Desarrollo por ultrafiltración de un concentrado protéico a partir de lactosuero / Protein concentrate from whey developed by ultrafiltration
Autor: Riquelme Gymesy, Luis Felipe
Asesor: Novoa Castro, Carlos Fernando (Thesis advisor)
Fecha: 2010
Programa: Bogotá - Medicina - Especialidad en Anestesiología y Reanimación
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Esta monografía se centra en la operación de un sistema de ultrafiltración con miras a la obtención de un concentrado protéico a partir del subproducto de la elaboración de quesos: el suero lácteo. Se propone la metodología de operación del equipo con que cuenta el Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICTA), el cual mediante unos ajustes, podría entrar en operación en el corto plazo. Se hace una exhaustiva revisión, de acuerdo a los manuales de operación proveídos por el fabricante, de las condiciones de operación, puesta en marcha, montaje, mantención, limpieza; de los factores que influyen en la concentración de proteínas presentes en el suero de leche, tales como temperatura, flujo, retentado y presión; y de los principios que rigen el ciclo de operación, como la difusividad, densidad y viscosidad, entre otros. El trabajo incluye además, una escueta revisión de las distintas aplicaciones del sistema alternativos a la concentración de proteínas y que se utilizan ampliamente en la industria de alimentos. / Abstract. This paper focuses on the operation of an ultrafiltration system to obtain a protein concentrate from by-product of cheese: whey. A methodology is proposed to start the operation of this ultrafiltration system that belongs to Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICTA), what through some adjustments, could come into operation in the short term. This report offer an exhaustive review, according to the operation manuals provided by the manufacturer, of operating conditions, commissioning, installation, maintenance and cleaning. Furthermore, factors that influence the concentration of proteins present in whey such as temperature, flow, pressure and retentate, and the principles governing the operation cycle, such as diffusivity, density and viscosity, among others. It also includes a brief review of the different alternative system applications to the protein concentrate that are widely used in the food industry.

DESARROLLO POR ULTRAFILTRACIÓN DE UN CONCENTRADO PROTEICO A
PARTIR DE LACTOSUERO
LUIS FELIPE RIQUELME GYIMESY
Universidad Nacional de Colombia
Programa Interfacultades
Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos
Bogotá D.C.
2010DESARROLLO POR ULTRAFILTRACIÓN DE UN CONCENTRADO PROTEICO A
PARTIR DE LACTOSUERO
LUIS FELIPE RIQUELME GYIMESY
Trabajo de grado como requisito para optar al título de Especialista en Ciencia y
Tecnología de Alimentos
Director
CARLOS FERNANDO NOVOA CASTRO
Profesor Asociado
Universidad Nacional de Colombia
Programa Interfacultades
Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos
Bogotá D.C.
2010Nota de aceptación:
________________________
________________________
________________________
________________________
________________________
________________________
Firma del Director
Bogotá D.C., Julio de 2010AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a:
INSTITUTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS, ICTA, por colocar a disposición
sus instalaciones.
A los profesores NESTOR ALGECIRA E., Director del programa de Postgrado en Ciencia y
Tecnología de Alimentos.
Al profesor CARLOS NOVOA C., Director del ICTA, por su colaboración y dirección en el
desarrollo de este proyecto.
Al Sr. JOSÉ OCAMPO G., de Purificación y Análisis de Fluidos LTDA., por su asesoría y
recomendaciones técnicas.RESUMEN
Esta monografía se centra en la operación de un sistema de ultrafiltración con miras a
la obtención de un concentrado proteico a partir del subproducto de la elaboración de
quesos: el suero lácteo.
Se propone la metodología de operación del quipo con que cuenta el Instituto de
Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICTA), el cual mediante unos ajustes, podría entrar
en operación en el corto plazo.
Se hace una exhaustiva revisión, de acuerdo a los manuales de operación proveídos
por el fabricante, de las condiciones de operación, puesta en marcha, montaje,
mantención, limpieza; de los factores que influyen en la concentración de proteínas
presentes en el suero de leche, tales como temperatura, flujo, retentado y presión; y
de los principios que rigen el ciclo de operación, como la difusividad, densidad y
viscosidad, entre otros.
El trabajo incluye además, una escueta revisión de las distintas aplicaciones del
sistema alternativos a la concentración de proteínas y que se utilizan ampliamente en
la industria de alimentos.
SUMMARY
This paper focuses on the operation of an ultrafiltration system to obtain a protein
concentrate from by-product of cheese: whey.
A methodology is proposed to start the operation of this ultrafiltration system that
belongs to Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICTA), what through some
adjustments, could come into operation in the short term.
This report offer an exhaustive review, according to the operation manuals provided
by the manufacturer, of operating conditions, commissioning, installation,
maintenance and cleaning. Furthermore, factors that influence the concentration of
proteins present in whey such as temperature, flow, pressure and retentate, and the
principles governing the operation cycle, such as diffusivity, density and viscosity,
among others.
It also includes a brief review of the different alternative system applications to the
protein concentrate that are widely used in the food industry.CONTENIDO
CONTENIDO .................................................................................................................. 6
LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... 8
LISTA DE TABLAS ........................................................................................................... 9
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 10
1 MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 11
1.1 Separación por membranas .......................................................................... 11
1.2 Definiciones: MF, UF, OI y NF ........................................................................ 12
1.3 Proceso de ultrafiltración .............................................................................. 13
1.3.1 Dinámica de flujo a través de la membrana ............................................... 13
1.4 Caracterización de la corriente de alimentación............................................ 20
1.5 Aplicaciones del sistema de UF ..................................................................... 21
1.6 Constituyentes de la leche ............................................................................ 22
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN............................................. 28
2.1 Planteamiento del Problema......................................................................... 28
2.2 Justificación .................................................................................................. 28
3 OBJETIVOS ........................................................................................................... 29
3.1 Objetivo General ........................................................................................... 29
3.2 Objetivos Específicos .................................................................................... 29
4 METODOLOGÍA .................................................................................................... 30
4.1 Método ......................................................................................................... 30
5 RESULTADOS........................................................................................................ 31
5.1 Consideraciones ............................................................................................ 315.2 Instalación de la membrana en módulo de UF .............................................. 31
5.3 Procedimiento de tensado ............................................................................ 33
5.4 Ensamblado del equipo ................................................................................. 34
5.5 Puesta en marcha ......................................................................................... 36
5.6 Diagrama de flujo del proceso ...................................................................... 44
6 BIBILIOGRAFÍA ..................................................................................................... 46
7 CIBERGRAFÍA ....................................................................................................... 48LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Microfotografía de membrana orgánica. ....................................................... 11
Figura 2 Esquema del proceso. .................................................................................... 14
Figura 3 Fenómeno de osmosis inversa. ...................................................................... 15
Figura 4 Montaje del cassette soporte de membrana. ................................................ 17
Figura 5 Variación del flujo con respecto a la presión del sistema. .............................. 18
Figura 6 Variación del flujo con respecto a concentración de soluto. .......................... 18
Figura 7 Variación del flujo con respecto a la temperatura. ......................................... 19
Figura 8 Variación del flujo con respecto a la presión transmembrana con tres regiones
características; I, II y III. ............................................................................................... 19
Figura 9 Ensamblaje del cassette del sistema de UF. ................................................... 32
Figura 10 Ensamblaje de soporte superior. ................................................................. 32
Figura 11 Llave de torque Millipore. ............................................................................ 33
Figura 12 Secuencia de tensado de cassette................................................................ 34
Figura 13 Propuesta de configuración del sistema de ultrafiltración de suero. ............ 35
Figura 14 Diagrama de flujo del proceso de ultrafiltración. ......................................... 44LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Características de los procesos de membrana. ................................................ 12
Tabla 2 Coeficiente de difusividad para distintas moléculas. ....................................... 21
Tabla 3 Constituyentes de la leche de distinto tipo. .................................................... 23
Tabla 4 Distribución de sustancias nitrogenadas en la leche de vaca. .......................... 24
Tabla 5 Clasificación del suero..................................................................................... 25
Tabla 6 Constituyentes del suero en polvo. ................................................................. 25
Tabla 7 Peso molecular y punto isoeléctrico de las proteínas del suero de leche de
vaca. ........................................................................................................................... 26
Tabla 8 Etapas de mantenimiento del sistema de UF. ................................................. 36
Tabla 9 Clasificación de los agentes de limpieza. ......................................................... 38
Tabla 10 Calidad del agua sugerida por Millipore para operaciones de limpieza. ........ 41INTRODUCCIÓN
Las técnicas de separación con membranas permiten concentrar y separar diversos
productos y subproductos de soluciones concentradas a temperatura ambiente
compitiendo económicamente con otras técnicas convencionales.
