• Author / Uploaded
• Eliana Viveros

Citation preview

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

Operaciones Unitarias II Unidad: Evaporación Tema: Leche Evaporada

Ingeniería Química- Ingeniería de Alimentos Séptimo Nivel Profesores:  Laura Correa.  Juan Carlos Martínez.

Responsables:  Magali Amarilla.  María Benítez.  Rebeca Narvaja.  Iván Román.

San Lorenzo - 2013

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

RESUMEN La deshidratación parcial de la leche consiste en eliminar parte del agua de constitución de la misma para aumentar de este modo su vida útil. Debido al descenso del contenido en agua que se produce en el alimento, se inhibe el crecimiento microbiano y la actividad enzimática. Además, disminuye el peso y el volumen del producto nuevo respecto al original, de modo que se reducen los gastos de transporte y almacenamiento, principal utilidad de la leche evaporada, a demás de sus múltiples usos en el ámbito culinario. Mediante la realización de este trabajo se han podido aplicar los conocimientos y fundamentos aprendidos acerca de la operación unitaria denominada Evaporación al caso práctico de la producción de leche evaporada, para consiguir una concentración de 48% de sólidos totales. El tipo de evaporador más utilizado en la industria lechera son los evaporadores de película descendente, que pueden ser operados con diferenciales de temperatura muy bajos entre el medio de calentamiento y el líquido a evaporar y además, tienen tiempos de contacto con el producto muy cortos. Estas características hacen al evaporador de película descendente especialmente adecuado para productos sensibles al calor, como lo es la leche. En estos evaporadores la alimentación es introducida por la parte superior del equipo, Se produce una distribución homogénea del producto dentro de los tubos en la parte superior del evaporador. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad, lleva a bajos rendimientos de evaporación, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos. Los dos fluidos, tanto el producto como su vapor, tienen igual sentido de flujo, por lo que la salida de ambos es por la parte inferior de los tubos. En la parte inferior del evaporador se produce la separación de estas dos fases. El concentrado es tomado por bombas y el vapor se envía al condensador (simple efecto), mientras que los sistemas múltiple efecto utilizan como medio calefactor, el vapor generado en el efecto anterior, y por lo tanto el vapor generado en el último cuerpo es el que se envía al condensador. Realizando los balances de materia y energía aplicados al sistema de evaporadores, teniendo en cuenta ciertas consideraciones y los parámetros establecidos para la operación se obtiene el dimensionamiento de los evaporadores.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

DEFINICIÓN DEL PRODUCTO Se entiende por leche evaporada entera a aquella leche a la cual no se le ha retirado la grasa y ha sido obtenida mediante eliminación parcial del agua de la leche por el calor o por cualquier otro procedimiento que permita obtener un producto con la misma composición y características. Se puede elaborar a partir de leche entera, leche descremada ó leche semidescremada. La leche evaporada entera contiene un mínimo de 7,5% de materia grasa, 25% de sólidos totales y 34% de proteínas en los sólidos no grasos. La leche evaporada muestra una textura más densa que la leche normal, es aromática y de un color amarillento. Añadiendo el volumen de agua que se ha evaporado al producto, se obtiene de nuevo la leche de consumo tradicional. Pero el uso más habitual de la leche evaporada es el de otorgar una textura cremosa a las salsas y cremas, jugosidad a los bizcochos, se utiliza en confitería, etc. De un tiempo a esta parte hemos reducido nuestro consumo de nata líquida para cocinar, y en su lugar utilizamos la leche evaporada tras sopesar el valor nutricional de cada una de ellas y los resultados obtenidos en las elaboraciones culinarias, la leche evaporada proporciona mucha menos grasa, aunque más proteínas e hidratos de carbono. Podemos comprar leche evaporada envasada en tetra brik o en lata, como sólo precisan refrigeración cuando el envase está abierto, se encuentran en las estanterías de los supermercados. Para la industria, la producción de leche evaporada ofrece mayores beneficios que la producción de leche normal, pues además de ser un producto de larga conservación, pesa y ocupa menos, por lo que los gastos de almacenaje y de transporte también se reducen.

