Es Tecnologia de La Leche en Polvo Todo

NIRO A/S

Tecnología de la Leche en Polvo

Evaporación y Secado por Atomización

Vagn Westergaard

Niro A/S

Copenhague, Dinamarca

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Prólogo a la Quinta Edición

El material que constituyó la base para la primera edición de la presente publicación editada en 1980, originalmente se utilizó como textos para un grupo de estudiantes en un seminario organizado por UNIDO en Montevideo, Uruguay, en 1978.

El desarrollo de la tecnología de evaporación y secado por atomización y los equipos asociados es un tema que a Niro siempre nos preocupa. La nueva quinta edición ha si-do revisada para actualizar a nuestros lectores con el desarrollo y diseño por Niro de separadores tipo "wrap-around" que permiten mejorar los requisitos de espacio y la eficiencia total de los evaporadores. Además se ha incluido un nuevo capítulo que describe como se diseña los evaporadores para evitar el crecimiento de bacterias ter-mófilas y sus esporas.

Dentro de la tecnología de secado por atomización Niro también ha prestado desarro-llos significantes. La nueva edición describe un filtro de mangas lavado por CIP en reemplazo de los ciclones, un desarrollo que mejora la eficiencia total del secador. Además incluye la descripción de una planta totalmente nueva, favorable al medio ambiente, con filtros finos de aire y lechos fluidos integrados.

Deseo expresar mi gratitud a mis colegas por sus valuables comentarios, y su asisten-cia a la edición e impresión de la presente nueva publicación, y es mi deseo que cons-tituya una herramienta útil en el entrenamiento y educación de tecnólogos lácteos en institutos y universidades, sirviendo como un manual para los operarios de instalacio-nes de evaporación y de secado por atomización.

El libro será publicado en los siguientes idiomas: inglés, alemán, español, italiano, ru-so, y en el futuro también en polaco y chino. En la página web de Niro www.niro.comse presenta una versión electrónica de la publicación en inglés.

Niro A/S, Copenhague, Marzo 2004

Vagn Westergaard

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Contenido

Introducción ........................................................................................... 11

Evaporación............................................................................................ 13

Evaporadores de Película Descendente...........................................................15Recompresión térmica de los vahos (RTV) ........................................................... 21 Recompresión mecánica de los vahos (RMV) ....................................................... 27 Diseño de evaporadores industriales...................................................................... 33

Equipos Auxiliares para el Evaporador ..........................................................35Separadores ........................................................................................................... 37 • Separadores con entrada tangencial de los vahos .........................................................37• Separador cilíndrico tipo "Wrap-Around"....................................................................37Sistema de distribución de producto ...................................................................... 37 • Sistema dinámico de distribución.................................................................................39• Sistema estático de distribución ...................................................................................39Precalentadores...................................................................................................... 39 • Precalentadores de tubos en espiral..............................................................................41• Precalentadores de tubos rectos....................................................................................41Equipo de pasteurización/retención ....................................................................... 41 • Requisitos de tipo bacteriológico .................................................................................43• Leche descremada en polvo por clasificación térmica .................................................43• La conservación de la leche entera...............................................................................43• Leche en polvo termoestable a alta temperatura, tipo 'high-heat' .................................43• Leche entera instantánea en polvo................................................................................45Equipo de precalentamiento para evitar crecimiento de bacterias termófilas......... 47 • Limpieza intermedia.....................................................................................................49• Tratamiento UHT .........................................................................................................49• Sistema doble de precalentamiento ..............................................................................49• Precalentamiento de contacto mediante inyección directa de vapor.............................49• Precalentamiento regenerativo de contacto directo ......................................................51Equipo de condensación ........................................................................................ 51 • Condensador de mezcla................................................................................................53• Condensador de superficie ...........................................................................................53Equipos de vacío ................................................................................................... 53 • Bombas de vacío ..........................................................................................................55• Bombas eyectoras de vapor a vacío..............................................................................55Torres de enfriamiento........................................................................................... 55 Concentradores para alta concentración................................................................. 57 Enfriadores 'flash' .................................................................................................. 57 Equipos de agua de cierre ...................................................................................... 57 Instrumentación y automatización ......................................................................... 57 • Caudal de alimentación ................................................................................................59• Temperatura de pasteurización.....................................................................................59• Presión del vapor para termo-compresor (RTV) ..........................................................59

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• Contenido en sólidos ....................................................................................................61• Vacío/Temperatura de ebullición de la última etapa ....................................................63

Propiedades del Concentrado ..........................................................................63• Leche descremada ........................................................................................................65• Leche entera .................................................................................................................67• Suero ............................................................................................................................67

Secado por Atomización........................................................................ 69

Cámara de Secado ...........................................................................................71

Sistema de Aire Caliente y Distribución del Aire............................................73Filtración del aire................................................................................................... 73 Sistema de calentamiento del aire.......................................................................... 75 • Calentamiento indirecto ...............................................................................................75• Calentamiento directo ..................................................................................................77Distribución del aire .............................................................................................. 79 • Corriente rotativa del aire ............................................................................................81• Corriente del aire puntual ("plug-flow") ......................................................................81

Sistema de Alimentación .................................................................................81Tanques de alimentación ....................................................................................... 83 Tanque de agua...................................................................................................... 83 Bomba de concentrado .......................................................................................... 83 Sistema de precalentamiento ................................................................................. 83 • Intercambiador de calor a placas ..................................................................................83• Intercambiador de calor de tubo-en-tubo......................................................................85• Intercambiador de calor de superficie raspada .............................................................85• Inyección directa de vapor (DSI)..................................................................................85• Inyección suave de vapor (LSI)....................................................................................85Filtro...................................................................................................................... 87 Homogeneizador/Bomba de alta presión ............................................................... 87 Línea de alimentación............................................................................................ 87

Atomización .....................................................................................................89Atomización por toberas a presión ........................................................................ 91 Atomización por toberas de dos fluidos o neumática ............................................ 91 Atomización rotativa ............................................................................................. 93 • Velocidad de la alimentación líquida: ..........................................................................93• Velocidad periférica:....................................................................................................95• Viscosidad del líquido:.................................................................................................95

Atomización en Secadores para Productos Lácteos........................................97• Toberas a presión .........................................................................................................97• Atomizador rotativo .....................................................................................................99

Sistema de Separación de Polvo ......................................................................99Ciclones............................................................................................................... 101

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Filtros de mangas................................................................................................. 105 Lavadores vía húmeda "Wet Scrubbers".............................................................. 107 • Recirculación con agua ..............................................................................................107• Paso único con leche o suero......................................................................................109Filtro de mangas lavado por CIP ......................................................................... 109 • Comparación de Separadores de Polvo ......................................................................115

Sistema de Transporte y Enfriamiento Neumático ....................................... 117

Post-Secado/Enfriamiento en Lecho Fluido ................................................. 119

Instrumentación y Automatización ............................................................... 119

Tecnología de la Leche en Polvo......................................................... 125

Secado en una Etapa ..................................................................................... 125• Contenido de humedad en el polvo final ....................................................................129• Temperatura y humedad del aire de secado................................................................131• Contenido en sólidos en el concentrado .....................................................................131• Atomización ...............................................................................................................131• Viscosidad del concentrado........................................................................................131

Secado en dos Etapas..................................................................................... 133Secado en dos etapas con Vibro-Fluidizador ("Plug-Flow")................................ 137 Secado en dos etapas con lecho fluido estático (SFB) ("Back-Mix") .................. 145 • Lecho fluido en forma anular (Secadores Compactos) ...............................................147• Lecho fluido en forma circular (Secadores MSD)......................................................151• Planta de secado con filtros y lechos fluidos integrados (IFD) ..................................153

Aglomeración................................................................................................. 157Aglomeración mediante secado por atomización................................................. 157 • La aglomeración primaria espontánea ........................................................................157• La aglomeración primaria forzada..............................................................................159• La aglomeración secundaria espontánea ....................................................................159• La aglomeración secundaria forzada ..........................................................................159• Separación..................................................................................................................161• Atrición ......................................................................................................................161• Clasificación ..............................................................................................................163• Estructura del aglomerado y propiedades del polvo ...................................................163Aglomeración por rehumectación........................................................................ 165 • Humectación ..............................................................................................................167• Aglomeración.............................................................................................................167• Resecado ....................................................................................................................171• Enfriamiento ..............................................................................................................171• Tamizado....................................................................................................................173

La Economía Térmica en la Producción de Leche en Polvo ........... 175

Precalentamiento ........................................................................................... 175

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Precalentamiento del aire de secado con condensados......................................... 175 Precalentamiento del aire de secado con los vahos del evaporador ..................... 177

Recuperación de Calor .................................................................................. 179Lavador vía húmeda ("Wet Scrubber") ................................................................ 179 Recuperadores de calor........................................................................................ 181 • Recuperador de calor tipo aire-a-aire .........................................................................183• Recuperador de calor, tipo aire-líquido-aire...............................................................183

Otras Formas de Ahorro Energético............................................................. 185

Métodos de Análisis Calidad de Leche Cruda, Concentrado y Propiedades del Polvo.......................................................................... 189

Calidad de Leche Cruda ................................................................................ 189Leche descremada................................................................................................ 189 Leche entera......................................................................................................... 191 Suero dulce .......................................................................................................... 191

Análisis para Leche Cruda ............................................................................ 193Acidez (pH) ......................................................................................................... 193 Acidez titulable ................................................................................................... 193

Análisis para Concentrados de Leche ........................................................... 195Contenido de aire en concentrados de leche ........................................................ 195 Solubilidad .......................................................................................................... 195 Partículas quemadas ............................................................................................ 197

Análisis para Leche en Polvo ........................................................................ 197Humedad ............................................................................................................. 197 Densidad ("Bulk Density") .................................................................................. 199 Densidad de partículas/Aire ocluido.................................................................... 201 • Temperatura de pasteurización de la leche antes de la evaporación...........................203• Cantidad de aire en el concentrado.............................................................................205• Capacidad del concentrado de formar espuma ...........................................................205• Tipo de rueda atomizadora o tamaño de tobera usados ..............................................205• Contenido en sólidos en el concentrado .....................................................................205• Condiciones de secado (secado en una o dos etapas) .................................................205Aire intersticial .................................................................................................... 205 Fluidez................................................................................................................. 207 Solubilidad .......................................................................................................... 209 Partículas quemadas ............................................................................................ 211 Grasa total ........................................................................................................... 213 Grasa libre en la superficie .................................................................................. 215 Humectabilidad ................................................................................................... 217 Dispersibilidad .................................................................................................... 221 Sedimento............................................................................................................ 223 Partículas lentamente dispersibles (PLD) ............................................................ 223

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Prueba de agua caliente ("Hot Water Test") ........................................................ 223 Prueba de café ("Coffee Test") ............................................................................ 223 Grado de hidratación ........................................................................................... 225

Análisis para Suero en Polvo ........................................................................ 225Humedad total y humedad libre ........................................................................... 225 Higroscopicidad y propiedades apelmazantes...................................................... 227

Distintos Ingredientes para Alimentos .......................................................... 231Proteínas .............................................................................................................. 231 Carbohidratos ...................................................................................................... 233 Grasa.................................................................................................................... 233 Almidón ............................................................................................................... 235 Otros ingredientes ................................................................................................. 235

Productos Normales de Leche en Polvo........................................................... 235

Leche en Polvo Instantáneo .......................................................................... 237Leche descremada en polvo instantáneo................................................................. 241 Leche entera en polvo instantáneo ....................................................................... 243

Suero .............................................................................................................. 247Vertido del suero ................................................................................................. 247 Aprovechamiento del suero líquido como forraje................................................ 249 Elaboración de suero en polvo procedente de la .................................................. 251 producción tradicional de queso .......................................................................... 251 Evaporación......................................................................................................... 253 • Contenido de ácido láctico .........................................................................................255• Contenido de lactosa amorfa ......................................................................................257• Contenido de humedad...............................................................................................257Cristalización del concentrado de suero .............................................................. 259 • Tratamiento térmico antes de la evaporación .............................................................263• Contenido en sólidos en el concentrado .....................................................................263• Tamaño de los cristales de lactosa .............................................................................263Semi-cristalización de concentrado de suero ....................................................... 265 Secado por atomización de concentrados de suero.................................................. 267 • Secado mediante el proceso de transporte neumático.................................................267• Secado mediante el proceso de lecho fluido...............................................................269• Secado mediante el proceso de cinta transportadora ..................................................269• Secado de concentrados de suero de alta concentración.............................................271Producción de suero ácido en polvo .................................................................... 273 Suero con grasa..................................................................................................... 273 Aguas madres ...................................................................................................... 277 Proteínas de suero (WPC).................................................................................... 279 Permeado.............................................................................................................. 281 • El Proceso Seco..........................................................................................................283• Proceso Húmedo ........................................................................................................283• El Proceso TIXOTHERM™.......................................................................................285Lactosa ................................................................................................................ 289 Suero desmineralizado......................................................................................... 291

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• Filtración por membranas...........................................................................................291• Cambio iónico ............................................................................................................291• Electrodiálisis.............................................................................................................293

Productos Especiales ..................................................................................... 295Alimentos Infantiles ............................................................................................ 295 • Leche entera normal en polvo ....................................................................................297• Leche entera en polvo con adición de carbohidratos ..................................................297• Leche fermentada .......................................................................................................297• Leche maternizada .....................................................................................................297• Productos con almidón ...............................................................................................301Elaboración de alimentos infantiles en polvo ...................................................... 303 Caseinatos............................................................................................................ 307 • El proceso discontinuo ...............................................................................................307• El proceso continuo....................................................................................................309• Secado por atomización de caseinatos........................................................................311Productos con bacterias ....................................................................................... 313 Sustituto de leche................................................................................................. 315 • Mezclado en seco de leche descremada y grasa .........................................................317• Secado de una emulsión de concentrado de leche descremada y grasa ......................317• Proceso discontinuo ...................................................................................................319• Proceso continuo ........................................................................................................319Leche entera en polvo con alto contenido de grasa libre...................................... 323 Productos en polvo para la elaboración de quesos ............................................... 325 • Leche descremada ......................................................................................................325• Retentado ...................................................................................................................331Queso en polvo .................................................................................................... 331 Mezclas de cacao-leche-azúcar............................................................................ 333 Blanqueadores de café ......................................................................................... 333 Cappuccino en polvo ........................................................................................... 335

Lista de Figuras.................................................................................... 339

Bibliografía........................................................................................... 347

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Introducción

La transformación de un producto líquido en un producto seco requiere la eliminación de prácticamente toda el agua, cuya cantidad excede muchas veces el peso del produc-to final.

Durante el proceso de eliminación del agua el producto tratado es sometido a grandes cambios en su estructura y apariencia física; al principio del proceso es un líquido di-luido como el agua y al final un polvo seco. Por consiguiente, un único método para eliminar el agua nunca puede ser óptimo a través de todo el proceso, ya que también la composición del producto difiere de un alimento al otro. En la industria alimenticia y láctea se han adoptado los siguientes métodos de deshidratación:

Evaporación: - La concentración de leche líquida de una viscosidad como la del agua en un

concentrado.

Secado por atomización: - la transformación del concentrado en gotitas evaporando el agua de éstas para

obtener un polvo consistente en partículas secas.

Secado en lechos fluidizados vibrantes: - se han introducido Vibro-Fluidizadores para el post-secado y enfriamiento, con

el fin de mejorar la eficiencia del secado y mejorar la calidad del polvo.

Secado en lechos fluidizados integrados: - para mejorar aún más la economía del secado, y al mismo tiempo ofrecer la po-

sibilidad de secar productos difíciles.

Secado con cinta integrada: - en un secador con una cinta de transporte al fondo de la cámara de secado, para

productos sumamente difíciles de secar con el método convencional.

Cada método debe ajustarse a las propiedades del material procesado en cada etapa del procesamiento. Cuanto más difícil el producto, tanto más compleja la planta.