En la industria láctea están siendo utilizados diferentes procesos con membranas que
permiten obtener cargas de contaminación menos elevadas en los efluentes,
beneficios económicos en la recuperación de proteínas y otros componentes, e incluso
la recuperación del agua del suero de la leche para su reutilización en el consumo
directo (Serna, 1996).
En la actualidad existen diferentes procesos que emplean diferentes tipos de
membranas y que se pueden clasificar según el tamaño de poro de la misma.
El sistema de ultrafiltración consiste en una corriente de alimentación que es
introducida en un arreglo de módulos. El agua y los solutos de bajo peso molecular
pasan a través de la membrana y son removidos como “permeado”. Los solutos de alto
peso molecular y sólidos suspendidos son retenidos por la membrana y finalmente
removidos como “concentrado” (Díaz y cols., 2004; Rinaldoni, 2009).
En la actualidad el suero se utiliza para la alimentación de cerdos y otros animales de
ganado, como suplementación para la fabricación de pan, como suplemento en la
elaboración de alimentos para infantes o ancianos. El precipitado de albúminas y
globulinas como aditivo alimentario y también como preparados cosméticos, entre
muchos otros usos (Scott, 1991).
101 MARCO TEÓRICO
1.1 Separación por membranas
La filtración es definida como la separación de dos o más componentes de una
corriente. La filtración por membrana extiende esta aplicación a la separación de
solutos disueltos en corrientes líquidas y a la separación de corrientes gaseosas
(Sharma, 2000).
La permeabilidad y selectividad de las membranas puede ser controlada durante el
proceso de fabricación. Las membranas son preparadas por diferentes métodos
patentados, a partir de acetato de celulosa, poliolefina, poliacrilonitrilo, cloruro de
polivinilo o fibra de vidrio y luego soportado por un material rígido y más poroso
(Garavito, 1995).
Figura 1 Microfotografía de membrana orgánica.
Fuente: Gelman Science, AnoporeTM
La separación en procesos con membrana es el resultado de diferencias en la velocidad
de transporte de las especies químicas a través de ella. La velocidad de transporte
depende de la fuerza motriz, así como de la resistencia ejercida por la membrana,
factores que dependen a su vez de las condiciones de operación del sistema y de las
propiedades de membrana (Kieran, 2003), así como también de surfactantes o
coagulantes para facilitar agregación de partículas (Narong, 2008).
El proceso de separación por membrana resulta ventajoso porque presenta poco
deterioro sobre los componentes que conforman el sistema y cuando los métodos
tradicionales de separación no resultan económicamente factibles (Gillies, 1974;
Razavi, 2003).
11Entre las desventajas del proceso, se pueden encontrar: posible descomposición
microbiana de la membrana (vida útil de la membrana afecta enormemente el costo),
descenso de la permeabilidad en el tiempo y uso de gentes limpiadores inadecuados,
los cuales deben ser libres de hierro y sílica (Kazemimoghadam, 2007).
1.2 Definiciones: MF, UF, OI y NF
Existe confusión, inclusive en la literatura, a las distinciones y características entre
microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), osmosis inversa (OI) y nanofiltración (NF).
Como ejemplo de lo anterior, UF ha sido referida a procesos de MF y OI e incluso ha
recibido el nombre de “hiperfiltración”.
La definición más útil para estos procesos se ha basado en el tamaño de partículas que
pueden retener durante un determinado proceso. De acuerdo a ello, cada proceso se
define por el tamaño de poro o por el peso molecular de corte como se muestra en la
tabla 1 (Rodríguez, 1997).
Tabla 1 Características de los procesos de membrana.
PROCESO PM DE CORTE (Da) FLUJO DE PERMEADO (l/h m2)
MF ≥ 200.000 ≥ 300
UF 1.000 – 200.000 30 – 300
OI 100 – 150 6 – 10
NF 300 – 1,00 -
Fuente: Rodríguez, 1997.
Dada su aplicación, este trabajo se concentrará en definir y caracterizar el proceso de
ultrafiltración.
La ultrafiltración (UF) es una técnica de filtración mediante membranas cuyo objetivo
es la separación o concentración de componentes desde una solución, mediante el
paso forzado de ésta a través de una membrana porosa, la cual permite o impide el
paso de sustancias de acuerdo a su tamaño o peso molecular, siendo la fuerza motora
del proceso la diferencia de presión a ambos lados del medio filtrante (Toledo, 1991).
Se estableció desde 1981 como el proceso principal para la concentración de suero.
Los factores que hacen de la ultrafiltración el proceso preferido son: desarrollo de
membranas robustas, sintéticas, de fácil limpieza y con propiedades uniformes;
12desarrollo de equipos que permiten operación continúa; bajos costos de operación;
bajos costos de producción para los productos, entre otros (Klinkowski, 1983).
1.3 Proceso de ultrafiltración
Funcionalmente, la ultrafiltración recuerda la filtración tradicional con la salvedad de la
dimensión de escala de separación. En este proceso, el flujo atraviesa paralelamente la
superficie de la membrana. Este flujo característico difiere del flujo perpendicular de la
filtración ordinaria. En ésta última, la torta de filtrado crece sobre la superficie,
requiriendo frecuente reemplazo o lavado del medio filtrante (Gillies, 1974). En la
ultrafiltración el mismo flujo previene el crecimiento de dicha torta. Así la filtración
produce un filtrado y un sólido o semisólido; mientras que los productos de la
ultrafiltración son dos fases líquidas: una agotada en soluto “ultrafiltrado” y una
enriquecida en soluto “retenido” (Garavito, 1995).
1.3.1 Dinámica de flujo a través de la membrana
Las sustancias se mueven a través de la membrana por diversos mecanismos. Para
membranas porosas, la difusión de Fick, asumiendo algunas condiciones de acuerdo al
tipo de membrana, rige el transporte de sustancias en un gradiente del potencial
químico como se muestra:
N Masa del componente i transportado (kmol/ m2 s)
i:
D: Difusividad del componente i( m2/s)
i
C: Concentración (kmol/m3)
µ: Potencial químico de la sustancia que difunde (J/kmol K)
R: Constante de los gases
T: Temperatura del proceso (K)
x: Distancia (m)
En la mayoría de los casos, los coeficientes de actividad están próximos a 1, y la
primera Ley de Fick se escribe como:
13Considerando D constante, y en particular que es independiente de C, y que las
concentraciones en las fases fluidas están en equilibrio con la membrana, la Ley de Fick
puede escribirse como:
z: Espesor de la capa de membrana
C : Concentración de la alimentación
f
C : Concentración del filtrado
p
La concentración de un componente en la fase de membrana será extremadamente
diferente de su concentración en la fase de fluido aunque estén en equilibrio.