CAPACIDAD DE LA PLANTA INDUSTRIAL Se considera la alimentación al evaporador como 10.000 kg/h de leche entera.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

ESTUDIO DE LA MATERIA PRIMA Descripción científica de la materia prima La leche cruda es el producto íntegro de la secreción mamaria normal sin adición ni sustracción alguna de sus componentes y que ha sido obtenida mediante uno o más ordeños y que no ha sido sometido a procesamiento o tratamiento alguno. La designación de "leche" sin especificación de la especie productora, corresponde exclusivamente a la leche de vaca. A las leches obtenidas de otras especies les corresponde, la denominación de leche, pero seguida de la especificación del animal productor. Requisitos generales: La leche cruda no deberá estar alterada ni adulterada. La leche cruda se deberá obtener mediante el ordeño higiénico, regular y completo de animales lecheros y bien alimentados, sin calostro y exento de color, olor, sabor y consistencia anormales. La leche cruda deberá estar exenta de sustancias conservadoras cualquier otra sustancia extraña a su naturaleza. La leche cruda no podrá haber sido sometida a procesamiento o tratamiento alguno que disminuya o modifique sus componentes originales. La leche cruda deberá cumplir con los requisitos microbiológicos de acuerdo a la legislación nacional vigente, o en su defecto al Codex Alimentarius. Requisitos organolépticos: La leche cruda deberá estar exenta de color, olor, sabor y consistencia, extraños a su naturaleza. Requisitos fisico-quimicos: Ensayo Materia grasa (g/100 g) Acidez, expresada en g. de ácido láctico (g/100 g) Densidad a 15°C (g/mL) Prueba del alcohol (74 % v/v) Prueba de la reductasa con azul de metileno.

Insumos principales requeridos

 Agua: Se usa en la limpieza de la planta y para garantizar los estándares higiénicos del producto. A demás se utiliza una importante cantidad de vapor de agua para el calentamiento de la leche en los evaporadores.  Energía: Es usada para el funcionamiento de los motores en los procesos en que se utilizan equipos, para calentamiento, evaporación, pasteurización, enfriamiento y refrigeración, para la generación de aire comprimido y para la iluminación en general.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

Zonas y época de producción de leche cruda en Paraguay La industria láctea constituye uno de los renglones más importantes de la producción nacional por sus implicancias en la generación de empleo, en la seguridad alimentaria y en el arraigo del productor rural a través de la generación de ingresos. Está dominada por cooperativas y empresas de capital privado que se dedican a la producción de leche, quesos, manteca, yogurt, helados, etc, empresas situadas principalmente en la Región Chaco Central y en el Centro y Sur de la Región Oriental. El periodo de superproducción se da en los meses de agosto, setiembre y octubre. Actualmente, Paraguay es el segundo país con mayor tasa de crecimiento en la producción láctea en Latinoamérica y el Caribe. Además ocupa el primer lugar en volumen industrializado por cooperativas.

Cuencas Lecheras del País por Departamentos Cuenca Lechera

Departamentos Componentes

Asunción

Central, Cordillera, Pdte. Hayes

Paraguari,

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

Colonias Mennonitas del Chaco Coronel Oviedo Caaguazú

–

Villarrica

Boquerón - Caaguazú, Guairá

Ciudad del Este – Hernandarias – Alto Paraná Pdte. Franco Encarnación

Itapúa

San Pedro – Colonias Mennonitas

San Pedro

San Juan, San Ignacio

Misiones

Campo 8 y 9

Caaguazú

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

Evolución de la producción de leche cruda en Paraguay Año

Miles de litros

1997

430.850

1998

422.664

1999

463.451

2000

488.941

2001

494.516

2002

480.882

2003

456.838

2011

742.000 Fuente: Cuentas Nacionales BCP, 2003; CADEP 2011.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

ETAPAS DEL PROCESO Flujograma del proceso.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