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Fig. 1 Evaporador de recirculación forzada

Vapor

Condensados

Entrada Producto

Salida concentrado

RecirculaciónPreconcentrado

Vahos

Vacío

Producto / Concentrado

Condensados

Vahos

Vapor

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Evaporación

La evaporación de la leche se conoce desde hace muchos años, tan temprano como en el año de 1200 cuando Marco Polo describió la producción de una pasta semejante a un concentrado de leche en Mongolia. Pasaron 600 años antes de encontrar de nuevo la leche concentrada en la literatura, pero desde entonces el desarrollo progresó rápi-damente y numerosas patentes han sido solicitadas a través de los años.

El evaporador más simple es una cuba abierta calentada mediante vapor o gas directo. La evaporación tiene lugar en la superficie mientras que se calienta el líquido hasta el punto de ebullición correspondiente a la presión ambiente; a nivel del mar es de 100°C y en una altura de 5000 m sobre el nivel del mar es de 85°C.

La evaporación se realiza en la superficie, que está limitada en función del contenido de la cuba, y es evidente por tanto que la evaporación dura mucho tiempo. La leche es sometida a una alta temperatura, lo cual lleva consigo una deterioración de las proteí-nas, reacciones químicas como la reacción Maillard, o incluso una coagulación.

Al continuar el desarrollo, la concentración se realizaba en evaporadores de recircula-ción forzada. En este tipo de evaporador la leche circula en sentido ascendente a tra-vés de un número de tubos o placas. A su exterior se aplica el medio de calentamien-to, normalmente vapor, aumentando así la superficie de calentamiento en este sistema, pero quedando limitada la superficie de evaporación, porque los tubos y las placas es-tán llenos de producto que queda supercalentado en relación a la temperatura existente de ebullición. Los vahos no se liberan y la temperatura del producto no baja hasta que el producto no sale de la parte superior de los tubos. Para separar el líquido y los va-hos se usaban separadores centrífugos. Para obtener el deseado grado de evaporación se recirculaba el producto en el sistema. Así se podía controlar la concentración me-diante la cantidad de concentrado descargado de la planta. La Fig. 1 muestra un dia-grama de un evaporador de recirculación forzada.

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CondensadosVahos

Vapor

Entrada agua enfr.

Gases incondensables

Salida agua enfr

Salida concentrado

Fig. 2 Evaporador de película descendente de recirculaciónTubo evaporador

Condensados

Placa superior de tubos

Placa inferior de tubos

Leche

Vahos

Vapor

Tubo

Concentrado

de leche

Fig. 3a Calandria en un evaporador

Fig. 3 Evaporación en un tubo de un evaporador de película descendente

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Evaporadores de Película Descendente

Durante los últimos 40 años el evaporador de película descendente ha reemplazado prácticamente al evaporador de recirculación forzada. En cuanto a la calidad del pro-ducto este tipo de evaporador es preferible, ya que ofrece un tiempo de retención bre-ve. Además se reduce la cantidad de producto en el evaporador y se aumenta la super-ficie donde se efectúa la evaporación. La Fig. 2 muestra un diagrama de un evapora-dor de película descendente.

El líquido a ser evaporado se distribuye uniformemente sobre la superficie interior del tubo (ver pág. 37) y fluye hacia abajo formando una película delgada, de la cual la ebullición/evaporación tiene lugar, a razón del calor generado por el vapor. Ver Fig. 3. El vapor se condensa y fluye hacia abajo sobre la superficie exterior del tubo. Un nú-mero de tubos están construidos lado a lado. Los extremos de los tubos se fijan a pla-cas y todo el grupo de tubos está encerrado en una camisa, ver Fig. 3. El vapor es in-troducido a través de la camisa, y el espacio entre los tubos forma la sección de calen-tamiento. El lado interior de los tubos se denomina la sección de ebullición. Juntos forman el cuerpo de calentamiento (llamada la calandria). El líquido concentrado y los vahos salen de la parte inferior de la calandria, de donde se descarga también la mayo-ría del líquido concentrado. El resto entra tangencialmente en el separador subsiguien-te junto con los vahos. El concentrado separado es descargado (normalmente mediante la misma bomba que descarga la mayoría del concentrado de la calandria), y los vahos salen de la parte superior del separador. El vapor condensado es recogido como con-densados en el fondo de la sección de calentamiento y descargado mediante una bom-ba.

Para poder comprender la transferencia de calor y de masa, que forma la base de la evaporación, es preciso definir algunas cantidades específicas.

De una determinada cantidad de líquido (A) una parte es evaporada (B) dejando el concentrado o el producto evaporado (C). Por lo tanto

A = B + C (1)

La Fig. 4 muestra las cantidades específicas y el correspondiente diagrama de flujo del calor.

La relación de evaporación (e) es una medida para la intensidad de evaporación y puede definirse como la relación entre la cantidad de producto a tratar y el concentra-do o también como la relación entre el porcentaje de sólidos en el concentrado y en el producto a tratar.

e = C

A =

LiquidoC

oConcentradC

−−

(2)

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1 kg Agua A

Q

B

CD

S

1 kg Vahos

0 kg Agua

1 kg Condensa

dos

1 kg Vapor

Fig. 4 Evaporador de una etapa. Definición de distintas cantidades específicas y el correspondiente diagrama de flujo de calor.

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Si se conocen las concentraciones o la relación de evaporación es posible calcular las cantidades A, B o C, si se conoce una.

Cantidad conocida desconocida Fórmula

Cantidad a tratar A B e

1-eA x =B (3)

C e

1A x =C (4)

Cantidad evaporada B A 1-e

e x B=A (5)

C 1-e

1 x B=C (6)

Concentrado C A e x C=A (7)

B 1)-(e x C=B (8)

Donde A: alimentación en kg/h B: evaporación en kg/h C: concentrado en kg/h e: relación de evaporación Ver fórmula (2)

Debido a su contenido en proteínas la leche es termo-sensible, por lo cual una evapo-ración (ebullición) a 100°C dará lugar a una desnaturalización de dichas proteínas hasta tal punto, que el producto final será considerado inapto para consumo. Por lo tanto, la sección de ebullición se realiza bajo vacío dando una ebullición/evaporación a una temperatura más baja que la que corresponde a la presión atmosférica normal. Se obtiene el vacío mediante una bomba de vacío antes del arranque del evaporador y se mantiene por medio de una condensación de los vahos con agua de enfriamiento. Para evacuar los gases incondensables de la leche se usa una bomba de vacío o simi-lar.

A 100°C la entalpía de evaporación para agua es de 539 Kcal/kg y a 60°C es de 564 Kcal/kg. Debido a que la leche debe calentarse desde p.ej. 6°C hasta el punto de ebu-llición, y se requiere como energía, aprox. 20 Kcal/kg, para mantener un vacío corres-pondiente a un punto de ebullición de 60°C, se obtienen las siguientes cifras de con-sumo energético, estimando una pérdida de calor del 2%:

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Fig. 5 Los principios de la evaporación de agua en dos etapas

1 kg Agua

2 kg AguaEntrada agua enfr.


1 kg Vapor

1 kg Vahos

0 kg Agua

1 kg Vahos

Salida agua enfr.

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Temperatura de ebullición °C 100 60

Calentamiento Kcal/kg 94 54

Evaporación Kcal/kg 539 564

Vacío Kcal/kg - 20

Consumo energético neto Kcal/kg 633 638

Pérdida de calor, aprox. Kcal/kg 15 15

Consumo total de energía Kcal/kg 648 653

correspondiente a aprox. 1,1 kg de vapor/kg de agua evaporada.

Para simplificar los siguientes ejemplos usaremos 1 kg de vapor/kg de agua evapora-da.

Los vahos procedentes de la leche evaporada, ver Fig. 4, contienen casi toda la energía aplicada, y por eso es obvio aprovechar estos vahos para evaporar más agua. Esto se realiza añadiendo otra etapa al evaporador. Esta nueva calandria -la segunda etapa- donde la temperatura de ebullición es más baja, ahora trabaja como condensador para los vahos de la primera etapa, y así se aprovecha la energía en los vahos a medida que se condensan.

Para obtener una diferencia de temperatura en la segunda etapa entre el producto y los vahos procedentes de la primera etapa, se opera la sección de ebullición de la segunda etapa a un vacío superior correspondiente a un temperatura de ebullición más bajo.

Punto °Cebullición

Vacíom WG

corresp. a mm HG abs

≈m sobre nivel mar

Volumen de vahos de agua

100 0 760 0 1,7 m3/kg

85 4,5 434 5.200 2,8 m3/kg

70 7,2 233 10.000 4,8 m3/kg

60 8,3 149 14.000 7,7 m3/kg

50 9,1 92 18.000 12,0 m3/kg

40 9,6 55 22.000 19,6 m3/kg

Se puede añadir una tercera etapa, calentada mediante vahos de la segunda etapa, y así sucesivamente. El límite es el mínimo vacío obtenible lo cual es determinado por la cantidad y temperatura del agua de enfriamiento (normalmente 20-30°C) que conden-sa los vahos de la última etapa, y así se mantiene el vacío. El uso de agua helada o una expansión directa de freón para bajar la temperatura de ebullición de la última etapa

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Vahos

Vapor vivo

Tobera (1)Difusor (2)

Mezcla vahos/vapor

Fig. 6 Termo-Compresor


Condensados

Vahos

Vapor

4 kg

Agu

a

1 kg

Agu

a

Entrada agua enfr.

1 kg Condensados

1 kg Vahos

1 kg Vahos

3 kg Condensados

1 kg Vapor

3 kg Vahos

2 kg Vahos

3 kg Mezcla

Fig. 7 Evaporador de dos etapas con compresión térmica

Fig. 8 Diagrama del flujo de calor. Evaporador de dos etapas con termo-compresor

Producto a evaporar

Vahos

Concentrado

Condensados

Pérdida de calor

Vapor

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es posible en teoría, pero otros factores, como p.ej. la viscosidad del producto, el vo-lumen de los vahos, y la cristalización de la lactosa, determinan en la práctica el límite alrededor de 45°C.

La Fig. 5 muestra que 1 kg de vapor puede evaporar 2 kg de agua y con una tercera etapa se pueden evaporar 3 kg de agua mediante sólo 1 kg de vapor.

Recompresión térmica de los vahos (RTV)

Otro modo de ahorrar energía es utilizar un termo-compresor, el cual aumenta el nivel de temperatura/presión de los vahos, es decir comprime los vahos desde una presión baja a una alta mediante vapor de una presión mayor a la de los vahos. Los termo-compresores trabajan a muy altas velocidades de flujo de vapor y no tienen partes móviles. La construcción es sencilla, las dimensiones reducidas y los costos bajos.

La Fig. 6 muestra el principio del termo-compresor.

En la tobera de vapor vivo (1) la presión del vapor de entrada es convertida en veloci-dad y se crea un chorro tal que extrae parte de los vahos desde el separador del evapo-rador. En el difusor (2) se forma un flujo rápido de una mezcla de vapor vivo y vahos, y la velocidad de este flujo es convertida en presión (aumento de temperatura) me-diante una retardación. Luego la mezcla puede utilizarse como medio de calentamien-to para el evaporador. La Fig. 7 muestra un evaporador de dos etapas con compresión térmica, y la Fig. 8 el correspondiente diagrama del flujo de calor.

La mejor eficiencia en el termo-compresor, es decir el mejor grado de aspiración, y así una buena economía, se obtiene cuando la diferencia de temperatura (presión) entre la sección de ebullición y la de calentamiento es baja.

Los termo-compresores deben ser ajustados a las condiciones de trabajo. Pero dichas condiciones pueden variar, por ejemplo a causa de un aumento de la resistencia de ca-lor de las superficies de calentamiento durante la operación, debido a depósitos en los tubos de calentamiento. Esto dará como resultado una baja considerable del grado de aspiración. En evaporadores que tienen que trabajar con distintas capacidades se insta-lan varios compresores con diferentes características. Además, un termo-compresor, construido para una mayor presión de vapor vivo, puede extraer más vahos del sepa-rador que uno construido para presiones bajas. Para simplificar utilizaremos a conti-nuación una eficiencia de 1:2, aunque los termo-compresores de diseño nuevo pueden operar con una eficiencia de 1:3, bajo ciertas condiciones.

Ahora bien, mediante la instalación de un termo-compresor en un evaporador de dos etapas, por medio de 1 kg de vapor vivo se evaporan 4 kgs de agua, es decir, el ahorro de vapor correspondería al ahorro obtenido mediante dos etapas adicionales en el eva-porador de multi-etapas. La división de una dada ∆t total entre la primera y la última

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etapa en evaporadores de multi-etapas requiere una superficie enorme de calentamien-to y, por consiguiente, una instalación costosa.

Es posible reducir la superficie total de calentamiento aumentando la ∆t mediante un aumento de la temperatura en la sección de calentamiento de la primera etapa, dando lugar a una temperatura de ebullición más alta. Sin embargo, esto da lugar a un ensu-ciamiento (depósitos micro-delgados de proteínas de leche en los tubos reduciendo el factor K) especialmente si la leche tiene una acidez alta. A altas temperaturas la cris-talización de Ca-fosfatos también provocará depósitos.

Por este motivo, no es recomendable utilizar temperaturas de ebullición superiores a 68-70°C en la primera etapa (dependiendo del producto y la calidad de la leche), si el fin es un período continuo de producción de 20 horas.

La superficie de cada etapa individual del evaporador es calculada aplicando la si-guiente fórmula:

tK x h" x B

=S∆

(9)

donde S: superficie de calentamiento m2

B: vaho de agua kg/h

h": calor específico Kcal/kg (entalpía de condensación)

K: coeficiente de transferencia térmica Kcal x m-2 x h-1 x °C-1

∆t: diferencia de temperatura o fuerza motriz °C (entre medio de calentamiento y líquido de ebullición)

El factor más crítico en conexión con la construcción de un evaporador es el factor K siendo una función de las propiedades del producto y el nivel de temperatura. Está in-fluenciado por:

Temperatura del evaporador Calor específico Densidad Presión de ebullición Elevación del punto de ebullición Conductividad térmica Viscosidad Tensión de superficie

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Producto / ConcentradoCondensadosVahos

Vapor

3 kg Mezcla

9 kg A

gua

6 kg

Agu

a

5 kg

Agu

a

4 kg

Agu

a

3 kg

Agu

a 2 kg

Agu

a

1 kg

Agu

a3 kg Vahos

2 kg Vahos

1 kg Vahos

1 kg Vahos

1 kg Vahos

1 kg Vahos

1 kg Vahos

1 kg Vahos

0 kg Water

13 k

g Agu

a

3 kg Mezcla

10 kg

Agu

a

7 kg

Agu

a

4 kg

Agu

a

3 kg

Agu

a

2 kg

Agu

a

1 kg

Agu

a

1 kg Vahos

kg Agua

1 kg Vahos

1 kg Vahos

1 kg Vahos

1 kg Vahos

3 kg Vahos

3 kg Vahos

3 kg Vahos

1 kg Vapor

1 kg Vahos

Fig. 9 Compresión mono-térmica. Evaporador RTV de 7 efectos

Fig. 10 Compresión poli-térmica.

Evaporador RTV de 7 efectos

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Otros factores a considerar:

Sensibilidad térmica del producto Características químicas

Se observa que el factor K difiere de un producto a otro, especialmente debido a la elevación del punto de ebullición, que es una función de la concentración de molécu-las y así está influenciado por la composición del producto y el contenido en sólidos. Con un contenido en sólidos del 9%, como en la leche descremada, la elevación del punto de ebullición es inferior a 1°C, mientras que con un contenido en sólidos de 48-50% es varios grados. Una conclusión para establecer este factor se obtiene sólo me-diante extensos ensayos de laboratorio.

La capacidad (C) de un evaporador es

C = K x S x ∆t (9.1)

Así la capacidad de un evaporador puede aumentarse mediante una mayor superficie o una temperatura de ebullición más alta en el primer efecto. No se recomienda aplicar temperaturas superiores a 66-68°C, según discutido en lo anterior.

El ∆t total (normalmente desde 66°C a 45°C = 21°C) se divide igualmente entre las etapas. Esto significa que en un evaporador de tres etapas cada etapa tendrá un alto ∆tcorrespondiente a una superficie bastante reducida y bajos costos de inversión. Es evidente, pues, que mediante un aumento del número de etapas, reduciendo el consu-mo de vapor, el ∆t disponible se reduce más en cada etapa. Esto requiere una mayor superficie de calentamiento y los costos de inversión aumentarán.