Figura 2 Esquema del proceso.
Fuente: Perry, 2001.
1.3.2 Fisicoquímica del proceso
Todas las relaciones termodinámicas usadas para correlacionar las propiedades
fisicoquímicas de un sistema con parámetros termodinámicos se derivan de la
ecuación de energía libre de Gibbs, la cual en su forma más simple se expresa como:
Donde G= Energía libre de Gibbs; H= Entalpía
T= Temperatura absoluta; S= Entropía
E= Energía interna; P= Presión
V= Volumen
14En forma diferencial, estas ecuaciones pueden ser escritas como:
Combinando esta ecuación con la primera ley de la termodinámica se obtiene:
Para sistemas abiertos, en los cuales materia y energía pueden entrar y salir, la
ecuación anterior debe ser modificada por adición de términos relativos a los cambios
en la masa del sistema. La ecuación se convierte entonces:
Donde: µ= Potencial químico del componente
n= Número de moles del componente
i= Denota el iésimo componente
Así, por definición:
Donde i denota el componente de interés y j denota todos los demás componentes.
El potencial químico en términos simples es esencialmente una fuerza conductora
expresada como un cambio en la energía libre del sistema como resultado de una
modificación en la composición del mismo (Garavito, 1995).
Figura 3 Fenómeno de osmosis inversa.
Fuente: http://www.opex-energy.com
151.3.3 Conceptos Básicos
Porosidad de membrana: las membranas de separación presentan una amplia gama
de porosidad. Las membranas de separación de gas poliméricas y metálicas, las
membranas de pervaporación y las de ósmosis inversa no son porosas, aun que hay
una prolongada controversia sobre la no porosidad de la última. Las membranas
porosas se usan para MF y UF.
Peso molecular de corte: es el mejor método conocido para la caracterización de
membranas de UF. El concepto de peso molecular de corte, es poderoso y
engañosamente simple. La definición aceptada corresponde a la masa molecular de la
proteína que es retenida en un 90%.
Difusión de una solución: la masa pasa a través de las membranas no porosas por
conducción iónica (electrodiálisis) o por disolución en la membrana, teniendo lugar la
difusión a través de la membrana en respuesta a un gradiente de potencial químico,
que puede ser un cambio en la concentración de la presión del vapor o un potencial
eléctrico.
Poros: También las membranas porosas pueden dar elevada selectividad. Las
membranas de MF y UF son claramente porosas, sus poros oscilan de un tamaño de 3
nm a 3 µm. Las membranas de NF tienen poros más pequeños.
Factor de separación: el factor de separación α se define consistente con otros
métodos de separación. Es importante recalcar que en las membranas, α es el
resultado de las velocidades diferentes y que no tiene implicaciones de equilibrio. La
convención en las separaciones por membrana es definir la separación de modo que
α>1.
Α = (C / C) / (C / C)
i j p i j f
Retención: éste término se utiliza en MF y UF.
R = 1 – (C / C)
p f
Donde C es la concentración de materia que está siendo retenida.
Por convenio, C se mide en la alimentación masiva y no en la membrana. Claramente,
f
la concentración en la membrana es la importante, pero la convención está muy
establecida y simplifica los cálculos del rendimiento y del balance de materia.
Flujo transversal: la mayor parte de los procesos de membrana se operan con flujo
transversal. En este tipo de flujo, el concentrado retenido pasa paralelamente a la
membrana de separación, a una velocidad que a menudo es de un orden o magnitud
más alto que la velocidad de la corriente que pasa a través de la membrana.
16Flujo: es el término empleado para describir la rapidez con la que un producto pasa a
través de una membrana. Una velocidad expresada como volumen/área tiempo, no
tiene en cuenta el espesor de la membrana. El flujo es específico para la membrana, la
aplicación, las condiciones de operación y normalmente el tiempo.
Suciedad: el flujo se reduce con el tiempo en la mayor parte de las operaciones de
membranas. Una reducción de hasta un 80% del rendimiento inicial puede tardar
minutos o meses. La causa principal de este fenómeno es la suciedad, definida como
una reducción irreversible en el rendimiento, resultante de la interacción con
componentes de la alimentación. La limpieza es una vía común de restauración de gran
parte o toda la producción inicial de la membrana obstruida por la suciedad. Algunas
formas de suciedad son permanentes, como por ejemplo, las que cambian la
estructura de la membrana.
Cassette: es un dispositivo de placa y estructura favorecido por la facilidad de escalado
a partir del laboratorio a pequeñas plantas. Es el sostenedor del sistema de UF.
Figura 4 Montaje del cassette soporte de membrana.
Fuente: Millipore Corporation, 2000.
1.3.4 Relación entre variables durante el proceso
De acuerdo con lo planteado en la sección 1.3.1., existe relación entre las variables que
gobiernan el proceso: flujo, presión intramembrana (sistema), concentración de soluto
y temperatura.
17- Variación del flujo de acuerdo a la presión:
El flujo aumenta con el incremento en la presión del sistema. Pero cuando la presión
osmótica es igual a la presión aplicada al sistema, no se obtendrá flujo (Fig. 5).
Figura 5 Variación del flujo con respecto a la presión del sistema.
- Variación del flujo de acuerdo a concentración del soluto:
El flujo decrece a altas concentraciones de soluto a causa de la presión osmótica (Fig.
6).
Figura 6 Variación del flujo con respecto a concentración de soluto.
- Variación del flujo de acuerdo a la temperatura:
El uso de altas temperaturas aumenta la permeabilidad de la membrana,
disminuyendo su selectividad y aumentado el flujo (Fig. 7).
18Figura 7 Variación del flujo con respecto a la temperatura.
1.3.5. Limitaciones del proceso
Una de las limitaciones del sistema de UF es el fenómeno de “polarización de la
concentración”.
Figura 8 Variación del flujo con respecto a la presión transmembrana con tres regiones características;
I, II y III.
Al incrementar la presión se incrementa el flujo en una relación lineal con respecto a la
presión, como se muestra en la región I de la figura 8, pero también aumenta la
concentración de macromoléculas en la superficie de la membrana. Este proceso de
acumulación continuará hasta que la capa de macromoléculas comience a obstaculizar
el flujo a través de la membrana. En esta etapa, descrita en la región II de la figura 8, el
incremento en la presión causa, al igual que en la región I, un aumento decreciente del
flujo. La capa de macromolécula que está adsorbida en la superficie de la membrana
forma un gel. En este punto la resistencia de la membrana llega a ser el factor limitante
en el flujo y un incremento importante en la presión no provoca cambios en el flujo y
ambas variables son ahora independientes, como se muestra en la región III de la
19figura 8. El fenómeno descrito se conoce como polarización de la concentración (Perry,
2001).
1.4 Caracterización de la corriente de alimentación
Las propiedades físicas del fluido pueden variar a través del proceso ya que la
concentración y turbulencia del sistema también están cambiando. Dentro de las
propiedades del fluido a destacar cuentan la densidad, viscosidad y difusividad. Las
anteriores deben ser cuantificadas antes de iniciar el proceso de UF.
1.4.1 Densidad
Es un parámetro fácilmente determinable mediante la utilización de picnómetros.
Dado que la mayoría de las corrientes a filtrar son diluidas, su densidad es bastante
similar a la del agua.
1.4.2 Viscosidad
La viscosidad se define en términos de esfuerzos cortantes (τ) y velocidades cortantes
(Γ) y de acuerdo a si presentan comportamiento Newtoniano o no Newtonianos.
