experimentos a 1.5 Bar de presión, alcanzaron valores de FRV mayores
que a los que se les aplicó una presión de 2.0 Bar, es decir tuvieron un mejor
rendimiento.
Los valores obtenidos de los macronutrientes y de la densidad de la
alimentación, permeado y concentrado, varían en cada una de las corrientes
del proceso, pero no presentan una variación significativa entre los
tratamientos aplicados 1.5 Bar y 2.0 Bar a las tres diferentes temperaturas.
5.2 RECOMENDACIONES
Trabajar con módulos más pequeños, por ejemplo los de tipo mono canal,
para reducir el uso de agentes de limpieza, el espacio de trabajo y cantidad
de alimentación.
Aplicar el proceso en leche con diferentes contenidos de grasa, pH y
combinar con otros diámetros de poro.
Estudiar el proceso con lacto suero de quesería.
Trabajar en la automatización de un módulo de refrigeración para el equipo
de microfiltración tangencial.
Caracterizar el permeado obtenido en el proceso de microfiltración
tangencial de leche de vaca.
49
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tangencial. Quito: Escuela Politécnica Nacional.
Zavala, J. (2011). Cambios organolépticos y nutricionales producidos por los
tratamientos térmicos durante el procesamiento de la leche.
Alimentaria , 14-18.
54
ANEXO I
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
El equipo de microfiltración tangencial se muestra en la Figura A.1, consta
de una tubería sanitaria con uniones de 2 pulgadas, en la que se incluyen
tomas para manguera, válvulas tipo mariposa, entradas para manómetros y
termómetro. La tubería de enfriamiento (chaqueta de acero inoxidable) por
donde circula agua corresponde al módulo de refrigeración. La bomba
centrífuga sanitaria de acero inoxidable (motor 1.5HP) permite el trabajo
dentro del sistema y la bomba sanitaria neumática (pulmón), transporta el
fluido de alimentación hacia el equipo con la ayuda de un compresor de aire.
La base es de acero inoxidable para soportar las bombas y el equipo.
Figura A.1. Esquema del equipo de microfiltración tangencial
55
ANEXO II
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE
MICROFILTRACIÓN TANGENCIAL DE LECHE DESCREMADA
56
ANEXO III
RECUPERACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DE LA
MEMBRANA
Antes de realizar la microfiltración con leche descremada, se determinó la
permeabilidad inicial de la membrana, los valores obtenidos que se muestran
en la Figura C.1, se tomaron como base para asegurar la recuperación de la
membrana, después de cada limpieza del módulo de microfiltración.
Figura C.1. Permeabilidad inicial de la membrana del módulo de MFT
Al finalizar cada experimento se realizaron limpiezas acida y básica de la
membrana, con la posterior recuperación de la permeabilidad. En la Tabla
C.1, se muestran los valores de flujo transmembrana obtenidos a tres
diferentes presiones (1.5, 2 y 2.5 Bar), en la limpieza posterior a cada
experimento, comparados con la permeabilidad inicial.
594,70
785,34
1005,00
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1,5 2 2,5
Flu
jo T
ran
sme
mb
ran
a
(lh
-1m
-2 )
Presión (bar)
57
Si los valores son menores al inicial la limpieza es insuficiente, mientras que
un mayor valor sugiere una limpieza eficaz. Un alto valor de flujo
transmembrana no garantiza un alto flujo de permeado en el siguiente
experimento (microfiltración), sólo es un indicador de la eficiencia de
limpieza de la membrana (Tamime, 2013).