PROCESO DE PRODUCCIÓN El proceso de elaboración de leche evaporada contempla las siguientes etapas: 1. Recepción de la leche Recordar en este caso que la leche debe ser recibida en excelentes condiciones de calidad especialmente higiénica pues para este caso, la leche es sometida a un tratamiento térmico severo y la calidad higiénica es determinante en este caso. Dentro de los análisis de calidad que cobran importancia en este caso es la prueba del alcohol; la cual sirve de referencia para verificar la estabilidad de la leche frente al calor. Al respecto, la prueba del alcohol debe dar negativa. En el proceso de elaboración de leche evaporada no puede utilizarse leches ni siquiera débilmente ácidas; y para este caso no es permitida la neutralización de la leche. El transporte de la leche a fábrica: El transporte de leche cruda debe realizarse en vehículos refrigerados destinados exclusivamente a este fin. La temperatura de refrigeración no ha de superar los 4 ºC. El trasvase hacia y desde las cubas debe realizarse bajo estrictas condiciones higiénicas. Después de cada transporte, y en todo caso una vez al día, deben limpiarse y desinfectarse los recipientes y cisternas que se hayan utilizado para el transporte de la leche al establecimiento de transformación 2. Estandarización La estandarización en este caso, consiste en estandarizar la relación materia grasa/extracto seco de la leche, con el fin de ajustarla teniendo en cuenta el tipo de leche que se desea obtener. El contenido de grasa en la leche presenta a veces considerables oscilaciones. Muchos de los procesos industriales requieren que, ya en la leche inicial, el contenido de los componentes grasos se ajuste a valores relativamente constantes. La estandarización del contenido en grasa implica el ajuste del contenido en grasa de la leche, o de un producto lácteo, por medio de la adición de nata o leche desnatada de forma apropiada. La estandarización se realiza para cumplir las normas legales o porque el

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

fabricante decide determinadas.

elaborar

un producto

con unas

características

Según los niveles de grasa la legislación clasifica la leche como: mínimo 3,2 % Entera: Semidesnata mínimo 1,5 % y da: máximo 1,8 % Desnatada: máximo 0,3 %. 3. Precalentamiento El precalentamiento de la leche tiene por objeto reducir en parte la flora microbiana presente en la leche, estabilizar las proteínas haciendo que la leche evaporada sea más resistente a la esterilización que se lleva a cabo envasada, destruir las lipasas para evitar el enranciamiento y por último, aumentar la eficacia del evaporador permitiendo la entrada de la leche a temperaturas más altas que las del primer efecto. El primer precalentamiento se sucede a temperatura que oscila entre 85 – 90ºC en tanques en donde se mantiene la leche durante 15 a 20 minutos. Para este proceso se utilizan intercambiadores de calor de placas o tubulares que funcionan a presión. En esta etapa como también hasta la esterilización de la leche; se puede presentar el fenómeno de coagulación dulce; causada por la gelificación de las proteínas y es sucedida por reacciones enzimáticas de las bacterias proteolíticas que puedan estar presentes en la leche. Este fenómeno se produce cuando hay un almacenamiento prolongado del producto en alguna de las fases de elaboración desde el precalentamiento hasta la esterilización y generalmente hubo deficiencias en el manejo de las sales estabilizantes, un precalentamiento insuficiente. El aumento de la temperatura en la leche origina una disminución en el contenido de minerales ultra filtrables de calcio y fosfatos; un descenso de pH y aumento en el contenido de fosfato cálcico coloidal. Al respecto, en el precalentamiento se modifica la distribución del calcio y el fosfato que aumentan en su forma coloidal. Sin embargo, estos cambios son reversibles y el calcio y fosfato soluble aumentan lentamente durante la refrigeración aunque, del 10 al 15% de la concentración de calcio y fosfato coloidal producido en el pre calentamiento es irreversible. 4. Concentración por evaporación