Para fluidos Newtonianos:
Para fluidos no Newtonianos:
1.4.3 Difusividad
La viscosidad y la densidad son relativamente fáciles de determinar o estimar, mientras
que el coeficiente de difusión no resulta tan simple.
Los datos de difusividad son escasos en literatura, sobre todo en función de
temperatura o concentración. Se han formulado diversas ecuaciones sin buenos
resultados. En la tabla siguiente se muestran algunos coeficientes de difusión.
20Tabla 2 Coeficiente de difusividad para distintas moléculas.
PESO TEMPERATURA
MOLÉCULA DIFUSIVIDAD
MOLECULAR (ºC)
*107 (cm2/s)
(Da)
Albúmina, suero humano 69.000 20 6,43
α-Lactalbúmina 16.000 25 7,4
β-Lactoglobulina 18.000 25 6,4
Caseína 24.000 25 1,9
Colágeno 345.000 20 1,16
ADN 6.000.000 20 0,13
Fibrinógeno humano 339.700 20 2,98
Inmunoglobulina G, 20
153.000 4,11
humano
Miosina 493.000 20 1,16
Ovalbúmina 43.500 25 7,6
Tripsina, bovino 15.100 20 10,09
Fuente: Cheryan, 1986.
1.5 Aplicaciones del sistema de UF
Numerosas publicaciones describen las diversas aplicaciones que el proceso de UF
tiene lugar dentro de la industria. Se puede mencionar la separación y fraccionamiento
de proteínas, eliminación de cenizas en lácteos y bebidas en general, clarificación de
vinos y jugos y concentración de productos, además del tratamiento y purificación de
aguas. A continuación se describen algunas aplicaciones menos tradicionales.
1.5.1 Granos
Para procesos de molienda de granos húmedos, donde es necesario recuperar las
sustancias disueltas en el agua de desecho, y que por lo demás, poseen un alto valor
nutritivo. El producto obtenido de la purificación y concentración del agua se expende
como alimento y suplemento para alimentación animal.
211.5.2 Concentración y fraccionamiento
La concentración y fraccionamiento de la leche antes y después de la producción de
quesos permite controlar y suministrar determinados nutrientes a los quesos
producidos. Un fraccionamiento de la leche antes de la producción de quesos, permite
incorporar determinadas proteínas, lactosa y/o cenizas al queso, otorgándole
características nutricionales distintivas al producto. Este mismo proceso aplicado al
suero de leche después de la producción de quesos permite al productor recuperar
una fracción importante de proteínas y al mismo tiempo eliminar los desechos sin
atentar contra el medio ambiente.
1.5.3 Carne
Algunas procesadoras de carne, incorporan dentro de la manufactura del producto
agua tibia para el lavado de canales. Ésta agua, una vez cumplida la función, es
desechada. El proceso de UF permite reutilizar esta agua de desecho con el respectivo
ahorro del coste que implica elevar la temperatura y utilizar agua de la red.
1.5.4 Pescados
En Minnesota, una compañía procesadora de pescado, descongela el pescado
proveniente de diversos lugares del país y luego lo remoja en salmuera antes del
proceso principal de ahumado. La salmuera, que después del proceso contenía aceites
y proteínas del pescado, era descartada al alcantarillado. Dado el elevado contenido de
sal y otros disueltos, era altamente contaminante. Mediante UF, se logró recuperar la
proteína, el aceite y reducir el contenido de sal, obteniendo un agua óptima para el
descargue al alcantarillado.
1.5.5 Concentración de gelatina
Se incorporó al final del proceso de elaboración de gelatina, un sistema de membranas
que permitió recuperar la gelatina de los residuos de extracción. Lamentablemente,
era tal la cantidad del producto de interés que se estaba desechando que la membrana
se taponeaba continuamente elevando los constes por este concepto. La incorporación
del mismo sistema de membranas, pero en sitios intermedios del proceso, logró un
aumento en la recuperación de gelatina y un respectivo incremento en la producción.
1.6 Constituyentes de la leche
Los constituyentes de la leche de vaca, oveja y cabra se encuentran representados en
la siguiente tabla para su comparación:
22Tabla 3 Constituyentes de la leche de distinto tipo.
Vaca (%p/p) Oveja (%p/p) Cabra (%p/p)
Grasa 3,4 8,0 3,5
Proteína 3,1 7,0 3,6
Lactosa 4,6 5,0 7,5
Cenizas 0,7 0,7 0,8
Fuente: Mahaut, 2004.
Además, posee pequeñas cantidades de lecitina, colesterol, colorantes, vitaminas (A,
B, B , C, D, E), enzimas y gases disueltos. Dentro de las proteínas que conforman la
2
leche, la que se encuentra en mayor abundancia es la caseína, luego la lactalbúmina y
en menor proporción la lactoglobulina, entre otras (Mahaut, 2004). La distribución de
las principales sustancias nitrogenadas en la leche de vaca se muestra en la tabla
siguiente:
23Tabla 4 Distribución de sustancias nitrogenadas en la leche de vaca.
PROPORCIONES MEDIAS
g/l Relativas
Prótidos Totales 32 100
I. Proteínas
A. Caseína Isoeléctrica 25 78 / 100
a. Caseína α 9,0 36
s1
b. Caseína α 2,5 10
s2
c. Caseína β 8,5 34
d. Caseína κ 3,2 13
e. Caseína γ , γ , γ 1,75 7
1 2 3
B. Proteínas del Suero 5,4 17 / 100
B1. Albúminas
a. β-lactoglobulina 2,7 50
b. α-lactalbúmina 1,2 22
c. Seroalbúmina 0,25 5
B2. Globulinas Inmunes 0,65 12
B3. Proteasas-peptonas 0,6 10
II. Sustancias Nitrogenadas No
1,6 5
Protéicas
Fuente: Walstra, 2001.
1.6.1 Lactosuero
El suero es un líquido opaco, amarillento y permanece en la cuba del queso en seguida
de la separación de la cuajada del líquido cuando se convierte leche en queso. La
proteína y la grasa en el suero es recuperada comercialmente por ultrafiltración, ya
que estas moléculas, en virtud de su tamaño, son retenidas por la membrana mientras
que la lactosa y las cenizas pasan a través del medio filtrante al permeato (Yee, 2007).
24Las propiedades del suero de leche son las siguientes:
Conductividad térmica (Kcal/mhr): 20°C = 0.465
80°C = 0.551
Viscosidad a 20°C: 1.2 centipoise
La proteína del suero de leche es primordialmente la β-lactoglobulina y α-
lactalbúmina, las cuales comprenden el 50 y 20% respectivamente. El resto de las
proteínas presentes en menor cantidad son la seroalbúmina, inmunoglobulina,
lactoferrina, lactoperoxidasa, entre otras. El suero dulce, contiene además
caseinomacropéptido, la cual es liberada durante la hidrólisis de la κ-caseína
provocada por la renina (Metsamuuronen, 2009).
En la tabla 5 se muestra la clasificación del suero de acuerdo a su acidez total o su
contenido de ácido láctico; en la tabla 6, los constituyentes del suero en polvo.
Tabla 5 Clasificación del suero.
Tipo Acidez Titulable (%p/v) pH
Dulce 0,1-0,2 5,8-6,6
Medio Ácido 0,2-0,4 5,0-5,8
Ácido 0,4-0,6 4,0-5,0
Fuente: Garavito, 1995.
Tabla 6 Constituyentes del suero en polvo.
Constituyente % en Suero Dulce Seco % en Suero Ácido Seco
Proteína 12,9 12,5
Lactosa 73,5 65
Grasas 1,1 0,8
Minerales 8,0 10,5
Humedad 4,5 4,0
Fuente: Walstra, 2001.