El termo-compresor puede incorporarse entre la primera y la segunda etapa (compre-sión mono-térmica), o bien entre la primera y la tercera (compresión bi-térmica), o en-tre la primera y cuarta etapa (compresión tri-térmica). La influencia en el ahorro de vapor y en los costos de inversión es grande. Estudiando un evaporador de 7 etapas con compresión mono-térmica (ver la Fig. 9), se comprueba que es posible evaporar 9 kg de agua mediante sólo 1 kg de vapor. Para compresión tri-térmica se coloca el ter-mo-compresor, por ejemplo, entre la primera y la cuarta etapa (ver la Fig. 10). Así es posible evaporar 13 kg de agua usando sólo 1 kg de vapor, ya que se aprovechan todos los vahos de la primera etapa para calentar la segunda etapa y los vahos de ésta son utilizados en la tercera etapa, de donde una parte es comprimida en el termo-compresor.

Si el termo-compresor significa un aumento de la temperatura de los vahos en 9°Chabrá un ∆t de 3°C para cada etapa en un evaporador tri-térmico. Para poder mantener una evaporación de 9 kg en las primeras tres etapas se necesita una superficie mayor en relación al ejemplo con compresión mono-térmica.

Conocidos la longitud y el diámetro de los tubos será posible calcular el número de tubos de acuerdo con la fórmula antes mencionada (9).

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Vapor

Fig. 11 Evaporador RMV de una etapa

Fig. 12 Diagrama de flujo térmico. Evaporador RMV

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Sin embargo, una desventaja sustancial en evaporadores de multi-efectos es el largo tiempo de residencia, durante el cual se expone el producto a calor. Siendo también a una temperatura baja, tendrá un impacto negativo en la viscosidad del concentrado. Ver pág.95.

Recompresión mecánica de los vahos (RMV)

Como una alternativa al termo-compresor, durante los últimos quince años se ha ido extendiendo el uso del compresor mecánico de vahos en los evaporadores en la indus-tria láctea. La energía usada para el compresor es normalmente la electricidad, pero también se utilizan motores diesel. Otros procesos pueden requerir vapor a baja pre-sión, y un compresor puede ser accionado por una turbina de vapor que actúa como válvula reductora. Todo depende de la política local energética. Sin embargo, como regla general una solución con RMV resulta rentable con el precio/Kw < el precio/kg vapor x 3. Sin embargo, hoy en día la calidad del producto final -la leche en polvo- tiene gran influencia en la decisión de qué tipo de compresor a usar, y como el evapo-rador tipo RMV cuenta con un muy corto tiempo de residencia, el resultado es una viscosidad baja del concentrado.

El compresor mecánico de vahos es un ventilador de alta presión y de altas revolucio-nes (≈3000 rpm) capaz de operar bajo vacío. A temperaturas bajas el volumen de los vahos es enorme (ver pág. 19). Por consiguiente, hay un límite a las temperaturas en la práctica. La energía aplicada en el compresor se utiliza con la mayor eficiencia en ba-jos grados de compresión, limitándose así el aumento de temperatura/presión. Por eso se requiere una gran superficie de transferencia térmica y esto podría aumentar los costos de inversión.

Como es esencial operar una unidad RMV a una diferencia mínima global de tempera-tura entre los vahos generados por el producto y el medio de calentamiento como re-sultado de la compresión, es necesario mantener la elevación del punto de ebullición del producto a un mínimo, ya que en el caso contrario se reduciría aún más la diferen-cia de temperatura disponible para la evaporación. Este fenómeno limita también las concentraciones máximas que se quieren obtener en este tipo de evaporadores.

La Fig. 11 ilustra un evaporador RMV de una etapa, y la Fig. 12 el correspondiente diagrama de flujo térmico.

La leche fría entrante es precalentada por el concentrado y luego por los condensados procedentes de la sección de calentamiento de la calandria, seguido de una pasteuriza-ción final mediante vapor vivo. Los vahos son comprimidos en la unidad RMV y uti-lizados como medio de calentamiento, ya que el calor latente es liberado por la con-densación.

El vacío deseado en el sistema es mantenido por una bomba de vacío junto con una pequeña cantidad de agua de enfriamiento.

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Tem

pera

tura

SobrecalentamientoCondensación de vapor en el cuerpo de calentamiento a presión

Area de vapor

Area de vapor líquido

P and ta a

Evaporación del líquido a presión

(P )r

tr

tr

ta

Isob

ar P

r

B

Isob

ar P

a

Entropía S

Fig. 13 Ciclo de operación de un compresor mecánico


Vapor

RMV

RTV Agua enfriamiento

Salida concentrado

Entrada leche

Regenerador FlashTubos de

retención

Fig. 14 Evaporador combinado RMV/RTV

Tubos de retención

Regenerador Flash

Entrada leche

Salida concentrado

Agua enfriamiento

RMV

RMV

Fig. 15 Evaporador combinado RMV/RMV

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Se observa que ninguna energía sale de la planta en forma de condensados calientes, y sólo una menor parte sale con el agua de enfriamiento (dependiendo de la temperatura deseada de pasteurización). El evaporador RMV se usa muy a menudo como precon-densador de productos lácteos para transporte, donde el contenido en sólidos deseado es de un 30-35%, limitándose la elevación del punto de ebullición. El concentrado es descargado de la planta a temperatura baja, y por este motivo este tipo de planta es un gran competidor de la hiperfiltración.

El ciclo de operación de un compresor mecánico es mostrado en Fig. 13. Los vahos se succionan del separador representado como punto A a un nivel dado de tempera-tura/presión ta/Pa que lo comprime a punto B':t'r/Pr. Los vahos comprimidos son desu-percalentados a B:tr introduciendo agua en la salida del compresor. Los vahos com-primidos son condensados sobre la superficie del intercambiador de calor en la calan-dria desde punto B a C, de donde son descargados como condensados. Al mismo tiempo el agua es evaporada de la leche que luego es separada en el separador y sale del punto A.

El evaporador RMV ofrece una mejor flexibilidad de capacidad / mejor capabilidad de turn-down, ya que se necesita solamente ajustar las RPM del ventilador.

Si se desea obtener contenidos en sólidos apropiados para una planta de secado, se combina el evaporador RMV con una unidad RTV, ver Fig. 14. El consumo de vapor por kg de agua evaporada es naturalmente menor que el consumo en un evaporador de múltiples etapas, pero si la unidad RMV es accionada por un motor eléctrico el con-sumo de electricidad será mucho mayor. Como se requiere sólo una reducida cantidad de agua de enfriamiento, esta combinación ofrece una solución muy atractiva, sin em-bargo, debe preverse una inversión más alta. Bajo condiciones especiales de precios energéticos sería una ventaja sustituir la unidad RTV por una unidad RMV adicional para comprimir los vahos sobre la última etapa, ver Fig. 15. Se recomienda estudiar detenidamente en cada caso las condiciones locales, como p.ej. los precios de vapor, electricidad y agua de enfriamiento.

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2x3 ventiladores de alta presión para 2 evaporadores RMV

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Comparación de consumo energético en distintos evaporadores

EVAPORADOR 5-etapas RTV

7-etapasRTV

1-etapa RMV/ 2-etapa RTV

PRODUCTO Leche descremada

Leche descremada

Leche descremada

Capacidad, kg/h 15.000 15.000 15.000

Sólidos entrada/salida, % 9/50 9/50 9/50

Evaporación, kg/h 12.300 12,300 12.300

Temp. pasteurización, °C 90 90 90

Tiempo de retención, sec. 30 30 30

Consumo de vapor, kg/h 1.610 1.190 375

Presión de vapor, bar 10 10 10

Condensados, kg/h 13.400 13.400 12.800

Temp. condensados, °C 54 51 22

Consumo eléctrico - RMV, Kw - Motores, Kw

-75

-75

15050

Consumo de agua de enfriamiento, m3/h 32 3.5 2*)

Temp. agua de enfriamiento entrada/salida, °C 28/35 28/35 12/50

Consumo eléctrico, torre de enfriamiento, Kw 10 2.5 -

Tiempo de residencia, min. 12 18 6

*) a utilizarse sólo cuando la temperatura de la leche cruda excede 5°C.

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Calandrias del evaporador con precalentadores externos

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Diseño de evaporadores industriales

La mayor demanda de grandes evaporadores multi-etapas con superficies de calenta-miento más grandes para mejorar los consumos específicos puede cumplirse utilizan-do más tubos. Sin embargo, esto significa que la cantidad de líquido introducida en cada tubo será menor resultando en una película demasiado delgada. Si el contenido en sólidos es alto la viscosidad aumenta, la película no fluye y se presenta el riesgo de depósitos quemados. El resultado es un concentrado con pequeños grumos gelatinosos y a veces descolorados que aparecen en el polvo final como partículas quemadas ("scorched particles") que no se disolverán al reconstituirse el polvo. En casos extre-mos los tubos quedarán completamente obstruidos, y una limpieza manual será nece-saria.

Por lo tanto, al diseñar un evaporador se aplica el llamado coeficiente de recubrimien-to que se define así:

tuboslosdePeriferia

tuboslosdeinferiorextremoalkg/h Producto(10)

La tendencia es construir la calandria con tubos más largos para obtener una mayor superficie de calentamiento y mantener el coeficiente de recubrimiento al mismo ni-vel. Hace unos treinta años los evaporadores fueron equipados con tubos de 3-4 m y operados con una diferencia de temperatura de unos 15°C, en tanto que hace 10 años los evaporadores tenían tubos de un largo de hasta 14 m y una diferencia de tempera-tura tan baja como 2°C. Hoy la mayoría de los nuevos evaporadores tienen tubos de un largo de hasta 18 m. La ventaja es que se necesitan menos pasajes del producto pa-ra obtener el recubrimiento suficiente, menos bombas y un tiempo reducido de resi-dencia.

La flexibilidad es otra cualidad a pedir en un evaporador moderno, es decir, la posibi-lidad de tratar varios productos y por consiguiente operar a distintas capacidades. Sin embargo, los diversos contenidos en sólidos de los productos son un problema, y otro es que la capacidad del secador varía al secar distintos productos. Además, la capaci-dad del evaporador también varía debido al factor K de los distintos productos.

Por consiguiente, cuando se diseña una planta de evaporación/secado se selecciona siempre un producto principal, y las calandrias del evaporador se construyen para ob-tener coeficientes óptimos de recubrimiento, también para otros productos.

Como el valor K es un 20% más bajo para leche entera que para leche descremada, la capacidad evaporativa resultará en un 20% más baja para leche entera. Además, el contenido en sólidos difiere en leche descremada y leche entera, por lo que la alimen-tación al evaporador disminuye al procesar leche entera. Este factor implica una aten-ción especial al diseño de las calandrias, ya que el coeficiente de recubrimiento será demasiado bajo, especialmente en la primera etapa debido a la cantidad más baja de alimentación. Si, por otro lado, el evaporador está construido para leche entera como producto principal, y es necesario también poder evaporar leche descremada, el pro-

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CondensadosVahos

Vapor

Entrada agua enfr.


Salida agua enfr.

Salida concentrado

Fig. 16 Evaporador de película

descendente de recirculación

Fig. 17 Calandria de evaporador

dividida en dos secciones

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blema de recubrimiento ocurrirá principalmente en la última etapa debido al bajo con-tenido en sólidos en el producto dando lugar a una cantidad menor de concentrado al 48% de sólidos. Hace algunos años que el problema de recubrimiento fue solucionado recirculando parte del concentrado desde la salida de la etapa hasta la entrada de la misma aumentando así la cantidad de líquido para poder cubrir todos los tubos. Ver Fig. 16.

Técnicamente dicha solución es ideal siendo económica y sencilla, pero con respecto a la calidad del producto no es adecuada porque como consecuencia, parte del producto estará sometido a una temperatura alta durante un período de tiempo largo y no-controlable. Esto quiere decir que la viscosidad del concentrado final aumentará y será posible una desnaturalización de las proteínas, cuyo resultado final será un polvo de una solubilidad inferior.

En los actuales evaporadores, los llamados evaporadores de "paso único", se solucio-na el problema dividiendo las etapas con bajo coeficiente de recubrimiento en dos cuerpos separados con la misma temperatura de ebullición y muy a menudo con un separador común.

Otro método es dividir la etapa en dos o bien en más secciones en un evaporador de "multi-flujo". El producto es bombeado a una sección de cuya salida es bombeado di-rectamente a la próxima sección, y así en adelante. Una vez pasado la última sección es bombeado a la próxima etapa, ver Fig. 17. Este sistema es casi tan económico co-mo la recirculación, pero tiene la ventaja de la calandria dividida y no es necesaria una circulación.

Equipos Auxiliares para el Evaporador

Para obtener que el evaporador trabaje como una unidad integrada, se necesitan los si-guientes equipos auxiliares:

• Separadores• Sistema de distribución de producto • Precalentadores • Equipo de pasteurización/retención • Equipo de pre-calentamiento para evitar crecimiento de bacterias termófilas • Equipo de condensación• Equipo de vacío • Torres de enfriamiento • Concentradores de alta concentración • Enfriadores 'flash' • Equipo de agua de cierre • Instrumentación y automatización

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Vahos

Concentrado

de leche

Calandria

Separador clásico

Fig. 17a Separador con entrada tangencial

Concentrado

de leche

Calandria

Separador wrap-around

tipo nuevoVahos

Fig. 17b Separador Wrap-Around

Entrada producto

Fig. 18 Sistema dinámico de distribución de producto

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Separadores

Separadores con entrada tangencial de los vahos

Los vahos generados de la evaporación se usan como medio de calentamiento en la "próxima" calandria, por lo que es necesario separar cualquier producto, para evitar una contaminación de los condensados dando lugar a pérdidas.

La mayoría del concentrado se descarga del fondo de la calandria debajo del haz de tubos. Debido a la alta velocidad de los vahos parte del concentrado queda en los va-hos como pequeñas gotitas. La separación tiene lugar en un separador con entrada tangencial de los vahos, ver Fig. 17a, conectada a la calandria debajo del tubo.

Se diseña un separador con cuidado especial para evitar que se lleve producto a la caí-da de presión más baja posible, ya que una caída de la presión corresponde a una caída de la entalpía térmica en la siguiente calandria dando lugar a una baja general de la eficiencia.

Separador cilíndrico tipo "Wrap-Around"

Para reducir los requisitos de espacio se ha desarrollado el diseño de un separador ci-líndrico alrededor de la calandria, ver Fig. 17b. Está integrado en el fondo de la calan-dria y tiene la misma alta eficiencia como el separador clásico con una caída de pre-sión reducida. Se usa típicamente en calandrias grandes con compresores mecánicos RMV conectados al separador cilíndrico con un conducto de vahos muy corto para minimizar la caída de presión.

El ahorro de espacio constituye típicamente un 30%.

Sistema de distribución de producto

Según explicado anteriormente es imprescindible distribuir el producto uniformemen-te en todos los tubos en la calandria, para obtener un buen recubrimiento de los mis-mos. Por eso el sistema de distribución es muy importante cuando se diseña un evapo-rador.

En la práctica hay dos sistemas distintos:

• Sistema dinámico de distribución • Sistema estático de distribución

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Entrada producto

Fig. 19 Sistema estático de distribución de producto

Entrada producto

Salida leche precalentada

Entrada leche fría

Fig. 20 Precalentadores de tubos en espiral

Parte superior (sistema distribuidor de entrada) de las calandrias del evaporador

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Sistema dinámico de distribución

En el sistema dinámico de distribución, Fig. 18, se obtiene la energía cinética necesa-ria mediante una pérdida de presión del producto a través de una tobera de cono com-pleto. El producto es supercalentado en relación a la presión dentro de los tubos for-mándose en seguida vahos rápidos 'flash'. La mezcla de producto y vahos es atomiza-da por la entrada de los tubos que luego son recubiertos de producto.