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

La deshidratación parcial de la leche consiste en eliminar parte del agua de constitución de la misma para aumentar de este modo su vida útil. Debido al descenso del contenido en agua que se produce en el alimento, se inhibe el crecimiento microbiano y la actividad enzimática. Además, disminuye el peso y el volumen del producto nuevo respecto al original, de modo que se reducen los gastos de transporte y almacenamiento. Esta etapa del proceso también requiere un estricto control de las temperaturas y tiempos por cuanto por efecto del calor, la lactosa reacciona con las proteínas de la leche dando lugar a ácidos orgánicos como el fórmico y láctico y a productos de condensación responsables del color marrón de los productos lácteos sobre calentados.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

En la concentración de la leche por evaporación hay un aumento en la concentración de compuestos solubles y coloidales y por esto también aumenta la viscosidad. En cuanto al pH, este disminuye ligeramente con la concentración como consecuencia de los cambios en la solubilidad de las sales. El sistema de evaporación consiste en un sistema continuo de múltiples efectos en donde la leche se calienta rápidamente de manera que las transformaciones químicas no son considerables y el producto tampoco alcanza a caramelizarse. El más utilizado en la industria láctea es el evaporador continuo que funciona en múltiple efecto. Estos aparatos tienen la ventaja de reducir el tiempo de contacto entre la leche y el líquido calefactor. Es importante tener en cuenta que la mayoría de evaporadores trabajan con recuperación de calor pues los vapores desprendidos son conducidos de nuevo a la instalación y pasan de nuevo al cuerpo del vaporizador una vez que sean condensados ó son utilizados para el calentamiento previo de la leche. 5. Homogenización. La homogeneización evita la El efecto de la homogeneización separación de la nata y favorece sobre la estructura física de la leche una distribución uniforme de la presenta muchas ventajas: materia grasa. - glóbulos de grasa más Durante esta operación, el pequeños, sin formación diámetro de los glóbulos grasos se de nata en la superficie, reduce de 10 a 1 micras. El efecto - color más blanco y de rotura de los glóbulos grasos se atractivo, consigue haciendo pasar la leche reducción de la por pequeñas ranuras a alta sensibilidad de los presión. procesos de oxidación de la grasa, - sabor con más cuerpo, - mejor estabilidad de los productos lácteos fermentados.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

En los sistemas UHT directos, la homogeneización se realiza después del tratamiento térmico debido a la desestabilización que este pudiese causar sobre la leche ya homogeneizada.

6. Envasado La leche homogenizada se distribuye en botellas de cuello estrecho o en envases de hojalata. El peso oscila entre 200 – 450g. La leche se envasa automáticamente en las máquinas envasadoras que según el tipo de envase lo sellan o sueldan. Se cierran herméticamente para evitar posibles contaminaciones por la entrada de líquidos, aire y microorganismos. La finalidad del envase es la de contener, proteger y conservar los alimentos, además de servir para informar al consumidor. También facilita la venta del producto y su empleo. El envase ha de proteger la leche de la luz (tanto natural como artificial), ya que ésta tiene un efecto perjudicial sobre muchos nutrientes y un efecto negativo sobre el sabor de la leche. 7. Enfriamiento y Esterilización Después de su homogeneización, la leche se enfría a unos 14◦C si se va a envasar directamente o a unos 5-8◦C si se va a mantener almacenada mientras se realiza la comprobación final del contenido de grasa y de sólidos no grasos. Después del envasado, la leche evaporada en enviada a la autoclave para la esterilización. La esterilización destruye todas las formas vivas y resistentes de microorganismos especialmente patógenos, esporulados termo resistentes como el Clostridium.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