La tabla 7 muestra en contenido de proteínas del suero de leche de vaca presentes en
mayor cantidad en el suero dulce.
25Tabla 7 Peso molecular y punto isoeléctrico de las proteínas del suero de leche de vaca.
Punto
Proteína Masa Molar (kDa)
Isoeléctrico
β-lactoglobulina 18,4 5,2
α-lactalbúmina 14,1 4,5-4,8
Inmunoglobulina 150-1.000 5,5-8,3
Seroalbúmina 66 4,7-4,9
Lactoferrina 78 9,0
Lactoperoxidasa 89 9,5
Caseinomacropéptido 7 -
Fuente: Metsamuuronen, 1995.
1.6.2 Proteínas del suero
- β-lactoglobulina. Es la mayor proteína del suero, insoluble en agua, soluble en
solución salina diluida y precipita en presencia de sulfato de magnesio o de amonio en
medio saturado.
Se clasifica dentro de las albúminas debido a su gran solubilidad, relativo bajo peso
molecular, movilidad electroforética y su naturaleza holoprotéica. El peso molecular de
un monómero alcanza los 18.360 Da.
Esta proteína se encuentra formada por una sola cadena peptídica de 162 restos de
aminoácidos. La cadena se repliega sobre si misma por acción de dos puentes S-S,
asegurando la estructura terciaria y quedando un grupo sulfhidrilo libre.
- α-lactalbúmina. También clasificada dentro de las albúminas, esta proteína parece
estar presente en la leche de todos los mamíferos, lo que la hace característica de del
suero lácteo. Es una proteína cuyo peso molecular alcanza los 14.200 Da
aproximadamente.
- Inmunoglobulinas. En la leche son las mayores moléculas encontradas y tienen la
propiedad de transmitir inmunidad. Su peso molecular es de aproximadamente
180.000 Da y son las más sensibles a la desnaturalización por temperatura.
- Seroalbúmina. Es similar a la seroalbúmina sanguínea. Presenta el mismo peso
molecular de 69.000 Da, la misma composición en aminoácidos y la misma cinética de
26desnaturalización. Está conformada por una única cadena peptídica con varios
repliegues que se estabilizan por puentes disulfuro (Walstra, 2001).
272 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN
2.1 Planteamiento del Problema
Tradicionalmente, los productores de queso han considerado el suero, producto de la
elaboración de queso, como un desecho. Una fracción de éste era utilizada como
alimentos para animales y el restante era vertido al mar, ríos, canteras, etc. Las
modernas medidas tendientes a palear la polución impiden la utilización de ríos,
torrentes e incluso alcantarillado doméstico como lugar de vertido por la alta
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y las consecuencias que eso genera (Scott,
1991).
2.2 Justificación
Durante la fabricación de quesos, se genera una gran cantidad de suero, equivalente al
83% del volumen de leche total empleada. Se ha tomado conciencia del elevado valor
nutritivo del suero de leche de vaca, tanto para el hombre como para los animales, lo
que ha motivado la investigación para el descubrimiento de nuevos métodos de
aprovechamiento.
La ultrafiltración otorga la oportunidad de concentrar las proteínas provenientes del
suero, brindarle valor agregado y funcionalidad, y utilizar el concentrado proteico en la
formulación de diversos alimentos. De esta manera, el estudio sugiere un sistema que
permite aprovechar el subproducto y generar beneficios para los grandes y pequeños
productores.
283 OBJETIVOS
3.1 Objetivo General
Establecer los parámetros para obtener un concentrado proteico a partir de lactosuero
de queso, por separación con membrana y con miras a ser utilizado en la formulación
de alimentos.
3.2 Objetivos Específicos
3.2.1.- Caracterizar la materia prima.
3.2.2.- Determinar las condiciones de trabajo para la utilización del sistema de
ultrafiltración.
3.2.3.- Establecer los parámetros del proceso de ultrafiltración.
294 METODOLOGÍA
El proyecto se basó en un modelo teórico que busca determinar las óptimas
condiciones de trabajo del sistema, fijando las variables involucradas en el proceso y
caracterizando el concentrado proteico obtenido.
4.1 Método
- La primera etapa del estudio consiste en la puesta a punto del equipo,
siguiendo las recomendaciones y especificaciones del proveedor de membranas.
- Caracterización de la materia prima en términos de contenido proteico,
humedad, grasa, acidez titulable y pH.
- Determinar las condiciones de trabajo: temperatura, flujo y presiones de
entrada y salida del sistema, así como también transmembrana.
305 RESULTADOS
5.1 Consideraciones
Antes de proceder al montaje del cassette soporte de membrana, es necesario reunir
las herramientas necesarias para esta operación y una vez retirado el empaque
protector de la membrana, ésta no se debe tocar ni dejar secar.
A continuación se describen las piezas y partes a configurar:
- 1 cassette, cód. UNAL 2083212 (todas las partes y piezas bajo el mismo código).
- 2 manómetros (entra y salida) integrados en cassette.
- 1 membrana, marca Millipore Pellicon 2 cassette filter, PLCTK 30 kD, material
celulosa regenerada.
- 3 mangueras de caucho.
- 1 válvula de paso plástica, 150 psi.
- 3 abrazaderas metálicas para ensamblaje.
- 1 válvula ahorque metálica.
- 1 bomba Easy Load Master Flex Millipore, serie M96003278, voltaje 115 VAC,
50/60 MHz, 3 amp y capacidad de 100-650 RPM.
- 1 flujómetro Millipore, 1,8 a 18 LPM, Pellicon para retentado.
- 1 flujómetro Millipore 0,4 a 4 LPM, Pellicon para permeado.
5.2 Instalación de la membrana en módulo de UF
a) Inspeccionar visualmente el cassette para verificar que no se presenten
imperfecciones antes de comenzar la instalación. Es importante revisar que los
hilos de ajuste interior de tuercas, pernos y de las 4 bielas de unión soporte no
estén dañados. Las tuercas deben girar libremente al ser encajadas en las
barras de soporte.
b) Remover el plástico protector de la membrana de ambos lados del
asentamiento de las juntas. Colocar una lámina de silicona intercassete sobre la
parte inferior de la placa de soporte (figura 9).
c) Ensamblar la membrana Pellicon a continuación de la lámina de silicona
intercassette encajándola en los agujeros en las bielas de unión. Sobre ella,
colocar una segunda lámina de silicona intercassette (figura 9).
d) Cuidadosamente, instalar la placa de soporte superior mirando hacia abajo del
sistema y con la manilla mirando hacia arriba (figura 9).
31Figura 9 Ensamblaje del cassette del sistema de UF.
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
e) Ensamblar por la parte superior, girar suavemente y en el orden que se indica y
como muestra la figura 10:
1. Tuerca de compresión
2. Espaciador
3. Arandela (si es necesario)
4. Tuerca hexagonal
Figura 10 Ensamblaje de soporte superior.
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
32f) Girar y apretar con las manos las tuercas descritas en el punto anterior de
manera diagonal y simétrica y en el mismo sentido del torque.
5.3 Procedimiento de tensado
En esta etapa se hace necesaria una llave de torque y una copa hexagonal de 15/16
pulgadas (figura 11).
Figura 11 Llave de torque Millipore.
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
a) Ajustar el torque en la llave a 40-45 Nm (350-400 in-lb).
b) Inicialmente, girar cada tuerca en la secuencia señalada en ½ ó ¾ de giro.
c) A medida que se torna más duro el ajuste, aplique de 1/8 a ¼ de giro en la
misma secuencia señalada.
d) Luego que cada tuerca ha sido ajustada al torque programado espere entre 5 y
10 minutos. Es importante esperar ese tiempo para que el material se ajuste.
e) Nuevamente ajuste el torque en la llave a la magnitud señalada en a) y repita la
operación.
f) Ahora, apriete nuevamente las tuercas del sistema, pero esta vez ajuste el
torque de la llave a un valor que no supere los 62 Nm (550 in-lb).