La capacidad de una tobera de atomizar al máximo depende de la caída de presión que se determina por la cantidad del líquido a tratar y su grado de ebullición ('flashing') al ser introducido en el espacio encima de los tubos. Por eso, dicho sistema de distribu-ción no se recomienda para evaporadores modernos que deben ser flexibles y con di-ferencias en la cantidad alimentada. Además, en evaporadores de múltiples etapas la ebullición ('flashing'), y por consiguiente la distribución, son mínimas debido a un ∆tbajo.

Sistema estático de distribución

En el sistema estático de distribución el producto supercalentado que entra es dividido primero en vahos 'flash' y producto. Al entrar en la calandria, el producto es introdu-cido en una placa distribuidora colocada dentro de un cono abierto. El cono está colo-cado sobre un distribuidor provisto de un número de orificios, en el cual se mantiene cierto nivel de producto. El producto fluye por gravedad a través de los orificios. Cada orificio se encuentra en el centro del espacio entre los tubos. Así el producto fluye so-bre la placa de tubos y luego por el borde bajando sobre la superficie de cada tubo. Al mismo tiempo los vahos 'flash' entran en los tubos y empujan el producto contra la superficie interior de los tubos dándole su velocidad inicial. Ver Fig. 19.

Este sistema de distribución es mucho más flexible con respecto a capacidad, ya que un aumento de nivel en el distribuidor -resultado de una mayor capacidad- hará posi-ble el flujo del producto a través de los orificios a mayor velocidad, manteniéndose así el nivel.

Precalentadores

Como la leche a ser evaporada tiene una temperatura de 5-10°C debe ser calentada hasta la temperatura de ebullición de la primera etapa, con el fin de ahorrar vapor para la evaporación. Por este motivo la leche es conducida primero a través de un enfria-dor/precalentador de vahos situado entre el separador de la última etapa y el conden-sador, ahorrando así agua de enfriamiento. Desde el enfriador de vahos la leche pasa a través de la sección de precalentamiento de la última etapa y luego regresa a la prime-ra etapa antes de entrar en la sección de ebullición de la primera etapa.

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Condensados

Vahos

Vapor

Fig. 21 Precalentadores de tubos rectos

Precalentadores externos

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Técnicamente el sistema de precalentamiento puede llevarse a cabo de dos maneras distintas:

• Precalentadores de tubos en espiral • Precalentadores de tubos rectos

Precalentadores de tubos en espiral

Los tubos en espiral están situados dentro de las zonas de calentamiento en la calan-dria alrededor de los tubos de película descendente siendo así calentados mediante vahos, ver Fig. 20. El sistema es sencillo, pero no permite la posibilidad de una ins-pección para detectar depósitos o fugas.

Precalentadores de tubos rectos

Los precalentadores de tubos rectos están colocados verticalmente fuera del evapora-dor y como es el caso de los tubos en espiral, son calentados mediante vahos de la ca-landria correspondiente. Ver Fig. 21. La conexión de vahos está en la parte superior de la calandria para extraer fácilmente los gases incondensables, asegurando así una aprovechamiento óptimo de la superficie de calentamiento de los tubos de evapora-ción. Este sistema permite inspección y limpieza manual en el caso (poco habitual) de que fuera necesario. La superficie de transferencia térmica en el precalentador está distribuida en grupos de tubos paralelos de diámetro pequeño dando lugar a una su-perficie grande. Cada grupo de tubos está conectado en su extremo mediante conexio-nes standard para productos lácteos. Debido al flujo paralelo el tiempo de retención resulta mucho más corto que el del precalentador de tubos en espiral. La viscosidad del concentrado final, por consiguiente, resulta más baja en evaporadores provistos de precalentadores de tubos rectos.

La extensa superficie de los precalentadores y el nivel de temperatura existente duran-te operación (40-65°C) son factores que ofrecen las condiciones óptimas para el cre-cimiento de bacterias termófilas. Después de 14-16 h de operación se forma en la su-perficie interior de los precalentadores una bio-película, donde las bacterias puedan formar esporas. Sin cuidado especial, ver pág. 47 acerca de crecimiento de bacterias termófilas, no se puede esperar una producción de 20 horas sin un aumento de las bac-terias termófilas y sus esporas durante las últimas 4-5 horas del período de produc-ción.

Equipo de pasteurización/retención

La temperatura obtenida del último precalentador en evaporadores de múltiples etapas es inferior a la temperatura de ebullición del primer efecto. Por eso, un precalenta-miento adicional es necesario para obtener los 2-3°C requeridos sobre la temperatura de ebullición de la primera etapa. En tal caso se usa un precalentador separado, calen-tado mediante vapor vivo, normalmente vía un termo-compresor. Sin embargo, algu-

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Guías para el precalentamiento durante producción de leche descremada en polvo

Leche descremada en polvo típico para pan

HIGH HEATWPNI < 1,5mg

Medium HeatWPNI 1,51-5,99mg

Segundo Minuto

LowHeatWPNI> 6,0mg

Fig. 22 mg WPNI/g de polvo como una función de la intensidad de pasteurización, una relación entre temperatura y tiempo

% Desnaturalización de ß-Lactoglobulina en Leche

DANNENBERG, 1986

10000

Tie

mp

ore

ten

ció

n(s

eg

.)

Temperatura (°C)

1000

100

10

160 80 100 120 140

5%10% 30%

60%

90%

Fig. 22a % desnaturalización de ß-lactoglobulina

Grupos -SH

90 Temp. past. ( C )

Fig. 23 Desarrollo de grupos libre de -SH, como una función de la temperatura de pasteurización

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nos productos pueden necesitar temperaturas más altas, pero el propósito primario de un tratamiento térmico en un evaporador, aparte de los requisitos bacteriológicos, no es una "pasteurización", sino el de obtener una herramienta para obtener propiedades funcionales en el producto final. Razones por un tratamiento térmico son:

• Requisitos de tipo bacteriológico • Leche descremada en polvo por clasificación térmica • La conservación de la leche entera • Leche en polvo termoestable a alta temperatura, tipo 'high-heat' • Leche entera instantánea en polvo

Requisitos de tipo bacteriológico

Una pasteurización inmediatamente antes de la evaporación, lógicamente influye en el recuento de bacterias en el polvo final, y cuanto más alta la temperatura y mayor el tiempo de retención, mayor eficiencia en la eliminación de las bacterias.

Leche descremada en polvo por clasificación térmica

A menudo la leche descremada en polvo es producida de acuerdo con un grado fijo de desnaturalización de las proteínas de suero y es clasificada de acuerdo con el índice de nitrógeno proteínico del suero (mg WPNI/g de polvo), lo cual expresa el contenido de proteínas de suero no desnaturalizadas. Combinaciones diferentes de temperatura y tiempo pueden influir en el índice indicado en Fig. 22, así como una desnaturalización en % de la β-lactoglobulina en leche en Fig. 22a.

La conservación de la leche entera

En la producción de leche entera en polvo existe el problema de tiempo de conserva-ción, ya que la grasa se oxida con facilidad si el polvo no es envasado aplicando gas inerte. Como muchos productos en polvo son envasados en bolsas es imposible prote-ger el polvo con efectividad total, y en la mayoría de los casos los antioxidantes no son permitidos.

Mediante una pasteurización directa de la leche a 90-95°C previa a la evaporación, y manteniendo la temperatura durante ½-1 minuto, se forman antioxidantes naturales, ya que son liberados grupos -SH que originan de los aminoácidos cistina, cisteína y metionina, y estos grupos actuarán como antioxidantes. Temperaturas más altas de pasteurización formarán más grupos -SH, pero estos reaccionarán con la caseína y no se encontrarán en forma libre. Ver Fig. 23. Los grupos -SH libres darán a la leche un gusto "cocido", apreciado, no obstante, por muchos consumidores.

Leche en polvo termoestable a alta temperatura, tipo 'high-heat'

Este tipo de polvo se usa para la reconstitución para elaborar leche evaporada y esteri-lizada, especialmente en el Extremo Oriente. Después de una reconstitución a 25-27% TS (sólidos totales) el producto tiene que ser esterilizado aplicando temperaturas de 120°C o más altas durante 20 minutos.

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Vapor

Entrada producto

Salida producto pasteurizado

Sal. C

IP

Entr. C

IP

Fig. 24 Intercambiadores de calor tipo indirecto, cambiables.

Fig. 25 Intercambiador de calor de tubos en espiral, indirecto, trabajando en serie, calentado por vapor y vahos 'flash'


Condensados

Vahos

Vapor

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La estabilidad del producto recombinado es controlada mediante la combinación de temperatura de pasteurización/tiempo previa la evaporación y secado. Un sistema de calentamiento de contacto directo dará un mejor resultado.

Pasteurización Intervalo temperatura °C indirecto °C desde 60 a 80 directo °C desde 80 a 110 *) directo °C desde 110 a 125 retención min. 2-4

*) En el intervalo desde 80 a 110°C es importante un calentamiento muy rápido pa-ra evitar una interacción entre las proteínas de suero, con el fin de producir pro-ductos de baja viscosidad con una buena termo-estabilidad.

Leche entera instantánea en polvo

Para obtener leche entera instantánea en polvo con buenas propiedades de reconstitu-ción en agua fría y al mismo tiempo con una buena "coffee stability", i.e. no tiene lu-gar ninguna coagulación al verter el polvo a café caliente como un blanqueador, se re-comienda usar una combinación de temperatura/tiempo que da un WPNI de > 3,5mg/g, lo que corresponde a aprox. una desnaturalización del 45% de β-lactoglobulina, ver Fig. 22a.

La pasteurización puede llevarse a cabo en diferentes modos, o sea:

• Indirectamente en intercambiadores de calor a placas, de tubos en espiral o rectos • Inyección directa de vapor en la leche o bien de leche en una atmósfera de vapor

Pasteurización indirecta

Los calentadores indirectos trabajan como intercambiadores de calor normales, del ti-po a placas, o bien de tubos en espiral. Si se requieren temperaturas hasta 110°Cse re-comienda tener dos calentadores, uno en operación mientras el otro es limpiado, ver Fig. 24.

La ventaja del calentamiento indirecto es que el producto no se mezcla con el vapor condensador, ni se diluye el producto. La desventaja es que el producto tarda en calen-tarse desde 80°C a 110°C, dando lugar a un concentrado de alta viscosidad, ya que las proteínas de suero, al extenderse, reaccionarán/se desnaturalizarán, una con la otra, antes de formarse la caseína-Kappa. Para eficiencias mejoradas se puede incorporar uno o más sistemas de regeneración, ver Fig. 25.

Pasteurización directa

La pasteurización directa se efectúa según dos diferentes métodos, uno es mediante inyección directa de vapor, donde el vapor vivo es mezclado con la leche en un calen-tador de remolino tangencial (TSH), ver Fig. 26. Este ofrece un tiempo de residencia controlado y breve sin ningún impacto mecánico, aún a temperaturas >120°C.

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Entrada leche

Leche

Vahos Flash

Leche fría FlashLeche pasteurizada

Leche caliente

de contacto directoFig. 26 Sistema de pasteurización directa con sistema

regenerativo 'flash'

Temperaturas de crecimiento ( C)

Inactivación normal en leche por calor

Bacteriasformadoras de

esporasMini-mum

Opti-mum

Maxi-mum

Vegetativecell

Spore

B. Stearothermophilus 30-45 55-60 60-70 12 s 85 C 8-15 m 121 C

B. Cereus 5-20 30-37 45-48 10 s 72 C 0.5 m 121 C

B. Coagulans 15-25 35-50 55-60 20 s 72 C 3-5 m 121 C

B. Licheniformis 15 30-45 50-55 20 s 72 C 3-5 m 121 C

B. Subtilis 6-20 30-40 45-55 20 s 72 C 3-5 m 121 C

C. Botulinum 3 25-40 48 20 s 72 C 3-4 m 121 C

C. Perfringens 8-20 45 50 20 s 72 C 1-4 m 121 C

C. Tyrobutiricum 20 s 72 C 1-4 m 121 C

Fig. 26a Condiciones óptimas para el crecimiento de bacterias

Calentador de remolino tangencial

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Puede operar 20 horas o más sin limpieza intermedia. Alternativamente, la leche es atomizada en una atmósfera de vapor (infusión) a una presión suficiente. La calidad del vapor debe ser buena, es decir apta para uso en productos de consumo humano. Puede usarse calderas de vapor culinario, donde el condensado de leche es calentado en un calentador indirecto de serpentín mediante vapor vivo. La ventaja de la pasteu-rización directa es el corto tiempo que tarda en alcanzarse la temperatura deseada. Es-to significa que están disponibles proteínas extendidas de suero y caseína-Kappa, que pueden reaccionar/desnaturalizarse entre sí dando una baja viscosidad.

El calentamiento directo además tiene una influencia reducida en la desnaturalización de las proteínas de suero a la misma temperatura/tiempo de pasteurización.

Desnaturalización de proteínas suero Pérdida de Tiamina

Sistema directo 35% 0,5 - 0,8% Sistema indirecto 65% 1,4 - 4,4%

Como es el caso de la pasteurización indirecta, se usan cámaras 'flash' regenerativas, si se desean altas temperaturas de pasteurización. La temperatura de la leche bajará debido a la evaporación, y los vahos se usan para precalentamiento previo a la pasteu-rización. La cámara 'flash' regenerativa puede ser del tipo indirecto, ver Fig. 25, o de contacto directo, ver Fig. 26. Se prefiere el sistema regenerativo de contacto directo, sin la superficie de contacto térmico donde pueden formarse depósitos (bio-film).

La retención se realiza casi siempre en tubos de retención, de longitud y diámetro es-pecíficos, para dar el tiempo de retención deseado. Se utilizan cubas de retención ('hot well'), si se requiere un tiempo de retención de hasta 30 minutos, especialmente para suero o permeado. Sin embargo, es difícil controlar el tiempo con exactitud y parte del producto podría pasar en 5 minutos, mientras que otra parte permanecería durante mucho tiempo.

La temperatura de pasteurización tiene naturalmente una influencia directa en el con-sumo total de vapor, el cual aumentará si se aumenta la temperatura. Con una misma temperatura de pasteurización, el sistema directo dará como resultado un mayor con-sumo de vapor que en el sistema indirecto, debido a la evaporación necesaria del agua adicional formada por la condensación. Sin embargo, después de su uso el vapor adi-cional se usa como medio de calentamiento en los calandrias subsiguientes, y así se reutiliza la energía aplicada.

Equipo de precalentamiento para evitar crecimiento de bacterias termófilas

Durante los últimos años se ha enfocado mucha importancia en el contenido de bacte-rias termófilas esporulantes de leche en polvo. Se ha observado que no hasta después

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Precalentador Duplex

Entrada producto

Salida producto

Fig. 26 b Precalentador Duplex

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de 12-16 horas de operación de una planta empieza un aumento del número de esas bacterias, y el aumento es exponencial.

Bacterias esporulantes son bacterias que bajo condiciones desfavorables de crecimien-to, como por ejemplo temperaturas demasiado altas o bajas, o bien falta de nutrición, se transforman en un estado durmiente - forman esporas y se transforman extremada-mente termo-resistentes. Con condiciones otra vez favorables se transforman vegeta-tivas y se reproducen. Las células vegetativas pueden matarse por un tratamiento tér-mico. Bacterias termófilas normalmente crecen entre 45 y 70°C, ver la tabla en Fig. 26a.

Se ha comprobado que el desarrollo de bacterias termófilas en los evaporadores tiene lugar en los precalentadores, siendo el único lugar donde se forman bio-películas. Para asegurar una producción de polvo durante un período de 20 horas sin problemas, las siguientes medidas aplican:

• Limpieza intermedia • Tratamiento UHT • Sistema doble de precalentamiento • Precalentamiento de contacto mediante inyección directa de vapor • Precalentamiento regenerativo de contacto directo

Limpieza intermedia

Se puede solucionar el problema mediante una limpieza del evaporador después de 10 horas, pero se pierde un 10% de la producción eficaz, y se producen costos de medios de limpieza y eliminación de residuos.