Existen dos tipos de esterilización la clásica y la UHT. La esterilización clásica consiste en someter a la leche a temperaturas del orden de 115ºC durante unos 15 minutos. Tiene el inconveniente de que disminuye notablemente el contenido vitamínico respecto a la leche de origen. Con la esterilización U.H.T. (Ultra Hight Temperature), la leche alcanza temperaturas de 140-150ºC, durante 2 a 16 segundos, con la ventaja de que mantiene prácticamente todo el valor nutricional respecto a la leche de origen.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

8. Almacenamiento e inspección. Las latas y/o los paquetes de cartón envasados asépticamente de leche concentrada son etiquetadas antes de ser colocadas en cajas de cartón. La leche concentrada puede almacenarse durante largos periodos de tiempo a una temperatura de 15◦C. Si la temperatura de almacenamiento es demasiado alta, la leche adquiere un color ligeramente marrón, y se producen precipitaciones proteínicas si la temperatura de almacenamiento es demasiado baja. La leche concentrada debe tener un color claro y apariencia de nata. Se deben tomar varias latas de muestra de cada lote de producción para su inspección. Estas latas son incubadas a tres temperaturas diferentes: temperatura ambiente, 30 y 38◦C. Después, se examinan a los 10-14 días con objeto de determinar la calidad del lote. Se procede entonces a la comprobación de su contenido en grasa, sólidos no grasos, viscosidad, y recuento de bacterias y esporas, así como a la determinación de su sabor, color y olor. Cierto número de latas son mantenidas hasta un año por si se presenta alguna reclamación y hay que proceder a análisis similares a los citados.

DIAGRAMA DE ENTRADA Y SALIDA

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

EVAPORADORES DE PELÍCULA DESCENDENTE

A: Producto B: Vapor C: Concentrado D: Vapor de Calentamiento E: Condensado 1: 2: 3: 4: 5:

Cabezal Calandria Parte baja de la Calandria Zona de Mezcla Separador de Vahos

Figura 1: Evaporador Simple de Película Descendente En los evaporadores de película descendente el producto líquido (A) usualmente entra al evaporador por la parte superior (1) o cabezal del evaporador. En el cabezal, el producto es uniformemente distribuido dentro de los tubos de calentamiento. Una película fina entra a los tubos de calentamiento fluyendo hacia abajo, donde es calentada a temperatura de ebullición y así, es parcialmente evaporada. En la mayoría de los casos es usado vapor (D) para calentar el evaporador. El producto y los vapores, ambos fluyen hacia abajo en un flujo paralelo. Este movimiento de gravedad inducida hacia abajo es aumentado cada vez más por el flujo a co-corriente de vapor. La separación del producto concentrado (C) forma su vapor (B) lo que se lleva a cabo en la parte baja del intercambiador de calor (3) y en el separador (5). Los evaporadores de película descendente pueden ser operados con diferenciales de temperatura muy bajos entre el medio de calentamiento y el líquido a evaporar y además, tienen tiempos de contacto con el producto muy cortos, justo unos cuantos segundos por paso. Estas características hacen al evaporador de película descendente especialmente adecuado para productos sensibles al calor. No obstante, los evaporadores de película descendente deben ser diseñados con bastante cuidado para cada combinación de condiciones de operación. Mojar suficientemente la superficie de calentamiento por