33Figura 12 Secuencia de tensado de cassette.
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
El sistema ahora está listo para ser utilizado.
Cabe destacar que es importante revisar el torque antes de cada uso del sistema. Éste
no debe sobrepasar el máximo descrito anteriormente, pues esto podría provocar
daños permanentes en la membrana. Por último, se debe tener en consideración la
temperatura ambiental en la que se lleva a cabo el ensamblaje y en la que operará el
sistema. Si el sistema se ensambla en un área de bajas temperaturas y luego es
operado bajo altas temperatura, es necesario revisar el torque, ya que, es posible que
se produzca una sobre presión por la dilatación de los materiales contenidos en el
cassette.
5.4 Ensamblado del equipo
Se sugiere la disposición que se muestra en la figura 13, la cual posee la configuración
mínima de operación y control de variables. Se pueden anexar otros dispositivos, como
un intercambiador de calor, válvulas para regular presión a la entrada, membranas
adicionales para fraccionar el retentado/filtrado, etc.
34Figura 13 Propuesta de configuración del sistema de ultrafiltración de suero.
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
Actualmente se dispone de todos los elementos descritos en la figura 2.4, con algunas
modificaciones:
- Estanque de alimentación. Listo para uso.
- Bomba de alimentación. Se sugiere una revisión por personal preparado, ya
que durante las visitas del asesor comercial, se registran fallas menores en el aparato
de bombeo. Probablemente una revisión preventiva sea suficiente para solucionar
dichas fallas.
- Manómetro de presión de entrada. Está dañado. Se sugiere reemplazar la
pieza.
- Módulo de filtración. Necesaria una llave de torque para ajustar el cassette.
Listo para ensamblaje y uso.
- Manómetro de presión de salida. Listo para uso.
- Válvula para aplicar presión. Se cuenta con pinzas que impiden parciamente el
paso de líquido por las mangueras de caucho. Aunque es posible operar bajo estas
condiciones, se sugiere reemplazarla por válvulas de acero inoxidable de mayor
precisión.
- Tuberías. El sistema actualmente cuenta con mangueras de caucho. Aunque se
pueden utilizar en la puesta en marcha (riesgo de fatiga a altas presiones), se sugiere
sean reemplazadas por tuberías de acero inoxidable.
Para el ensamblado del equipo de UF, es importante asegurarse de sellar las uniones
de las piezas, ya que, el sistema opera bajo presión y se pueden producir filtraciones.
355.5 Puesta en marcha
Todos los procesos de separación por membranas operan por ciclos repetitivos. Para
asegurar la funcionalidad y la vida útil de la membrana, el mantenimiento es
primordial. Al término de cada ciclo de proceso, tanto la membrana como el sistema
en general, deben ser profundamente limpiados para asegurar la reproductibilidad de
los resultados de cada ciclo de operación.
Se deben seguir numerosas etapas después de cada ciclo de proceso completado.
Estos pasos son específicos para cada operación particular, pero siempre incluye
algunos de los que se muestran en la tabla siguiente:
Tabla 8 Etapas de mantenimiento del sistema de UF.
ETAPAS FUNCIÓN
Remover la mayor parte de los residuos dejados
Lavado/Enjuague durante el ciclo del sistema o remover el agente de
limpieza.
Remover los residuos remanentes del ciclo de
Limpieza operación retenidos en la membrana o en las paredes
internas del sistema.
Eliminar los microorganismos contaminantes
Sanitización
presentes en el interior del sistema.
Eliminar redsiduos químicos antes del proceso de
Depirogenación
productos inyectables (ind. Farmacéutica).
Permeabilidad al Determina la eficacia de las etapas de limpieza y
agua enjuague.
Proceso que elimina eficazmente la totalidad de los
Esterilización microorganismos vivos presentes en el interior del
sistema.
Mantener la integridad y limpieza del módulo de la
Almacenamiento
membrana cuando no está en uso.
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
365.5.1 Mantenimiento de la membrana
La limpieza de la membrana y del sistema es un elemento esencial en el
mantenimiento del sistema de UF. Lo anterior responde a mantener la eficiencia y
productividad del equipo y minimizar los efectos de suciedad adherida a la superficie
de la membrana después de cada ciclo de proceso.
a. Selección del agente de limpieza
Los factores a considerar al momento de seleccionar el agente de limpieza para el
sistema son:
1. Tipo de suciedad
2. Tipo de membrana
3. Requerimientos de aplicación
El agente de limpieza es seleccionado de acuerdo con una combinación entre la
efectividad y la compatibilidad con el material de la membrana y el proceso. El químico
de limpieza se escoge en base a la composición del fluido sometido a filtración.
En este caso, por tratarse de suero de leche, la composición del fluido a filtrar se
compone principalmente de agua y proteínas, y en lípidos y cenizas en menor
cantidad.
b. Descripción de los agentes de limpieza
El mercado ofrece una amplia gama de agentes de limpieza compatibles con los
distintos procesos de UF y materiales de membrana. Cada agente de limpieza remueve
un contaminante en particular o una clase de ellos por diversos mecanismos. Dentro
de estos mecanismos, se pueden mencionar la humectación, emulsificación,
hidrolización, dosolución, dispersión, quelación, entre otros. La tabla siguiente muestra
la clasificación general de los agentes de limpieza.
37Tabla 9 Clasificación de los agentes de limpieza.
CLASIFICACIÓN GENERAL DE AGENTES DE LIMPIEZA
AGENTE DE
MECANISMO SUCIEDAD
LIMPIEZA
Hidrólisis a pH
Biopolímeros, lípidos,
Álcalis alto
proteínas, almidón.
Solubilización
Saponificación
Ácidos Sales Inorgánicas.
Solubilización
Humectación
Biopolímeros, aceites, lípidos,
Emulsificación
Surfactantes proteínas y partículas
Suspensión
insolubles.
Dispersión
Degradación Biopolímeros, proteínas,
Oxidantes
oxidativa polisacáridos.
Digestión Biopolímeros, proteínas,
Enzimas
enzimática polisacáridos.
Solventes Solubilización Aceites, lípidos.
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
-Álcalis. NaOH (soda cáustica) es agente más utilizado en operaciones de limpieza.
Habitualmente se prepara en solución acuosa al 0,1 N y es compatible con la mayoría
de los materiales de membrana y tipos de aplicaciones. Además remueve una amplia
gama de residuos orgánicos y biológicos.
-Ácidos. Los ácidos nítricos (HNO ), fosfórico (H PO ) y clorídrico (HCL) son los más
3 3 4
comunes para la remoción de residuos inorgánicos, como las sales de cálcio y
magnesio. Para sistemas de acero inoxidable, no se recomienda el ácido clorídrico por
su poder corrosivo.
-Surfactantes. Muchos están formulados con agentes quelantes, enzimas y NaOH, y
forman parte de soluciones comerciales. Son muy efectivos y compatibles con casi
todos los sistemas de UF, pero su costo es más elevado.
-Oxidantes. El cloro causa degradación oxidativa de residuos proteínicos y otros
contaminantes orgánicos. Se recomienda su uso cuando otros agentes de limpieza no
son totalmente efectivos o como complemento de una etapa de limpieza anterior. Este
38químico es comercializado como hipoclorito de sodio o calcio, y debe usarse en
concentraciones de 200-400 ppm de cloro activo (equivalente a 400-800 ppm de
NaOCl).