Tratamiento UHT

Se puede solucionar el problema mediante un calentamiento de la leche a 140°C en 2-3 seg. después de los precalentadores, sin embargo las células muertas quedan traza-bles, y no será posible obtener polvos con propiedades funcionales a medida.

Además el consumo de vapor aumenta y el tiempo máximo de operación depende de la calidad de leche.

Sistema doble de precalentamiento

Instalando precalentadores dobles, ver Fig. 26b, es posible lograr una operación conti-nua de 20 horas, ya que los precalentadores son limpiados antes de alcanzar al nivel crítico. Gastos adicionales de limpieza y evacuación de residuos deben tomarse en cuenta. Los gastos de inversión resultan más altos, pero no se afectan los costos direc-tos y tiempo de producción.

Precalentamiento de contacto mediante inyección directa de vapor

Como queda mencionado las bacterias termófilas desarrollan bio-películas sólo en los precalentadores. Por eso, la solución más obvia del problema sería un desvío de los

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Entrada producto

Salida producto

70 o

45 o

Condensación

Mezcla vapor/vahos

Vapor

Vahos

Fig. 26 c Precalentamiento de contacto directo con cámara flash

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precalentadores, donde las temperaturas son entre 45 y 70°C. Sin embargo, el resulta-do sería un aumento del consumo total de vapor, ya que se necesita inyección directa de vapor para llevar la temperatura de 45°C hasta la temperatura de pasteurización, y por lo demás se tiene que evaporar otra vez el agua procedente de la dilución del va-por condensante. Si el problema también es bacterias mesófilas y sus esporas, se nece-sita un precalentamiento de ≈6°C.

Precalentamiento regenerativo de contacto directo

Aplicando un precalentador regenerativo de contacto directo de un diseño similar al de las cámaras 'flash' (ver pág. 47), el calentamiento de 45°C hasta 70°C puede reali-zarse en fracciones de un segundo sin superficies térmicas, donde pueden formarse bio-películas.

La leche -una vez precalentada a 45°C en el último efecto del condensador de plantas RTV, o en un intercambiador de calor a placas en una planta RMV- es bombeada a la entrada del precalentador de contacto directo, en el cual se introduce vahos de uno de los separadores mediante vapor vivo a través de un pequeño termo-compresor, ver Fig. 6. El calentamiento subsiguiente a la temperatura de pasteurización seguido de un enfriamiento regenerativo se realiza según descrito en lo anterior, ver Fig. 26c. Si hay un problema de bacterias mesófilas y sus esporas se omite el último efecto del preca-lentador y el calentamiento regenerativo se realiza ya desde ≈6°C en equipos similares según arriba descritos.

Esa nueva tecnología permite una operación de la planta de 20 horas o más sin el cre-cimiento de bacterias mesófilas y/o termófilas y sus esporas, a un consumo de vapor reducido en comparación con la solución de UHT o inyección directa de vapor.

Equipo de condensación

Todos los evaporadores en la industria láctea operan con vacío, y por eso están equi-pados con una instalación de condensación y evacuación de aire para condensar los vahos que ya no pueden ser utilizados y para crear y mantener el vacío en la planta.

La cantidad de calor a descargar del condensador depende de la cantidad de vahos re-siduales de la última etapa y la temperatura de los mismos.

Con el fin de ahorrar agua de enfriamiento y energía, la leche a evaporar (a una tem-peratura de 5-10°C) es utilizada para preenfriar y condensar los vahos al mismo tiem-po que se está precalentando la leche. Sin embargo, el grado final de la condensación es determinada por la cantidad y temperatura del agua de enfriamiento. Como siempre habrá aire y gases incondensables en la leche a ser evaporada, y posiblemente peque-ñas fugas en la planta, es necesario tener equipos para aspirar este aire/gas para man-tener el vacío. Los mismos equipos son usados para crear el vacío durante el arranque.

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Vahos

Condensados

Salida agua enfriamientoEntrada agua enfriamiento

Fig. 28 Condensador de superficie

Entrada agua enfriamiento


Vahos

Salida agua enfriamiento

Fig. 27 Condensador de mezcla

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Para la condensación de los vahos (y así mantener el vacío) se utilizan dos tipos:

• Condensador de mezcla • Condensador de superficie

Condensador de mezcla

En un condensador de mezcla hay instaladas numerosas toberas y placas para obtener una buena mezcla de los vahos con el agua de enfriamiento, ver Fig. 27, (en la prácti-ca es el mismo principio como en el lavador vía húmeda, ver más adelante). El agua y los vahos condensados se descargan del fondo. Habrá el mismo vacío en el condensa-dor de mezcla como en la última etapa, y por eso la bomba para eliminar el agua y condensados debe ser capaz de descargar de este vacío.

Otra solución es colocar el condensador de mezcla en una posición barométricamente alta, es decir unos 11 metros sobre la bomba. El agua entra en un pozo y es bombeada a una torre de enfriamiento, o bien a un depósito natural.

La ventaja de un condensador de mezcla es el bajo costo de inversión y bajo consumo de agua de enfriamiento. Una desventaja es que los condensados se mezclan con el agua de enfriamiento y esto puede contaminar la torre de enfriamiento.

Condensador de superficie

El condensador de superficie trabaja y es construido según el principio del intercam-biador de calor de tubos rectos, ver Fig. 28. La ventaja de un condensador de superfi-cie es que el agua de enfriamiento y los condensados de vahos permanecen separados. Hay que bombear solamente los condensados de vahos del vacío, y por eso no es ne-cesario colocarlo barométricamente, como es el caso del condensador de mezcla. Siempre se debe utilizar condensadores de superficie en plantas que evaporan produc-tos ácidos, como p.ej. suero ácido, para poder separar los condensados ácidos de va-hos del agua de enfriamiento.

Equipos de vacío

Como se ha visto, el vacío en la última etapa del evaporador es una función de la can-tidad de agua de enfriamiento y la temperatura. El vacío en la primera y las interme-dias etapas es creado por el grado de evaporación en la calandria siguiente actuando como un condensador para los vahos de la etapa anterior. Cualquier cambio en el gra-do de evaporación en una etapa, debido p.ej. a ensuciamiento (menor factor K) signi-ficaría una menor condensación de los vahos. Esto lleva consigo un aumento de la temperatura de ebullición en la etapa previa, el ∆t se reduce y asimismo la capacidad total de evaporación. Cada etapa es conectada al condensador para asegurar la desai-reación de aire no condensable y gas.

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Fig. 29 Torres de enfriamiento

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Para la creación y mantenimiento (debido a los gases no condensables y las fugas) del vacío en el evaporador se usan dos tipos de bombas:

• Bombas de vacío • Bombas eyectoras de vapor a vacío

Bombas de vacío

Se usan bombas de vacío como p.ej. la bomba de anillo de agua. Normalmente se ins-talan dos unidades y se usan ambas para un rápido arranque de la planta, mientras se usa sólo una durante la producción. Como material se debe solamente considerar el acero inoxidable, ya que el bronce -aún siendo más barato- tiene una vida muy breve debido a corrosión, especialmente en el procesamiento de productos de suero.

Bombas eyectoras de vapor a vacío

El principio es similar al termo-compresor antes mencionado. Este sistema tiene un bajo costo de mantenimiento, pero debe considerarse el consumo adicional de vapor.

Torres de enfriamiento

Muchas fábricas están situadas cerca de lagos, ríos u otras fuentes naturales de agua, y la cantidad y temperatura del agua de enfriamiento no presenta problemas, siempre y cuando que la alta temperatura del agua de retorno no cause problemas medio-ambientales.

No obstante, no todas las fábricas tienen acceso a suministros ilimitados de agua, y se presenta la situación en que las necesidades de agua de enfriamiento no son cubiertas. Sería posible solucionar este problema reciclando el agua, pero como la temperatura aumenta unos 10-15°C para cada ciclo, el vacío en el evaporador pronto desaparece-ría. Instalando una torre de enfriamiento, ver Fig. 29, se puede eliminar este problema. En dicha torre el agua es enfriada (cuánto depende de las condiciones locales de tem-peratura ambiente y de bulbo húmedo) por evaporación, puesto que el agua es distri-buida sobre una gran superficie, y un ventilador asegura la turbulencia de aire necesa-ria. El flujo de agua va desde la torre hasta el condensador desde donde es retornado a la torre de enfriamiento.

A causa de la evaporación, hay que agregar agua en la torre de enfriamiento, pero la cantidad es pequeña. Utilizando un condensador de mezcla la necesidad de agua adi-cional es prácticamente nula, ya que los vahos condensados son mezclados con el agua. Se recomienda renovar el agua reciclada a intervalos con el fin de evitar el cre-cimiento de bacterias.

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Condensados

Vahos

Vapor

Bomba de vacío

Agua enfriamiento

Entrada producto

Fig. 30 Concentrador alto y sistema de alimentación

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Concentradores para alta concentración

En la industria de los alimentos infantiles, donde los productos están basados en una recombinación de varios ingredientes antes del secado, se utiliza un concentrador alto para aumentar el contenido en sólidos desde, típicamente, un 40-42% a un 50-55%, todo dependiendo de la composición. Durante la evaporación todo el aire, incorporado durante la recombinación, es evacuado dando lugar a un producto con el contenido más bajo posible de aire ocluido. El concentrador alto está equipado con un tanque in-termedio con control del nivel debajo de la calandria, y así actúa como "esclava" para la planta de secado, ver Fig. 30.

Enfriadores 'flash'

Frecuentemente se desea una temperatura del concentrado más baja que la obtenida en la última etapa. Para enfriar el concentrado puede naturalmente utilizarse un inter-cambiador de calor a placas, pero no se recomienda, ya que la viscosidad en este pun-to es alta. En lugar de intercambiadores se usan enfriadores 'flash'. El sistema es sim-ple y consiste solamente en una cámara de vacío (vacío creado por eyectores de vapor a vacío) dentro de la cual el concentrado es atomizado. Dependiendo del vacío, el concentrado es enfriado rápidamente y además tendrá lugar una evaporación que dará como resultado un pequeño aumento en el contenido de sólidos. El enfriador 'flash' se usa principalmente para suero, en cuyo caso es especialmente ventajoso, ya que el en-friamiento es instantáneo con lo que se eliminan los problemas de una cristalización no deseada de la lactosa, fenómeno que crearía bloqueos entre las placas.

Equipos de agua de cierre

Todos los evaporadores de película descendente tienen bombas de transporte para pa-sar el concentrado de leche de una etapa a la otra. El número de bombas depende del número de etapas, y de si las etapas están divididas o no. Las bombas trabajan bajo vacío y por este motivo se necesita un cierre eficaz para evitar cualquier fuga de aire que haría difícil mantener el vacío. Este cierre se hace con agua. Cada bomba requiere unos 50-100 l/h de agua de cierre de la cual normalmente ½-1 l/h entra en el caudal de leche. El sistema de cierre por agua puede tener un diseño que permita la instalación de un pequeño embudo para cada bomba con el fin de controlar si hay una pérdida ex-cesiva de agua o -aún más importante- un incremento súbito del consumo de agua, lo que significaría un desgaste del anillo de cierre.

Instrumentación y automatización

Es absolutamente vital para un óptimo funcionamiento del evaporador que la instru-mentación esté bien establecida, y que todos los parámetros críticos sean indicados en instrumentos para poder intervenir y evitar un mal funcionamiento.

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Bombas de descarga de concentrado

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La siguiente instrumentación es importante:

• Indicador de flujo para la leche cruda • Temperatura de la leche cruda • Temperatura de precalentamiento • Temperatura de pasteurización • Temperatura de calentamiento y ebullición y presiones de cada etapa • La presión de vapor disponible • La presión del vapor al termo-compresor • La temperatura del agua de enfriamiento • La temperatura del agua caliente • Vacío • La conductividad de los condensados • La densidad (contenido en sólidos)

Estos instrumentos deben estar en un panel de control ubicado en un punto central y preferiblemente en una sala de control, para facilitar la operación.

Sobre la automatización y el grado de la misma existen varias opiniones. Sin embar-go, con el fin de obtener una operación continua sin fluctuaciones se recomiendan los siguientes controles:

• Caudal de alimentación • Temperatura de pasteurización • Presión del vapor para termo-compresor • Contenido en sólidos • Vacío/temperatura de ebullición en la última etapa

Caudal de alimentación

El caudal de alimentación, es decir la leche cruda, es controlado automáticamente me-diante un medidor de flujo, o del tipo convencional, ó mejor basado en una medida magnética inductiva.

Temperatura de pasteurización

Para asegurar que el polvo final haya sido siempre sometido a la temperatura de pas-teurización deseada, la temperatura es casi siempre controlada automáticamente. El sistema es simple y bien conocido de los intercambiadores de calor a placas, en los que la presión del vapor controla la temperatura de la leche mediante una simple vál-vula reductora de la presión de vapor.

Presión del vapor para termo-compresor (RTV)

Para evitar fluctuaciones en la presión de vapor, ésta debe mantenerse constante. Un cambio en la presión de vapor al termo-compresor (RTV) dará lugar a un cambio en la

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FIC DIC

Producto

Concentrado

Tem

p. d

e co

nden

saci

ón

(C

)o

Flujo Masa (kg/h)

Fig. 31 Control de la densidad mediante el flujo de concentrado


Condensados

Vahos

Vapor

Concentrado

Concentra

do

Leche líquida pasteurizada

pasteurizada o condensados

Fig. 32 Control de densidad mediante

presión/caudal de vapor

Fig. 33 Control de densidad mediante retromezclado de

leche líquida

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cantidad y presión/temperatura de los "vahos mixtos". Por consiguiente, cambiará la capacidad evaporativa de la primera etapa, y por consiguiente del evaporador entero.

Contenido en sólidos

Para elaborar un producto de primera calidad debe mantenerse constante el contenido en sólidos. También debe ser constante con el fin de evitar una sobreconcentración, la cual daría lugar a un aumento en la viscosidad con el riesgo de depósitos quemados en los tubos, o bien la obstrucción de éstos.

El contenido en sólidos puede ser regulado de distintas formas, pero primero debe considerarse cómo medir el contenido en sólidos. Esto se realiza mediante la medi-ción del índice de refracción o la densidad.

El índice de refracción en la leche concentrada es determinado por el índice de refrac-ción de la lactosa, minerales, grasa e incluso las proteínas, y es una función de la con-centración de cada uno de los componentes mencionados. Esto quiere decir, sin em-bargo, que la suma medida cambia de acuerdo con las variaciones estacionales en la composición de la leche. Por eso el factor (índice de refracción x F = % sólidos) no es constante, y se deben llevar a cabo frecuentes cambios del factor, basándose en prue-bas de secado en un horno de laboratorio. El índice de refracción es convertido en una señal electrónica o neumática, dependiendo del equipo de control.

Otro método consiste en la medición de la densidad del líquido, ya que ésta cambiará directamente en proporción con el contenido en sólidos. La densidad del concentrado es medida pasándolo a través de un tubo de U de altas vibraciones. Las vibraciones se reducirán proporcionalmente a la masa pasada. Así es posible obtener un resultado que puede usarse en el equipo de control.

Ahora podemos comentar qué hacer con el resultado del control, es decir qué paráme-tros se deben cambiar para obtener un contenido constante en sólidos:

Caudal de leche:

Una variación en el caudal de leche significa un cambio en la cantidad final de con-centrado. Con altas capacidades de evaporación (por ejemplo, al tratar suero) un pe-queño cambio en el caudal significaría un tremendo cambio en el contenido en sólidos y cantidad de concentrado final, ver Fig. 31. Este método, aún siendo simple, no se re-comienda, ya que podría fácilmente provocar depósitos debido a problemas de recu-brimiento.

Presión de vapor al termo-compresor:

Como consecuencia de lo anterior es más usual regular la presión de vapor al termo-compresor, ver Fig. 32. Sin embargo, como el tiempo de retención en un evaporador es de 8-20 minutos, se tardará mucho tiempo en obtener una reacción después de una regulación. Por eso, en grandes evaporadores se coloca muy a menudo un circuito adi-cional de control después de la segunda o tercera etapa.