Tabla C.1. Recuperación de la permeabilidad de la membrana
Recuperación de la permeabilidad
(lh-1
m-2
)
Presión (Bar)
Permeabilidad Inicial (lh
-1m
-2)
Limpieza MFT 1
(lh-1
m-2
)
Limpieza MFT 2
(lh-1
m-2
)
Limpieza MFT 3
(lh-1
m-2
)
1.5 595 902 1139 1141
2 785 1156 1395 1444
2.5 1005 1314 1671 1795
58
ANEXO IV
MÉTODO GERBER PARA LA DETERMINACIÓN DEL
CONTENIDO DE GRASA EN LA LECHE (NTE INEN 12:73)
59
MÉTODO GERBER PARA LA DETERMINACIÓN DEL
CONTENIDO DE GRASA EN LA LECHE (NTE INEN 12:73)
(Continuación…)
60
ANEXO V
TABLAS DE DATOS
Tabla E.1. Microfiltración Tangencial a 1,5 Bar y 15°C
Muestra Presión
(bar)
Volumen de Permeado
(ml) Tiempo (s)
Flujo Volumétrico
(ml/s)
Flujo transmembrana
(ml/s.m2)
Flujo transmembrana
JP (l/h.m2)
1 1.5 31 74.6 0.42 1.15 4.16
2 1.5 48 89 0.54 1.50 5.39
3 1.5 101 113 0.89 2.48 8.94
4 1.5 55 43.3 1.27 3.53 12.70
5 1.5 48 32.8 1.46 4.07 14.63
6 1.5 177 138.9 1.27 3.54 12.74
7 1.5 49 45.8 1.07 2.97 10.70
8 1.5 62 53.6 1.16 3.21 11.57
9 1.5 53 51.1 1.04 2.88 10.37
10 1.5 54 47 1.15 3.19 11.49
11 1.5 42 48 0.88 2.43 8.75
12 1.5 108 120.3 0.90 2.49 8.98
13 1.5 150 179.9 0.83 2.32 8.34
14 1.5 45 41.7 1.08 3.00 10.79
15 1.5 92 102.8 0.89 2.49 8.95
16 1.5 37 33.5 1.10 3.07 11.04
17 1.5 102 118.4 0.86 2.39 8.61
18 1.5 82 133.6 0.61 1.70 6.14
19 1.5 36 50 0.72 2.00 7.20
20 1.5 72 120.9 0.60 1.65 5.96
Promedio 0.94 2.60 9.37
61
Tabla E.2. Microfiltración Tangencial a 1,5 Bar y 25°C
Muestra Presión
(bar)
Volumen de
Permeado (ml)
Tiempo (s) Flujo
Volumétrico (ml/s)
Flujo transmembrana
(ml/s.m2)
Flujo transmembrana
JP (l/h.m2)
1 1.5 29 47.28 0.61 1.70 6.13
2 1.5 37 43.58 0.85 2.36 8.49
3 1.5 58 41.93 1.38 3.84 13.83
4 1.5 49 27.20 1.80 5.00 18.01
5 1.5 31 11.86 2.61 7.26 26.15
6 1.5 55 22.96 2.40 6.65 23.96
7 1.5 39 16.42 2.38 6.60 23.76
8 1.5 94 44.91 2.09 5.81 20.93
9 1.5 59 27.61 2.14 5.94 21.37
10 1.5 40 22.74 1.76 4.89 17.59
11 1.5 47 26.52 1.77 4.92 17.72
12 1.5 37 23.79 1.56 4.32 15.55
13 1.5 42 28.81 1.46 4.05 14.58
14 1.5 48 30.50 1.57 4.37 15.74
15 1.5 54 43.20 1.25 3.47 12.50
16 1.5 51 40.00 1.28 3.54 12.75
Promedio 1.68 4.67 16.82
Tabla E.3. Microfiltración Tangencial a 1,5 Bar y 35°C
Muestra Presión
(bar)
Volumen de
Permeado (ml)
Tiempo (s) Flujo
Volumétrico (ml/s)
Flujo transmembrana
(ml/s*m2)
Flujo transmembrana
JP (l/h*m2)
1 1.5 60 79.7 0.75 2.09 7.53
2 1.5 74 59.3 1.25 3.47 12.48
3 1.5 86 49.4 1.74 4.84 17.41