-Enzimas. Usualmente son útiles para aplicaciones de limpieza específicas pero no es
ampliamente recomendado. Las reacciones de digestión enzimática son lentas e
incompletas. Sin embargo, para aplicaciones que requieren la remoción de
carbohidratos complejos como polisacáridos y amilasas los resultados son muy
buenos. Algunas preparaciones comerciales contienen enzimas, surfactantes y agentes
quelantes.
-Solventes. El uso de solventes es incompatible con las membranas poliméricas, por lo
que no es ampliamente recomendado su uso. Etanol al 20-50 %v/v en solución acuosa
puede ser utilizado para la limpieza del sistema cuando la membrana sea de un
material distinto al antes descrito. Este procedimiento es efectivo en la remoción de
lípidos y aceites.
5.5.2 Factores que afectan la eficacia del proceso de limpieza
El proceso de limpieza está influenciado por diversos factores. La significancia de estos
factores varía con el método de limpieza o con el tipo de suciedad a remover.
a. Tiempo y concentración
La concentración de agente de limpieza requerida es la necesaria para remover la
suciedad del sistema y de la membrana en rango de tiempo razonable. Este tiempo es
generalmente entre 30 y 60 minutos por ciclo. La concentración es función, además,
del costo del químico y de la vida útil de la membrana.
Altas concentraciones de agente de limpieza no necesariamente se traducen en un
procedimiento más completo y más rápido.
b. Temperatura
La temperatura es un factor altamente significativo durante el procedimiento de
limpieza del sistema. Afecta de tre maneras:
- disminuye la fuerza del enlace suciedad/superficie
- aumenta parcialmente la solubilidad de los contaminantes solubles
- aumenta las velocidades de reacción de los agentes de limpieza que actúan
hidrolizando u oxidando.
39Los procedimientos de limpieza eficaces a 50ºC pueden no serlo a 25ºC. El rango de
temperatura adecuada para esta operación es 40-60ºC, a menos que las
especificaciones de la membrana indiquen una distinta.
c. Velocidad de flujo
La velocidad del flujo durante la operación de limpieza debe ser igual o superior a la
velocidad de flujo del proceso de filtrado. Una velocidad del flujo adecuada asegura
que el agente de limpieza penetrará completamente la estructura de la membrana, los
canales de retentado y en las tuberías.
d. Calidad del agua
La calidad del agua utilizada en la operación de limpieza afecta el proceso de dos
maneras:
- Los contaminantes del agua pueden depositarse en la membrana. Estos
contaminantes pueden ser coloides orgánicos e inorgánicos, suspensiones y
óxido entre muchos otros.
- Los componentes del agua pueden reaccionar con los agentes de limpieza,
formando contaminantes. Un ejemplo de lo anterior es la presencia de altos
niveles de hierro y manganeso que pueden ser oxidados por el cloro, formar
precipitados y depositarse en la membrana.
El fabricante de la membrana, Millipore, sugiere utilizar un agua con las siguientes
características:
40Tabla 10 Calidad del agua sugerida por Millipore para operaciones de limpieza.
CALIDAD DEL AGUA
CONSTITUYENTE CONCENTRACIÓN ACEPTABLE
Fe
<0,05 ppm
Mn
<0,05 ppm
Al <0,05 ppm
Sílica Reactiva <2 ppm
Sílica Coloidal -
Ca, Mg <25 ppm
Turbidez <1,0 JTU
SDI 15 Preferiblemente <3
Materia particulada -
Aceite, lípidos -
Fuente: adaptado de Millipore Corporation, 2000.
5.5.3 Determinación de la efectividad de la limpieza
La mejor manera de determinar la efectividad del proceso de limpieza es evaluar la
permeabilidad al agua normalizada y compararla con el valor de permeabilidad al agua
normalizada obtenida antes del primer uso. Cuando la permeabilidad al agua
normalizada para dicha membrana alcanza el mismo valor (o muy cercano) obtenido
antes del primer uso, entonces se considera que el proceso de limpieza es eficaz.
- Determinación de la permeabilidad al agua normalizada
Una vez retirado el empaque e instalado de la membrana, lavado y enjuagado del
sistema ya montado, se procede a realizar la primera medición de la permeabilidad al
agua normalizada (NWP, por sus siglas en inglés). Este valor marca la referencia con la
cual deben compararse los valores de NWP obtenidos en ciclos sucesivos de procesos.
Estos valores subsecuentes de NWP determinarán la eficacia del proceso de limpieza.
Procedimiento:
a) Dirigir la línea de permeado y retentado al tanque de limpieza.
41b) Cerrar la válvula de descarga del estanque de limpieza y abrir las válvulas de
paso de las líneas de permeado y retentado.
c) Ajustar la velocidad de la bomba a la más baja.
d) Llenar el tanque de limpieza con agua limpia, preferiblemente a 25ºC. Para
mediciones precisas, el agua empleada para esta operación debe satisfacer los
requerimientos que se muestran en la tabla 10.
e) Iniciar la recirculación de agua y ajustar las siguientes condiciones de operación
para la bomba:
- Presión de entrada: 10 psi (0,7 Bar)
- Presión de descarga del retentado: 5 psi (0,35 bar)
f) Recircular el agua por un lapso de tiempo de 5 a 10 minutos. Asegurarse que las
condiciones de presión y temperatura en el sistema son estables después de
ese tiempo.
g) Registrar flujo de permeado, presiones de entrada y salida y temperatura del
agua.
h) Después de finalizar el ciclo, detener el sistema y drenar el líquido.
i) Calcular el NWP con la siguiente ecuación.
Donde:
R = flujo de permeado en L/hora
P = Presión de entrada en psi
en
P = Presión de descarga del retentado en psi
sa
P = Presión de descarga del permeado (si no es cero) en psi
p
A = Área total de la membrana en m2
F = Factor de corrección de temperatura
42j) Después del primer uso del módulo, el NWP debe estar dentro del 60 al 80%
del valor original. Después de sucesivos usos (más de 5 ciclos) el valor de NWP
no debe variar más del 10%.
5.5.4 Lavado/enjuague
El objetivo de esta operación es remover o purgar del sistema cualquier residuo o
agente de limpieza que esté presente en el interior. Después de cada ciclo de proceso
y antes del proceso de limpieza, se procede al de lavado/enjuague para reducir el
material contaminante al interior del sistema. Asimismo, después del ciclo de limpieza,
es necesario realizar nuevamente el ciclo de lavado/enjuague, con el objeto de
eliminar los residuos del agente de limpieza.
Los parámetros clave de esta operación son la velocidad y el volumen del flujo. La
velocidad debe ser adecuada para lograr un enjuague efectivo en las líneas de
permeado y retentado.
Cuando el ciclo de lavado/enjuague está operando, el flujo en las líneas de retentado y
permeado deben ser dirigidas al desagüe. Nunca deben recircularse.
La temperatura es otro parámetro a considerar. Se recomienda agua tibia (40-50ºC)
para elevar la solubilidad del agente de limpieza o de los residuos presentes.
5.5.5 Sanitización
Este proceso tiene como función disminuir la carga microbiológica en la membrana y
al interior del sistema antes y/o después de la corrida del ciclo de proceso. Cabe
destacar que este procedimiento no esteriliza el sistema pero está diseñado para
minimizar la contaminación del producto durante el proceso de UF. La sanitización
siempre debe proceder después del ciclo de limpieza.
Este proceso se puede llevar a cabo con una amplia gama de agentes sanitizantes o
mecanismos térmicos. La selección de un sanitizante adecuado para el proceso se basa
en la compatibilidad con la membrana.
a. Agentes sanitizantes
- Cloro. El cloro es el típico agente sanitizante utilizado en las industrias
alimentaria, de bebidas y farmacéutica. Como hipoclorito de sodio (NaOCl) es muy
efectivo como agente germicida a pH 6-8 y concentraciones de 20-50 ppm.