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Vahos



PIC

Fig. 34 Control de vacío, regulando la cantidad de agua enfriamiento en un condensador de mezcla

PIC


Vahos

Aire


Fig. 35 Control de vacío, 'sistema de sangrado' en un condensador de mezcla

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Remezclado de leche líquida pasteurizada al concentrado:

El tercer método es trabajar con el evaporador a un contenido en sólidos algo mayor (1-2%) que lo necesario en la penúltima etapa, y luego diluir con leche pasteurizada antes de la entrada en la última etapa. Así no habrá ninguna fluctuación en el conteni-do en sólidos siendo rápida la reacción, y se elimina la posibilidad de una sobrecon-centración en la última etapa, ver Fig. 33.

Vacío/Temperatura de ebullición de la última etapa

El vacío en el condensador y por consiguiente en la última etapa es controlado por la cantidad de agua de enfriamiento, o en algunos casos por el llamado 'sistema de san-grado' donde se introduce más o menos aire en el condensador mediante una válvula; esto quiere decir que el sistema trabaja con agua sobrante. Las Fig. 34 y Fig. 35 mues-tran los dos sistemas.

Propiedades del Concentrado

El concentrado al abandonar la última etapa del evaporador es líquido, pero su visco-sidad puede diferir dependiendo de la composición, la termosensibilidad de las proteí-nas, pre-tratamiento, temperatura y contenido en sólidos.

Los concentrados de leche entera son en general menos viscosos que los de leche des-cremada, y como regla general se puede decir que la viscosidad no debería exceder a los 60 y 100 cP, respectivamente, si se quiere una atomización óptima.

Por supuesto, es posible tratar viscosidades mayores en el secador, pero no sin una re-ducción de la capacidad (mala atomización - grandes gotas) y el resultado será siem-pre un producto inferior.

La composición tendrá una influencia en la viscosidad, especialmente sobre el conte-nido proteínico (P) en relación al contenido de lactosa (L). Cuando la relación P:L es alta, el concentrado tendrá una alta viscosidad. Esto es un problema, especialmente con las vacas Jersey durante todo el año, pero otras razas tienden a dar problemas en los principios del período de lactación. La relación P:L puede ajustarse añadiendo lac-tosa. En general se puede decir que con un contenido más elevado de grasa y lactosa la viscosidad será menor, y con mayor contenido proteínico la viscosidad será mayor.

Si la leche está sometida a un tratamiento térmico elevado antes de la evaporación, se obtendrá una viscosidad más alta del concentrado.

La temperatura del concentrado tendrá, por supuesto, una influencia directa en la vis-cosidad, y una temperatura más alta significa menor viscosidad.

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log

Viscosidad

t (h)

Fig. 36 Envejecimiento como una función de la temperatura (leche descremada 48,5% de sólidos)

log

Viscosidad

t (h)

Fig. 37 Envejecimiento como una función del contenido de sólidos (leche descremada 55 C)o

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Sin embargo, lo anterior establece solamente la influencia directa de algunos paráme-tros en la viscosidad. Una de las principales influencias es el tiempo, es decir la visco-sidad es una función del tiempo, también llamado espesamiento por envejecimiento ("age-thickening"). Esto quiere decir que la viscosidad aumentará si se deja reposar el concentrado durante algún tiempo. El aumento depende de la composición -princi-palmente proteínas que se liguen-, temperatura y concentración. El espesamiento es solamente en parte reversible mediante una agitación.

Un aumento de la temperatura dará, por supuesto, como resultado una disminución de la viscosidad; pero como el espesamiento por envejecimiento es más pronunciado a altas temperaturas, la viscosidad pronto aumentará al mismo nivel, y así en adelante al transcurrir el tiempo. Ver Fig. 36.

El envejecimiento se verá influido también por el contenido en sólidos y será más pronunciado cuanto mayor sea éste en el concentrado. Ver Fig. 37. La composición tendrá la misma influencia tanto en el espesamiento por envejecimiento como en la viscosidad. Si se desea mantener el concentrado durante algún tiempo se deben man-tener bajas la concentración y la temperatura. Al mismo tiempo la temperatura baja evitará el crecimiento de bacterias.

La calidad del concentrado para el secado por atomización debe seguir las siguientes líneas de guía:

Leche descremada

� Contenido en sólidos: 48-50% ST

� Viscosidad:

máx. 100cP a 40°C, medida en el concentrado a atomizarse. Mediciones a con-centrados con menos de 15 min. de edad, y mantenidos bajo vacío entre el eva-porador y el muestreo para mediciones de viscosidad. Método: Viscosímetro Brookfield tipo LVT, equipado con eje 2 a 60 r.p.m., medición a 40°C.

� Desnaturalización de proteínas: Para productos instantáneos el WPNI debe ser de 2,5-3,5 mg. Para productos de

alta densidad el WPNI debe ser de 1,0 mg, como máximo.

� Indice de solubilidad: ninguna cantidad apreciable.

� Prueba de tamizado: ninguna partícula insoluble visible (trozos de proteínas) en una malla de 250

micras después de pasar un litro de concentrado por la malla y lavar con agua.

� Partículas quemadas: ninguna cantidad apreciable.

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Leche entera

�� Contenido en sólidos: 48-50% TS

�� Viscosidad:

máx. 60 cP a 40°C, medida en el concentrado a atomizarse. Mediciones a con-centrados con menos de 15 min. de edad, y mantenidos bajo vacío entre el eva-porador y el muestreo para mediciones de viscosidad. Método: Viscosímetro Brookfield tipo LVT, equipado con eje 2 a 60 r.p.m., medición a 40°C.

�� Desnaturalización de proteínas: Para productos instantáneos el WPNI debe ser de 2,5-3,5 mg. Para productos de

alta densidad el WPNI debe ser de 1,0 mg, como máximo, basado en SNF.

�� Indice de solubilidad: ninguna cantidad apreciable.

�� Prueba de tamizado: ninguna partícula insoluble visible (trozos de proteína) en una malla de 250 mi-

cras después de pasar un litro de concentrado por la malla y lavar con agua.

�� Partículas quemadas: ninguna cantidad apreciable

Suero

�� Contenido en sólidos: 52% TS, como mínimo.

�� Grado de cristalización: > 75% de la lactosa a ser cristalizada, tamaño medio de cristal: 30 micras tamaño mayor de cristal: 50 micras

�� Viscosidad:

máx. 1000 cP a 40°C, medida en el concentrado a atomizarse. Método: Visco-símetro Brookfield tipo LVT, equipado con eje 2 a 60 r.p.m., medición a 40°C.

�� Desnaturalización de proteínas:

Las proteínas de suero deben ser desnaturalizadas a máx. 25% (aprox. 80°C, 15 seg., pasteurización en evaporador)

�� Indice de solubilidad: ninguna cantidad apreciable.

�� Prueba de tamizado: ninguna partícula insoluble visible (trozos de proteína) en una malla de 250 mi-

cras después de pasar un litro de concentrado por la malla y lavar con agua.

�� Partículas quemadas: ninguna cantidad apreciable.

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1

2

3

4

5 6

78

1. Cámara de secado2. Sistema de aire caliente y distribución del aire3. Sistema de alimentación4. Atomizador5. Sistema de separación de polvo6. Transportador neumático y sistema de enfriamiento7. Lecho fluido de post-secado/enfriamiento8. Instrumentación y automatización

Fig. 38 Planta de secado por atomización

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Secado por Atomización

La definición del proceso de secado por atomización es la transformación de una materia en forma líquida en forma seca atomizándola en un medio de secado caliente. Se realiza en una sola operación continua. La materia puede tener la forma de una solución, una suspen-sión o una pasta. El producto seco es un polvo que está compuesto de partículas o aglome-rados, dependiendo todo de las propiedades físicas y químicas del producto de entrada y del diseño y operación del secador. Durante las tres últimas décadas el proceso ha sido el objeto de investigaciones intensivas, y éstas han dado como resultado modernos equipos que cumplen con los requerimientos de producir un polvo con las características deseadas por los consumidores.

El secado por atomización en la industria láctea se inició alrededor del año 1800, pero no fue posible hasta 1850 secar la leche en mayor escala. Pero todos los procesos necesitaron la adición de azúcar, ácido sulfúrico o álcali, por lo que el producto final no podía conside-rarse puro.

Una de las primeras patentes fue solicitada en 1901 por el alemán Sr. Stauf quien, por me-dio de toberas, pulverizó la leche en una cámara con aire caliente. Sin embargo, el co-mienzo definitivo tuvo lugar en los Estados Unidos en 1913 cuando el americano Sr. Grey y el danés Sr. Jensen desarrollaron un secador por toberas e iniciaron la comercialización de instalaciones de secado.

El primer atomizador rotativo fue desarrollado por el alemán Sr. Kraus en 1912, pero la comercialización de este método de atomización no se manifestó hasta en 1933 cuando el ingeniero danés Sr. Nyrop solicitó su patente mundial.

Estos pioneros formaron la base para la industria moderna de leche en polvo, y el desarro-llo has sido rápido. Los equipos instalados hoy son en su mayoría muy sofisticados e im-plican un avanzado diseño técnico y tecnológico.

La operación de un secador convencional es la siguiente, ver Fig. 38:

El concentrado es bombeado desde el tanque de alimentación de producto al dispositivo atomizador colocado en el dispersor de aire sobre la cámara de secado. El aire de secado es aspirado de la atmósfera a través de un filtro por un ventilador pasando luego al disper-sor a través del calentador de aire. Las gotas atomizadas encuentran el aire caliente y la evaporación tiene lugar al mismo tiempo que se enfría el aire. A continuación del secado en la cámara, la mayor parte del producto seco cae al fondo de la misma y pasa a un siste-ma de transporte neumático y de enfriamiento. Los finos, es decir las partículas con un diámetro pequeño, son arrastrados por el aire, y es necesario por tanto pasar el aire a través de ciclones para separarlos. Los finos abandonan el ciclón por la base mediante un disposi-tivo de cierre y entran asimismo en el sistema neumático. El aire de salida sale a la atmós-fera por medio del ventilador de aspiración. Las dos fracciones de polvo son recogidas en

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Aire secadoAire enfriamiento

FinosConcentrado/Producto

Fig. 39 Distintos tipos de cámaras de secado

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el sistema neumático de transporte y enfriamiento y luego pasadas a través de un ciclón para separación y ensacado. La instrumentación comprende la medida de la temperatura del aire de entrada y salida, así como el control automático de la temperatura de entrada mediante la variación de la presión del vapor o la cantidad de fuel o aire al calentador, y el control automático de la temperatura de salida mediante la variación de la cantidad de ali-mentación bombeada al dispositivo atomizador.

Una instalación convencional de secado por atomización consta de los componentes prin-cipales siguientes:

• Cámara de secado (1) • Sistema de aire caliente y distribución del aire (2) • Sistema de alimentación (3) • Atomizador (4) • Sistema de separación de polvo (5) • Transportador neumático y sistema de enfriamiento (6) • Lecho fluido de post-secado/enfriamiento (7) • Instrumentación y automatización (8)

Cámara de Secado

Existen en el mercado varios diseños de cámaras de secado. El tipo más común es la cámara cilíndrica con un cono de 40-60° para que el polvo pueda salir de la cámara por gravedad. También se ven cámaras con el fondo plano, en cuyo caso se necesita un raspador o un dispositivo aspirador para retirar el polvo de la cámara. Existen además cámaras horizontales tipo caja, que también operan con un sistema forzado (p.ej. raspador o tornillo) para retirar el polvo. Los distintos tipos de cámaras de seca-do se muestran en Fig. 39.

En resumen se puede decir que las cámaras con un cono para la descarga del polvo por gravedad ofrecen la mejor flexibilidad para adaptar varios procesos de secado a la planta, como por ejemplo lechos fluidos integrados o cintas, y así permiten las mayo-res posibilidades para el secado de distintos productos.

La tendencia hoy es un diseño de la cámara de secado que no incluye componentes dentro de la misma que puedan obstruir el flujo de aire con los consiguientes depósi-tos de polvo.

En la cámara tipo alto, se ha puesto énfasis en diseñar una planta con un flujo laminar del aire y un sistema especial para salida del aire, donde el diámetro del cono es ma-yor que el diámetro de la parte cilíndrica, formando así un conducto anular, denomi-nado un "bustle", en el que van montados los conductos de salida del aire. De este modo se minimiza la fracción del ciclón por la baja velocidad del aire de salida. Esta

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Aire

Filtración del aire de proceso

Fig. 40 Paneles desmontables de aislamiento para cámaras de secado

Fig.40a Estándares de filtros

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cámara es especialmente apta para productos de alimentos infantiles o de proteína se-cados desde un bajo contenido en sólidos en el concentrado de alimentación.

El desarrollo de filtros de mangas lavados por CIP ha permitido el diseño de cámaras de secado con filtros de mangas incorporados, ver pág. 153.

La cámara de secado debe siempre tener puertas de inspección, iluminación, aperturas de sobre-presión, así como otros equipos de emergencia como por ejemplo extintores de incendio en forma de toberas de agua o de vapor.

Normalmente, las cámaras de secado tienen un aislamiento, o de paneles dobles des-montables con un espacio de aire, ver Fig. 40, ó de 80-100 mm de lana mineral, recu-bierta de placas de acero inoxidable o de aluminio con PVC. La ventaja de los paneles desmontables es que se permite una inspección de la cámara para detectar grietas en las paredes o un aislamiento húmedo que provoque un crecimiento de bacterias, o áreas frías en las paredes, dando lugar a la formación de depósitos.

Sistema de Aire Caliente y Distribución del Aire

Filtración del aire

Hasta hace pocos años no existían requerimientos especiales para la filtración del aire de proceso en el secado por atomización. Sin embargo, actualmente las autoridades locales imponen requerimientos muy estrictos, con el fin de asegurar una operación más limpia. Referencias a los estándares de filtros se ven en Fig. 40a, y es de importancia referir al mé-todo de prueba al especificar la eficiencia en % del filtro. En común las distintas normas especifican:

• El aire debe ser prefiltrado y suministrado por un ventilador separado a la sala de ventiladores/filtros/calentadores. La sala debe estar bajo presión para prevenir la entrada de aire no filtrado.

• El grado de filtración y la posición del filtro dependen de la temperatura final del aire de proceso, como sigue:

- Para el aire principal a calentarse por encima de 120°C se necesita sola-mente una filtración gruesa al 90%. El filtro debe estar ubicado al lado de presión del ventilador.

- Para el aire secundario a calentarse por debajo de 120°C, o sin calentar, la filtración debe ser al 90-95%, y el filtro debe estar ubicado después del ca-lentador/enfriador. Algunos países tienen normas aún más estrictas estipu-lando una filtración hasta el 99,995% del aire, correspondiente a EU13/14 (ó H13/14)

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Entrada aire fríoSalida aire caliente

Fuel

Aire de combustión

Fig. 41 Calentador de aire tipo indirecto a base de fuel-oil

Calentador indirecto de aire a base de vapor

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• La práctica corriente es:

- Productos como lácteos, igual o mejor a 3A: Método de prueba: -Prefiltración EU4 (ó G4) ≈35% Dust-spot efficiency -Filtración aire principal EU7 (ó F7) ≈90% Dust-spot efficiency -Filtración aire secundario EU7 (ó F7) ≈90% Dust-spot efficiency

- Productos infantiles, igual o mejor a IDF: -Prefiltración EU6 (ó F6) ≈70% Dust-spot efficiency -Filtración aire principal EU7 (ó F7) ≈90% Dust-spot efficiency -Filtración aire secundario EU9 (ó F9) >95% Dust-spot efficiency

Sistema de calentamiento del aire

El aire de secado puede ser calentado de diferentes formas:

• Indirecto:��Vapor / Fuel / Gas / Fluido térmico�• Directo:� Gas / Electricidad�

Calentamiento indirecto

Un calentador a vapor es un simple radiador. La temperatura que se puede obtener de-pende de la presión de vapor disponible. En condiciones normales es posible obtener una temperatura del aire 10°C más baja que la correspondiente entalpía de saturación del vapor.