4 1.5 86 34.1 2.52 7.01 25.22
5 1.5 172 48.9 3.52 9.77 35.17
6 1.5 170 45.1 3.77 10.47 37.69
7 1.5 180 52.1 3.45 9.60 34.55
8 1.5 179 54.9 3.26 9.06 32.60
9 1.5 67 22 3.05 8.46 30.45
10 1.5 318 122.8 2.59 7.19 25.90
11 1.5 153 61.2 2.50 6.94 25.00
12 1.5 124 51.2 2.42 6.73 24.22
13 1.5 93 30.9 3.01 8.36 30.10
Promedio 2.60 7.23 26.02
62
Tabla E.4. Microfiltración Tangencial a 2,0 Bar y 15°C
Muestra Presión
(bar)
Volumen de Permeado
(ml) Tiempo (s)
Flujo Volumétrico
(ml/s)
Flujo transmembrana
(ml/s.m2)
Flujo transmembrana
JP (l/h.m2)
1 2.0 87 116 0.75 2.09 7.54
2 2.0 23 30 0.76 2.10 7.58
3 2.0 108 88 1.23 3.42 12.32
4 2.0 71 48 1.49 4.14 14.89
5 2.0 65 36 1.80 5.01 18.02
6 2.0 167 112 1.49 4.15 14.93
7 2.0 104 74 1.41 3.91 14.08
8 2.0 121 88 1.38 3.82 13.75
9 2.0 33 24 1.38 3.82 13.76
10 2.0 148 108 1.37 3.80 13.67
11 2.0 68 56 1.21 3.37 12.13
12 2.0 107 96 1.12 3.10 11.16
13 2.0 46 39 1.17 3.26 11.72
14 2.0 19 15 1.30 3.60 12.98
15 2.0 67 54 1.23 3.43 12.33
16 2.0 105 79 1.32 3.67 13.23
17 2.0 85 71 1.20 3.33 12.00
Promedio 1.27 3.53 12.71
Tabla E.5. Microfiltración Tangencial a 2,0 Bar y 25°C
Muestra Presión
(bar)
Volumen de Permeado
(ml) Tiempo (s)
Flujo Volumétrico
(ml/s)
Flujo transmembrana
(ml/s.m2)
Flujo transmembrana
JP (l/h.m2)
1 2.0 53 49 1.084 3.01 10.84
2 2.0 72 60 1.200 3.33 12.00
3 2.0 32 17 1.854 5.15 18.54
4 2.0 99 46 2.152 5.98 21.52
5 2.0 122 50 2.450 6.80 24.50
6 2.0 104 38 2.747 7.63 27.47
7 2.0 259 91 2.846 7.91 28.46
8 2.0 76 28 2.727 7.58 27.27
9 2.0 183 70 2.608 7.24 26.08
10 2.0 171 81 2.110 5.86 21.10
11 2.0 249 111 2.243 6.23 22.43
12 2.0 57 27 2.107 5.85 21.07
13 2.0 227 115 1.971 5.47 19.71
14 2.0 30 18 1.651 4.59 16.51
15 2.0 39 21 1.871 5.20 18.71
16 2.0 48 27 1.791 4.97 17.91
Promedio 2.09 5.80 20.88
63
Tabla E.6. Microfiltración Tangencial a 2,0 Bar y 35°C
Muestra Presión
(bar)
Volumen de Permeado
(ml) Tiempo (s)
Flujo Volumétrico
(ml/s)
Flujo transmembrana
(ml/s.m2)
Flujo transmembrana
JP (l/h.m2)
1 2.0 152 115 1.32 3.67 13.20
2 2.0 46 27 1.70 4.71 16.95
3 2.0 222 96 2.31 6.41 23.08
4 2.0 89 30 2.97 8.25 29.69
5 2.0 302 74 4.08 11.35 40.85
6 2.0 320 76 4.22 11.71 42.17
7 2.0 479 119 4.02 11.17 40.22
8 2.0 111 30 3.71 10.30 37.08
9 2.0 419 116 3.61 10.04 36.13
10 2.0 228 75 3.04 8.44 30.37
11 2.0 356 116 3.07 8.52 30.67
12 2.0 224 78 2.87 7.97 28.69
13 2.0 195 81 2.41 6.69 24.07
Promedio 3.02 8.40 30.24