- Ácido peracético. El ácido peracético (CH COOOH) en concentraciones de 100-
3
300 ppm ha demostrado un alto poder germicida y es compatible con la gran mayoría
de las membranas. Puede ser utilizado como alternativa al cloro cuando éste último no
es compatible con la membrana.
43- Formaldehido. La solución de formalina (HCHO) es un agente sanitizante muy
efectivo y puede ser utilizado con casi todas las membranas. Debe existir la precaución
de eliminar cualquier residuo de esta sustancia al interior del sistema si se procesan
fluidos proteicos, pues éste reacciona con las proteínas.
- Hidróxido de sodio. Este compuesto (NaOH) a pH 12-13 también posee un alto
poder germicida, aunque no alcanza la efectividad del cloro.
- Agua caliente. La exposición al sistema de agua a 80ºC durante 1 hora, puede
ser utilizado como sanitizante. Esta técnica no es aplicable a todos los sistemas de UF
dado a que excede los límites máximos de temperatura de muchas membranas.
5.5.6 Otros procesos de mantenimiento
Existen otros procesos requeridos para la mantención del sistema de UF, como la
depirogenización y esterilización. Dado que dichos procesos no son aplicables al
sistema de concentración de suero de leche, no serán discutidos. Para información
detallada a cerca de estos procesos, revisar la Guía de Mantención para Sistemas y
Filtros de Flujo Tangencial (Maintenance guide for tangential flow filters and systems)
de Millipore Corporation.
5.6 Diagrama de flujo del proceso
A continuación se muestra el diagrama de flujo del proceso a partir de la obtención del
lactosuero.
Figura 14 Diagrama de flujo del proceso de ultrafiltración.
Lactosuero
Filtración
Descremado
Retentado Ultrafiltración Permeado
Éste debe ser sometido a una filtración para retirar los sólidos producto de la cuajada y
producción del queso. Luego, se procede al descremado del lactosuero por
centrifugación a 4.000 g y a una temperatura de 35-40ºC. Finalmente, el fluido está
listo para entrar al proceso de ultrafiltración. De allí se obtendrá el permeado, el cual
44corresponde a la fracción de proteínas, que por su tamaño, pudo traspasar la
membrana; y el retentado, que es finalmente el concentrado de proteínas del suero,
que por su tamaño, no lograron atravesar la membrana.
456 BIBILIOGRAFÍA
[1] CHERYAN, M. Ultrafiltration Handbook. Lancaster, Pensylvania, USA. 1986.
Technomic.
[2] DÍAZ, O.; PEREIRA, C.; COBOS, A. Functional properties of ovine whey protein
concentrates produced by membrane technology after clarification of cheese
manufacture by-products. Food Hydrocolloids (2004) 18; 601-610.
[3] GARAVITO, A.; ESPÍNDOLA, M. Proceso de Concentración de Proteína de Suero de
Leche por Ultrafiltración. Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniero
Químico. Planta de Vegetales – ICTA, Universidad Nacional de Colombia. 1995.
[4] GILLIES, M. Whey Processing and Utilization: Economic and Technical Aspects.
Noyes Data Corporation, USA. 1974. Chapter II.
[5] KAZEMIMOGHDAM, M.; MOHAMMADI, T. Chemichal cleaning of ultrafiltration
membranes in the milk industry. Desalinitation (2007) 204, 213-218.
[6] KIERAN, M.; MURRAY, C.; O’KENNEDY, B. (2003). Effects of ultrafiltration of whole
milk on some properties of spray-dried milk powders. International Dairy Journal
(2003) 23, 995-1002.
[7] KLINKOWSKI, P.R. “ Ultrafiltration” en Jirk, R. Y Othmer, D. “Enciclopedia of
Chemical Technology”, John Wiley & Sons, Inc. USA. 1983. Págs. 439-461.
[8] MAHAUT, M.; ROMAIN, J.; GÉRARD, B.; SCHUCK P. Productos Lácteos Industriales.
Editorial Acribia SA, Zaragoza, España. 2004. Págs. 130-138.
[9] MILLIPORE CORPORATION. Maintenance guide for tangential flow filters and
systems. Bedford, MA, USA. 1989.
[10]MILLIPORE CORPORATION. Techniques for demonstrating cleaning effectiveness of
ultrafiltration membranes, technical brief. Bedford, MA, USA. 2000.
[11]MILLIPORE CORPORATION. Maintenance procedures; Pellicon and Pellicon 2
cassette filters. Bedford, MA, USA. 2000.
[12]MILLIPORE CORPORATION. Pellicon 2 cassettes and Maxi Filters. User Guide.
Bedford, MA, USA. 2000.
46[13]METSAMUURONEN, S.; NYSTROM, M. Enrichment of a-lactalbumina from diluited
whey with polymeric ultrafiltration membranes. Journal of Membrane Science
(2009) 337, págs. 248-256.
[14]NARONG, P.; JAMES, A. Efficiency of ultrafiltration in the separation of whey
suspensions using a tubular zirconia membrane. Desalination (2008) 219; 348-357.
[15]PERRY, ROBERT H. Manual del Ingeniero Químico. Capítulo 2: procesos de
separación por medio de membranas. 7ma Edición, Mcgraw-hill, NY. 2001.
[16]RAZAVI M, MORTAZAVI A, MOUSAVI M. Dynamic modeling of milk ultrafiltration
by artificial neural network. Journal of Membrane Science (2003) 220. Págs. 47-58.
[17]RINALDONI A, TARAGAZA C, CAMPDERRÓS M, PÉREZ A. Assesing performance of
skim milk ultrafiltration by using technical parameters. Journal of Food Engineering
(2009) 92; 226-232.
[18]RODRÍGUEZ, J. Procesos de membrana en la industria láctea. En revista de
Alimentación, Equipos y Tecnología. 1997. Pág. 31-38.
[19]SCOTT, R. Fabricación de Queso. Editorial Acribia SA, Zaragoza, España. 1991.
Capítulo 19.
[20]SERNA, L. Efecto de la utilización de un sistema de ultrafiltración, en el proceso de
elaboración de gelatina, sobre la calidad del producto final. Universidad Nacional
de Colombia, Sede Manizales. 1996.
[21]SHARMA, S.; MULVANEY, S.; RIZVI, S. Food Process Engineering: Theory and
Laboratory Experiments. Jhon Wiley & Sons, Inc. USA. 2006. Chapter 9.
[22]TOLEDO, R. Fundamentals of Food Process Engineering. Chapman & Hall, 2d
Edition, USA. 1991. Chapter 13.
[23]WALSTRA, P.; GEURTS, T.; NOOMEN, A.; JELLEMA; VAN BOEKEL, M. Ciencias de la
leche y tecnología de los productos lácteos. Ed., Acribia, Zaragoza, España. 2001.
[24]YEE K, WILEY D, BAO J. Whey protein concentrate production by continuous
ultrafiltration: Operability under constant operating conditions. Journal of
Membrane Science (2007) 290; 125-137.
477 CIBERGRAFÍA
[25]GELMAN SCIENCE. Capitulo 4: Membranas de Ultra, Micro y Nanofiltración. P145-
249. Documento electrónico descargado de la página web el 9 de febrero de 2010.
[http://descargas.cervantesvirtual.com/servlet/SirveObras/1269052202458483932
1435/007323_4.pdf]
[26]OPEX Energy. Operación y mantenimiento. Portal web visitado 9 de febrero de
2010. [http://www.opex-energy.com/index.html]
48