Los calentadores a vapor modernos están divididos en secciones para que el aire frío encuentre primero la sección de condensados, luego una sección con baja presión de vapor (esta sección es normalmente la más grande para aprovechar al máximo posible el vapor de baja presión), y finalmente el aire es introducido en la sección de vapor a alta presión. El calentador de aire consta de filas de tubos con aletas colocadas en una carcasa de metal aislado. La carga de calor es calculada a base de la cantidad y calor específico del aire. El tamaño del calentador depende de las propiedades para transfe-rir el calor de los tubos y las aletas y están normalmente alrededor de 50 Kcal/°C x al-tura x m2 para una velocidad del aire de 5 m/seg. La eficiencia de los calentadores de aire a base de vapor es normalmente de 98-99%. Como la caldera a vapor está casi siempre colocada a cierta distancia del calentador de aire, se debe calcular con 2-3 bar g de presión extra en la caldera debido a la caída de presión en el tubo de vapor y por la válvula reguladora. Para prevenir una corrosión de los tubos en el calentador se re-comienda utilizar acero inoxidable.

Los calentadores indirectos a fuel o gas tienen flujos separados de aire de secado y ga-ses de combustión. Los gases de combustión pasan sobre o a través de tubos que actú-an como una superficie de transferencia de calor para el aire de secado. La cámara de

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Calentador directo de aire a base de gas

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combustión está construida de acero resistente al calor. La tapa final del calentador debe ser desmontable para limpiar los tubos. Los calentadores de este tipo tendrán una eficiencia de un 85% en la zona de 175-250°C. Ver Fig. 41.

Los calentadores de aire a fluido térmico se usan solos, o cuando se requieren altas temperaturas de entrada del aire y la presión de vapor no es suficientemente alta. El sistema consiste en un calentador, a gas o fuel, y un intercambiador de calor. Entre es-tos dos componentes circula a alta velocidad un aceite especial o un fluido de transfe-rencia térmica que no se descomponga a altas temperaturas. La mayor ventaja de este tipo de calentador es su sistema abierto sin presión.

Calentamiento directo

Los calentadores directos a base de gas se utilizan solamente si se puede permitir que el gas de combustión esté en contacto con el producto. Por esta razón no se usan mu-cho en la industria láctea y alimenticia. El calentador directo a gas es barato, tiene una alta eficiencia y la temperatura que se puede obtener es de unos 2000°C. Si se diseña una planta con un calentador de aire con combustión directa se debe calcular la canti-dad de vahos procedentes de la combustión (44 mg/kg de aire seco/°C), ya que esto aumentará la humedad del aire de secado. Se debe, por lo tanto, aumentar la tempera-tura de salida para así compensar este aumento de la humedad y mantener la humedad relativa.

La combustión de gas natural (metano) tiene lugar de acuerdo con la siguiente fórmula de la reacción estequiométrica:

CH4 + 2 O2 → 2 H2O + CO2 + Calor

El oxígeno para la combustión origina del aire atmosférico con 21% de O2 y 79% de N2.

La combustión siempre da pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno como resulta-do de la reacción de nitrógeno y oxígeno a temperaturas elevadas. Se produce la for-mación subsiguiente de óxido de nitrógeno NO y dióxido nítrico NO2, a la que se re-fiere como la suma (NOx) de los dos.

Debe notarse que temperaturas altas de combustión, altos grados de transferencia de calor, cantidad alta de aire excesivo, y tiempo bajo de residencia en la cámara de combustión constituyen todos factores que aumentarán la formación de NOx.

Para una comparación, prevalecen las siguientes concentraciones de NOx:

Humo de cigarrillos: 4000 ppm Gases de combustión de automóvil: 2000 ppm Intersección tráfico fuerte: 900 ppm De caldera de gas natural: 75 ppm Límite de WHO para niños: 45 ppm

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Concentrado

Aire caliente

Fig. 42 Dispersor del aire, secador tipo horizontal

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Cámara de secado: 2-5 ppm Leche fresca normal: <1 ppm Suministro de agua normal: 0,1 ppm

El nivel de NOx en el aire de proceso después del calentador de aire directo a gas na-tural, dependerá de muchos factores variables, no obstante, con un calentador bien ajustado debe ser posible limitarlo al nivel arriba mencionado. Solamente una canti-dad alrededor de un 2% del NOx formado será absorbido en la leche en polvo.

El nivel de NOx en la leche en polvo depende no solamente del método usado para ca-lentar el aire de proceso, sino también del tipo de forraje para las vacas, así como del tipo de fertilizante y suelo usados para producir el forraje.

El nivel de NOx en la leche en polvo es:

Calentamiento indirecto: Indicios - 2 ppm Calentamiento directo: 1 - 3,5 ppm

y el nivel de nitratos (NO3) es de unas 5-10 veces el nivel de nitritos (NO2).

Los calentadores de aire eléctricos son comunes en secadores para laboratorios y plan-tas piloto. La inversión es baja, pero su operación costosa y por este motivo no se usan en plantas industriales.

Distribución del aire

La distribución del aire es uno de los puntos vitales de la planta de secado. Existen va-rios sistemas que dependen del diseño de la planta y el tipo de producto que se quiere producir.

El diseño de los secadores se divide en tres tipos: co-corriente, contra-corriente y flujo mezclado. Sin embargo, en la industria láctea se usa solamente el diseño de co-corriente, ya que el objeto es obtener la mejor mezcla entre el aire caliente de entrada y las gotitas de concentrado para obtener una evaporación rápida.

Si el secador tiene una cámara horizontal el dispersor de aire está dispuesto como una cámara de aire comprimido, y cada tobera estará rodeada por una corriente de aire. El mismo sistema se utiliza también en secadores cilíndricos verticales, ver Fig. 42. Sin embargo, lo más común es que el dispersor de aire esté colocado sobre el techo del secador y el atomizador en el centro del dispersor de aire asegurando de esta manera una mezcla óptima del aire y las gotitas atomizadas. En secadores cilíndricos vertica-les todo el techo está perforado creando de esta forma una corriente de aire puntual ("plug-flow"); numerosas toberas están colocadas en la placa perforada para asegurar que el aire sea enfriado por el concentrado. Pero este sistema complica el retorno de partículas finas, y la velocidad del aire/posición de tobera que se puede obtener no

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Aireenfriamiento

Concentrado

Aire de secado

Fig. 43 Dispersor de aire con aletas de guía ajustables

Aire de secado

Finos

Concentrado

Aireenfriamiento

Aireenfriamiento

Fig. 44 Dispersor de aire puntual 'plug-flow'

1 1 2

3

4

5

6

7

Fig. 45 Sistema de alimentación

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resulta óptima para un secado eficaz; debe notarse que un dispersor de aire debe ser capaz de guiar el aire y las gotitas atomizadas en la dirección correcta para evitar de-pósitos en la cámara de secado.

En plantas de gran capacidad operando con toberas, se puede usar el llamado disper-sor de aire "multi-neck", es decir la planta tiene 3-5 dispersores de aire y unidades de toberas. Sin embargo, es imposible tener libre de depósitos el área central en el techo entre los dispersores de aire y un retorno uniforme de finos resulta difícil.

Hoy en día se usan dos diferentes tipos de dispersores de aire para secadores de pro-ductos alimenticios y lácteos:

Corriente rotativa del aire

El aire entra tangencialmente en una carcasa de distribución, en forma espiral, ver Fig. 43, de donde el aire se lleva radialmente y hacia abajo sobre un juego de aletas de guía para poder ajustar la rotación del aire. Este tipo de dispersor de aire se usa para atomi-zación rotativa y de toberas situadas en el centro del dispersor de aire. Muy importan-te es el aro de enfriamiento. Este aro puede cerrar o abrirse dependiendo del producto, al borde del techo/entrada de aire, para evitar depósitos de polvo que puedan cambiar color y dar lugar a partículas quemadas en el producto final, y aún a un incendio.

Corriente del aire puntual ("plug-flow")

El aire entra radialmente a través de un lado y se distribuye por un sistema ajustable de guía, ver Fig. 44. Este tipo de dispersor de aire se usa para atomizadores a toberas, cuando se desea una corriente laminar puntual del aire. Como para el dispersor de operación rotativa se usa aire de enfriamiento. Los vástagos de tobera se encuentran en el medio de la corriente de aire caliente, por lo que esos se enfrían también median-te aire para evitar un sobrecalentamiento del producto.

Sistema de Alimentación

El sistema de alimentación, ver Fig. 45, es el eslabón entre el evaporador y el secador, y comprende:

• Tanques de alimentación (1) • Tanque de agua (2) • Bomba de concentrado (3) • Sistema de precalentamiento (4) • Filtro (5) • Homogeneizador/bomba de alta presión (6) • Línea de alimentación, incl. tubo de retorno para CIP (7)

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Entrada producto

Salida

producto

Entrada medio

calentamientoEntrada medio

calentamiento

Salida medio

calentamientoSalida medio

calentamiento

Fig. 46 Intercambiador de calor Tipo HIPEX

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Tanques de alimentación

Se recomienda utilizar dos tanques de alimentación y cambiar de uno a otro por lo menos una vez cada 4 horas. Esto se debe al riesgo de desarrollo de bacterias en la alimentación, que en condiciones normales tiene una temperatura de 45-50°C. Mien-tras uno está en uso el otro está siendo lavado. El tamaño de los tanques debe corres-ponder a unos 15-30 minutos de capacidad de producción del secador. Los tanques tienen indicadores de nivel y toberas de rocío para una limpieza CIP automática. A veces los tanques de alimentación se reemplazan por tanques de vacío como parte in-tegrada del último calandria del evaporador.

Tanque de agua

El tanque de agua se usa durante el arranque y parada de la planta, o si durante la ope-ración hay una súbita falta de concentrado. Alternativamente se pueden instalar con-troladores del nivel en los tanques de alimentación y un tubo de suministro de agua conectado al tanque, en cuyo caso se evita el tanque de agua.

Bomba de concentrado

Si se usa un atomizador rotativo la bomba de concentrado más común es el tipo mono o el tipo centrífugo. La bomba mono necesita menos energía y puede manejar concen-trados a más altas velocidades que la bomba centrífuga, pero es más cara.

Sistema de precalentamiento

La atomización por toberas requiere una temperatura del producto en alimentación más alta (viscosidad más baja) que la proveniente del evaporador. No obstante, de un punto de vista de atomización, el precalentamiento es ventajoso, también para atomi-zación rotativa. Por eso se recomienda un precalentador del concentrado. Se usan dos tipos, el directo y el indirecto.

Los precalentadores indirectos son del tipo:

• Intercambiador de calor a placas • Intercambiador de calor de tubo-en-tubo • Intercambiador de calor de superficie raspada

Intercambiador de calor a placas

El sistema de intercambiador de calor a placas es económico, pero, si el concentrado debe ser calentado sobre 60-65°C, si el contenido en sólidos es del 45-46%, y si ade-más se quiere trabajar con la planta durante 20 horas, es necesario tener dos calen-

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Sal. producto caliente

Vapor

Entr. producto frío

Condensados

Fig. 47 Intercambiador de calor de superficie raspada

Homogeneizador

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tadores intercambiables permitiendo así limpiar uno mientras el otro está en uso. Co-mo medio de calentamiento se puede utilizar vapor, agua caliente o condensados de la primera etapa del evaporador.

Intercambiador de calor de tubo-en-tubo

Un precalentador del concentrado muy simple y libre de mantenimiento ofrece el in-tercambiador de calor de tubo-en-tubo HIPEX (ver Fig. 46). Tiene tubos corrugados que permiten una alta capacidad de transferencia de calor debido a la turbulencia creada por los tubos corrugados, los que además reducen el ensuciamiento en la super-ficie de transferencia de calor. El medio de calentamiento es típicamente agua calien-te, y la unidad es diseñada con flujo del producto/medio de doble calentamiento en contra-corriente con el producto en el medio. Una diferencia muy baja de temperatura (<5°C) permite una operación de 20 horas sin limpieza.

Intercambiador de calor de superficie raspada

Ver Fig. 47. En los calentadores de superficie raspada la superficie de transferencia térmica es raspada continuamente por un cuchillo de rotación rápida para prevenir una adherencia del producto, lo que dará como resultado depósitos quemados con la con-siguiente reducción en la transferencia térmica. El calentador de superficie raspada es especialmente idóneo para productos de altos contenidos de sólidos. Pueden operar continuamente durante 20 horas y se limpian junto con el sistema de alimentación.

El intercambiador de calor de superficie raspada no se recomienda para productos que contienen cristales, como son suero o permeado precristalizado, debido a problemas de desgaste.

Los precalentadores directos son del tipo:

• Inyección directa de vapor (tipo DSI)

• Inyección suave de vapor (tipo LSI)

Inyección directa de vapor (DSI)

En la unidad DSI el vapor se introduce en el concentrado de leche mediante una tobe-ra que produce burbujas relativamente grandes dando un sobrecalentamiento de algu-nas partes del concentrado, lo que lleva a una desnaturalización de proteínas.

Inyección suave de vapor (LSI)

En la unidad LSI (patentada) el vapor se mezcla en el concentrado mediante un mez-clador dinámico. Se crean burbujas muy pequeñas, y se evita así un sobrecalenta-miento/desnaturalización. Por consiguiente, se puede aplicar una presión del vapor más alta. Con frecuencia, la unidad LSI se usa en combinación con otros intercambia-dores, si se necesitan temperaturas sobre 75°C en el concentrado.

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Vis

cosi

dad

apar

ente

(m

Pa.

s)

Vis

cosi

dad

apar

ente

(m

Pa.

s)

6000

5000

4000

3000

2000

1000

00 100 200 300 400 500 600

Presión homogeneización (bar)Homogeneización hecha después de concentración final

600

500

400

300

200

100

040 45 50 55 60 65 %TS final

Homogeneización concentrado de leche entera con 35% TS

Fig. 47a Viscosidad de concentrados de leche entera como una función de la presión de homogeneización y el contenido de sólidos en el concentrado

200+50 bar

120+30 bar

80+20 bar

0 bar

Sistema de tanques de alimentación Fig. 47b NanoValve

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Un precalentamiento del concentrado es ventajoso, no sólo desde un punto de vista bacteriológico. Permite además una reducción de la viscosidad, lo que, junto con las calorías aplicadas, dará un aumento de la capacidad del 4%, como mínimo, en el se-cador, y una solubilidad mejorada del producto final.

Filtro

Un filtro en línea está siempre incorporado en el sistema de alimentación para evitar que pasen al dispositivo atomizador grumos, etc.

Homogeneizador/Bomba de alta presión

Para la producción de leche entera en polvo u otros productos con grasa se recomien-da incorporar un homogeneizador para reducir el contenido de grasa libre en el pro-ducto final. Se prefiere un homogeneizador de dos etapas. La primera etapa es operada a 70-100 bar g y la segunda a 25-50 bar g. Normalmente se combinan el homogenei-zador y la bomba de alimentación formando una sola unidad. Si se aplica atomización por toberas se necesita una presión más alta (hasta 250 bar g para las toberas + 150 bar g para la homogeneización), y se selecciona un homogeneizador/bomba de alta presión combinado para reducir los costos. Se prefiere un reductor de velocidades pa-ra controlar el flujo de concentrado y así la temperatura de salida, porque la válvula de retorno tiende a dar un tiempo de retención incontrolable que dará problemas con la viscosidad. En Fig. 47a se ve la viscosidad como función de la presión de homogenei-zación y contenido de sólidos en el concentrado. Con el fin de ahorrar energía, pero implicando una mayor inversión, se instalan el homogeneizador y la bomba de alta presión como unidades separadas, y el homogeneizador está provisto de una Nano-Valve®, ver Fig. 47b, dando lugar a una eficiencia mejorada de homogeneización a una presión inferior.

Línea de alimentación

La tubería de alimentación debe ser naturalmente de acero inoxidable y de alta presión si se quiere realizar la atomización mediante toberas. Las dimensiones deben permitir una velocidad de la alimentación de unos 1,5 m/seg. El sistema de alimentación debe también incluir un tubo de retorno y un equipo para limpiar el atomizador rotativo in-cluyendo la rueda, así como los vástagos de tobera, con el fin de poder llevar a cabo una limpieza cuidadosa de los equipos.