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

el líquido (espesor de película de producto), es extremadamente importante para una operación de la planta sin problemas. Si la superficie de calentamiento no está suficientemente mojada, se presentaran parches e incrustaciones de producto seco, o peor aún, los tubos de calentamiento se atascarán por completo. En casos críticos la tasa de mojado puede aumentarse extendiendo o dividiendo los efectos de evaporación, manteniendo las ventajas de un solo paso de operación (no re circulando el producto). El diseño apropiado del sistema distribuidor de producto en el cabezal del evaporador es crítico para alcanzar un mojado completo y uniforme de los tubos. Debido al bajo volumen de líquido contenido en este tipo de unidades, los evaporadores de película descendente pueden ser rápidamente arrancados y cambiados al modo de limpieza u a otro producto fácilmente. Los evaporadores de película descendente son sumamente sensibles a modificaciones de parámetros tales como suministro de energía, vacío, nivel de alimentación, concentraciones, etc. Cuando están equipados con un sistema automático de control bien diseñado, pueden producir un producto concentrado muy consistente. Ya que los evaporadores de película descendente pueden ser operados con pequeños diferenciales de temperatura hace posible emplearlos en configuraciones de múltiples efectos o con sistemas de compresión mecánica de vapor en las plantas modernas con consumos de energía verdaderamente bajos. La producción de vacío en los evaporadores se asegura, en parte, por la condensación de los vapores. La condensación se puede efectuar incorporando agua al vapor (condensado de contacto directo, o en la superficie de un intercambiador de calo alimentado con agua fría (condensador de superficie). Es necesario con el objetivo de limitar su acumulación en el sistema, extraer los gases no condensables (oxigeno y nitrógeno) procedentes de los productos tratados, del agua de condensación y de las fugas de la instalación. Esta operación se lleva a cabo mediante una bomba de vacío.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

DIMENSIONAMIENTO DEL EVAPORADOR UTILIZADO EN LA INDUSTRIA LECHERA. La planta de produccion de leche evaporada se ha diseñado con un sistema de evaporación múltiple con cuatro efectos en corriente directa. En este proceso se considera como valor constante y conocido el flujo de leche entera alimentada, 10000 Kg/hr, concentración inicial, 12.0% de sólidos, y concentración final, 48.0% de sólidos. Otros parámetros fundamentales para el sistema de evaporación están dados por las temperaturas de los efectos y la presión del vapor de calefacción. En este caso, las temperaturas de los evaporadores permanecen constantes; además, son bajas para evitar la desnaturalización de proteínas.

Figura 2. Temperaturas correspondientes a la entrada, efecto 1, 2, 3 y 4 El flujo está dispuesta de tal manera que la leche se alimenta al primer efecto del evaporador a una temperatura superior a la temperatura de ebullición en el evaporador. Esto se consigue calentando la leche durante uno minutos en un pasteurizador hasta 90 °C. De esta manera se obtiene una evaporacion instantanea que contribuye a una distribución uniforme de la leche a través de los tubos. La leche a concentrar fluye a traves de los efectos 1-2-3-4.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

DATOS Y CÁLCULOS:

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

RESULTADOS OBTENIDOS

Como se puede visualizar en los resultados obtenidos en el dimensionamiento del evaporador, las áreas de transferencia de calor para cada calandria son muy aproximadas entre sí, lo que proporciona simplicidad de operación. Además se han obtenido otros parámetros útiles de operación como los caudales manejados en cada efecto. Una vez obtenidas las áreas de los tubos, se ha podido determinar el número total de tubos requeridos para la transferencia de calor, a demás se ha determinado el diámetro mínimo para la calandria.

Operaciones Unitarias- Evaporación. Leche Evaporada.

BIBLIOGRAFIA Romain Janet, Michel Roignant, Gérard Brulé. Ingeniería de los procesos aplicada a la industria láctea. Editorial Acribia. España 2005 Gösta Bylund. Manual de industrias lácteas. Sitios web: http://www.exeedu.com/publishing.cl/av_cienc_ing/2013/Vol1/Nro3/5ACI1178-12-full.pdf

OBSERVACIONES DEL DOCENTE -

Muy buen trabajo, considerar las sugerencias presentadas.

-

Enviar el trabajo final en formato PDF en la brevedad posible.

-

Presentar el trabajo impreso en carpeta de color azul para evitar confusión con otras cátedras. Día máximo de presentación 01/11/2013

-

El trabajo en PDF SE ENTREGARÁ en un mismo CD junto con los trabajos de los demás grupos de la cátedra.