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Atomización

El objeto de una atomización del concentrado es crear la máxima superficie posible, de la cual tendrá lugar la evaporación. Cuanto más pequeñas las gotitas, mayor la su-perficie y más fácil la evaporación, obteniendo así una mejor eficiencia térmica del secador. Con respecto al secado, lo ideal sería que todas las gotitas atomizadas fueran de un tamaño uniforme, lo cual significaría que el tiempo de secado sería el mismo para todas las partículas, obteniendo así un contenido uniforme de humedad. Sin em-bargo, en la práctica no se ha logrado todavía diseñar un atomizador que produzca una pulverización completamente homogénea, a pesar de que los diseños actuales ofrecen un alto grado de homogeneidad. Con miras a la densidad, no es lo ideal una pulveriza-ción homogénea, ya que esto daría lugar a un polvo de baja densidad específica, y por consiguiente un aumento en el material de embalaje. No obstante, el sistema actual de atomización facilita tanto el secado como la densidad específica del polvo.

Como se ha descrito anteriormente, la distribución del aire y la atomización constitu-yen la clave para un aprovechamiento óptimo del secador. La atomización es directa-mente responsable de muchas de las ventajas distintivas del secado por atomización. Primero, muy corto tiempo de secado de la partícula, segundo un tiempo de retención brevísimo en la atmósfera caliente y una baja temperatura de la partícula (temperatura de bulbo húmedo), y finalmente la transformación de la alimentación líquida en un producto en polvo de gran estabilidad y listo para envasado y transporte.

En resumen, la función primordial de la atomización es:

• una gran superficie en relación a la masa dando como resultado una alta capacidad de evaporación,

• producción de partículas con forma, tamaño y densidad deseados.

Para cumplir con estos requisitos se han aplicado muchas técnicas de atomización en los secadores. Sin embargo, como más comunes pueden citarse las siguientes:

• Energía de presión como se da con toberas de presión • Energía cinética como se obtiene con toberas de dos fluidos • Energía centrífuga como en los discos rotativos

El mecanismo de atomización ha sido estudiado por muchos científicos, y aunque los pioneros comenzaron hace más de 100 años, el tema está todavía sujeto a controver-sia, a pesar de toda la información publicada.

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1. Cuerpo de tobera2. Omsertadp de profocop3. Cámara de remolino4. Placa final5. Pasador roscado

Fig. 48 Tobera de alta presión, "Delavan"

1. Insertado de orificio2. Tapa de tobera3. Insertado ranurado

Fig. 49 Tobera de alta presión, "Spraying System"

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Atomización por toberas a presión

La función básica de las toberas a presión es convertir la energía de presión propor-cionada por la bomba de alta presión en energía cinética en forma de una película del-gada, cuya estabilidad es determinada por las propiedades del líquido como son la vis-cosidad, la tensión de superficie, la densidad y la cantidad por unidad de tiempo, y también por el medio en el cual se atomiza el líquido.

La mayoría de las toberas a presión existentes, ver Fig. 48 y 49, tienen una cámara en espiral que produce una rotación al líquido, de forma tal que dejará el orificio (el se-gundo componente principal de la tobera de presión) en forma de cono hueco. Ade-más del diseño característico arriba mencionado, la conformación de la atomización es una función de la presión operativa. Puede decirse que la capacidad (de rocío de agua) es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la presión:

PK x =kg/h Capacidad (11)

Como regla general, se puede decir que cuanto más altas la viscosidad, la densidad del líquido y la tensión de superficie y cuanto más baja la presión, tanto mayores las par-tículas.

Muchas correlaciones han sido propuestas, pero la siguiente puede usarse con cierto grado de confianza:

PLP 0,5

on

1,50,450,5

S

d x K

Q x

PL597+

P157=d σ

µσ (12)

Donde:ds = diámetro promedio de la partícula pulverizada (micras) σ = tensión de superficie del líquido (dinas/cm) P = presión de tobera (p.s.i.) µ = viscosidad del líquido (poises) PL = densidad del líquido gm/cc Q = grado de alimentación volumétrica / unidad de tiempo Kn = constante de tobera (dependiendo del ángulo de pulverización) do = diámetro del orificio (pulgadas)

Atomización por toberas de dos fluidos o neumática

La energía disponible para la atomización en atomizadores de dos fluidos es independiente del flujo y la presión del líquido. La energía necesaria (cinética) es suministrada por aire comprimido. La atomización es creada por las altas fuerzas de fricción entre la superficie del líquido y el aire que tiene una alta velocidad, incluso la velocidad del sonido, y a veces sometido a una rotación para obtener la atomización máxima. Ver Fig. 50.

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Entrada de aire

Entrada de alimentación

A) Mezclado interno

Pieza ranurada en espiral

Orificio

Cámara de mezclado del aire alimentado

Pieza ranurada en espiral

Orificio de aire

Orificio de alimentación

B) Mezclado externo

Entrada de aire

Entrada de alimentación

Fig. 50 Tobera de dos fluidos

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La atomización de dos fluidos es el único método satisfactorio para producir partículas muy pequeñas, especialmente de líquidos altamente viscosos. Se ha estudiado la relación entre el tamaño de la gotita y las condiciones de trabajo, y muchos científicos han tratado de calcular el diámetro medio. La ecuación más conocida es:

J

1000x

PL)(191+

PLV

1410=d

1,50,450,5

S σµσ

(13)

donde:ds = diámetro promedio de la partícula (micras) V = velocidad del aire con respecto al líquido en orificio de tobera (pie/seg.) σ = tensión de superficie (dinas/cm) PL = densidad del líquido (lbs/ft3)µ = viscosidad (centipoises) J = relación de volumen de aire/líquido en los orificios de aire y líquido respectivamente

Atomización rotativa

En atomizadores rotativos el líquido es continuamente acelerado hacia el borde de la rueda atomizadora por fuerzas centrífugas, producidas por la rotación de la misma. El líquido es distribuido centralmente y luego se extiende sobre la rueda en una capa delgada, que es descargada a alta velocidad a su periferia. El grado de atomización depende de la veloci-dad periférica, las propiedades del líquido y el caudal de alimentación.

La rueda debe tener un diseño que permita al líquido alcanzar la velocidad periférica antes de la descarga. Con este fin frecuentemente las ruedas tienen canales de distinto diseño pa-ra evitar que el líquido se deslice por la superficie interna. Los canales también concentran el líquido en el borde del disco, produciendo allí una película líquida análoga a la produci-da en las toberas a presión. La rueda actúa como un ventilador y se succiona aire en el concentrado debido a la rotación. Diseños distintos de la rueda y las propiedades determi-nan la cantidad de aire que se incorpora en las gotitas atomizadas. Ver pág.219.

A pesar de la intensa investigación llevada a cabo sobre el mecanismo de la atomización desde las ruedas atomizadoras, las características previsibles de la pulverización todavía quedan inciertas. Se ha establecido el efecto de variantes individuales dentro de un rango limitado, y hay pocas aplicables a los atomizadores industriales de alta capacidad y alta ve-locidad. Sin embargo, la relación entre el tamaño de la gotita y las distintas características del producto y operación es la siguiente:

Velocidad de la alimentación líquida:

El tamaño de la gotita varía directamente según la alimentación a una velocidad constante de la rueda, y aumenta con la velocidad de alimentación (fuerza de 0,2).

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Atomizador rotativo con transmisión directa

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Velocidad periférica:

La velocidad periférica depende del diámetro y velocidad de la rueda y se calcula como si-gue:

60 x 1000

N x D x =Vp

π (14)

Donde: Vp = velocidad periférica (m/seg.) D = diámetro de la rueda (mm) N = velocidad de la rueda (rpm)

Está universalmente aceptada que la velocidad periférica es la variante principal para ajus-tar el tamaño específico de una gotita. Sin embargo, se ha demostrado que el tamaño de la gotita no necesariamente permanece constante, si se producen iguales velocidades perifé-ricas en las ruedas con diferentes combinaciones de diámetro y velocidad, y existe la ten-dencia de que las ruedas mayores producen las partículas más grandes, siendo iguales las demás circunstancias. Sin embargo, en la elección del diámetro de la rueda es mejor con-siderar la seguridad del atomizador, ya que las diferencias en las características de la pul-verización son insignificantes. Además resulta más fácil limpiar las ruedas de menor ta-maño.

Viscosidad del líquido:

El tamaño de la gotita varía directamente según la viscosidad (fuerza de 0,2) y se obtienen por eso partículas mayores con un aumento de la viscosidad de la alimentación. Para ase-gurar una atomización óptima normalmente la viscosidad se mantiene lo más baja posible, a menudo mediante el calentamiento del concentrado antes de la atomización. Con respec-to a la granulometría de la gotita, ésta se amplía cuando la viscosidad aumenta, efecto usa-do algunas veces cuando se desea aumentar la densidad del polvo.

El cálculo previo del diámetro medio puede resumirse en la siguiente ecuación, la cual fue calculada para velocidades periféricas inferiores a 90 m/seg. Sin embargo, los resultados de pruebas con velocidades periféricas hasta 150-160 m/seg. han demostrado que hay una estrecha relación entre los resultados obtenidos con la fórmula y los obtenidos de las prue-bas arriba mencionadas:

hn x x M

nhP x M

x NrP

Mr x x K=D

2P

1

P

1 0,2

21

0,6

1VS

σµ (15)

Donde:Dvs = diámetro medio Sauters en pies (añadir 15-20% para obtener el diámetro medio de volumen) K1 = constante dependiendo del atomizador (0,37-0,40) r = radio de la rueda en pies Mp = flujo de masa por periferia total húmeda (lbs/min. x pies) P = densidad del líquido, lbs/pies3

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Unidad de toberas a presión con sistema de retorno de finos

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N = velocidad del atomizador, rpm µ1 = viscosidad, lbs/pies x min. σ = tensión de superficie, lbs/min.2

n = número de canales H = altura de los canales, en pies

Naturalmente, las fórmulas arriba mencionadas para averiguar el diámetro medio deberían ser utilizadas solamente como guía, y se indican aquí sólo para ofrecer a los lectores una idea de la relación entre el diámetro medio y los diferentes parámetros técnicos y tecnoló-gicos.

Atomización en Secadores para Productos Lácteos

En la industria láctea se usan solamente:

• toberas a presión • atomizadores rotativos

por que la tobera neumática necesita demasiada energía y el polvo obtenido tendría partículas demasiado finas y por tanto poco atractivo para el consumidor.

Toberas a presión

Las toberas a presión se dividen en dos grupos:

• Toberas de alta presión y baja capacidad • Toberas de baja presión y alta capacidad �

El primer grupo se utiliza principalmente en secadores tipo caja operando con secado en una etapa, ver pág.125, y operan a una alta presión de 300-400 bar g. Cada tobera tendrá una capacidad de 50-150 kg de concentrado con un contenido en sólidos de só-lo 40-42%, si se quiere mantener una solubilidad razonable en el polvo. La planta ten-drá por eso numerosas toberas provistas de pequeños orificios que fácilmente se obs-truyen. Normalmente el polvo tiene una alta densidad, pero tiende a ser polvoriento ya que consiste de pequeñas partículas. Dado que se requiere un bajo contenido en sóli-dos el secado resulta al mismo tiempo costoso.

El segundo grupo, de una capacidad hasta 1000-1500 kg/h, ha incrementado su utili-zación a raíz del desarrollo del proceso de secado en dos etapas, donde la temperatura de la partícula es mucho más baja. Por eso se puede aumentar el contenido en sólidos al 48% y reducir la presión (150-200 bar g) sin afectar la solubilidad haciendo así la atomización por toberas muy interesante, también desde un punto de vista económico.

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Vista interior del ciclón

Fig. 51 Ciclón central

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Las ventajas de las toberas a presión pueden resumirse así:

• Polvo con bajo contenido de aire ocluido • Polvo de una alta densidad específica • mejor fluidez, especialmente para leche entera • Menor tendencia a formar depósitos en la cámara de secado al tratar productos di-

fíciles • Producción de grandes partículas • Si se usa un sistema doble de alimentación/toberas, la planta de secado puede ope-

rar continuamente 24 h/día durante semanas sin paradas, se lleva a cabo solamente una limpieza húmeda de la línea de alimentación/toberas después de 20 horas.

Atomizador rotativo

El atomizador rotativo se conoce y usa en la industria láctea desde hace muchos años. Las ventajas son:

• Capacidad flexible�• Manejo de grandes cantidades�• Manejo de concentrados altamente viscosos • Diferentes diseños de la rueda dando distintas características en el polvo • Manejo de productos con cristales • Contenido más alto de sólidos en la alimentación dando una economía mejorada

La elección del tipo de atomizador, por toberas a presión o por rueda rotativa, depen-de por lo tanto del tipo de producto a tratar.

Para leche descremada y leche entera normales, así como concentrado de suero crista-lizado, es preferible la rueda rotativa para la atomización, mientras que, para produc-tos en polvo de una densidad muy alta y leche entera instantánea y otros productos con altos contenidos de grasa, se deben utilizar las toberas de alta capacidad y baja presión en relación con el secado en dos etapas.

Como es imposible prever qué tipo de producto se producirá en el futuro, existe la tendencia de elegir secadores que sean capaces de aplicar ambos sistemas, es decir que puedan ser directamente intercambiables.

Sistema de Separación de Polvo

El aire de secado siempre contiene una pequeña cantidad de polvo (10-30%) a la sali-da de la cámara, y por eso es necesario por razones económicas, pero también a causa de los problemas ambientales, limpiar el aire de secado separando las partículas del polvo. Esta fracción de polvo se denomina normalmente "finos", ya que representan en general las partículas más pequeñas.

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Fig. 53 Batería de ciclones con colector central

Aire con polvo

Aire

polvo

Fig. 52 Ciclón

Fig. 54. Válvula rotativa con rotor cónico

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Los sistemas de separación de polvo más aplicados en la industria láctea son:

• Ciclones• Filtros de mangas • Lavadores tipo húmedo ("Wet Scrubbers") • Filtro de mangas lavado por CIP

Ciclones

El ciclón tiene ventajas obvias, por ejemplo la alta eficiencia, cuando su construcción es adecuada, su mantenimiento es sencillo, ya que no hay partes móviles, y además es de limpieza fácil, ver Fig. 51.

La teoría de la operación del ciclón está basada en un movimiento en remolino ("vor-tex"), donde la fuerza centrífuga actúa sobre cada partícula forzándola a dejar el eje del ciclón y dirigirse hacia la pared interna del ciclón. Sin embargo, el movimiento en dirección radial es el resultado de dos fuerzas opuestas: la fuerza centrífuga que actúa moviendo la partícula hacia la pared, mientras que la fuerza de arrastre del aire actúa llevando las partículas hacia el eje. La fuerza centrífuga predomina y por lo tanto se produce la separación.

El polvo y el aire entran tangencialmente en el ciclón a velocidades iguales. Ambos descienden girando en forma espiral hacia la base del ciclón separando el polvo hacia la pared del mismo. El polvo sale por la base del ciclón mediante un dispositivo de cierre. El aire limpio asciende en forma de espiral a lo largo del eje central del ciclón y sale por la parte superior. Ver Fig. 52.

La fuerza centrífuga que actúa sobre cada partícula se muestra en la siguiente ecua-ción:

rV x m

=C t2

(16)

Donde: C = fuerza centrífuga m = masa de partícula Vt = velocidad tangencial del aire r = distancia radial a la pared desde un punto dado

De esta ecuación se desprende que una mayor masa de partícula dará una mayor efi-ciencia. Cuanto más corto el camino a recorrer por la partícula y cuanto más cerca está la partícula de la pared, tanto mejor la eficiencia, debido a que la velocidad es mayor y la distancia radial más corta.Sin embargo, las partículas necesitan tiempo para llegar a la pared del ciclón, y por tanto debe considerarse un tiempo suficiente de permanencia del aire al diseñar un ciclón.

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Efic

ienc

ia d

e se

para

ción

%

Gra

do d

e ef

icie

ncia

%

Tamaño de partícula (micra

Curva actual

Curva teórica Ta

mañ

o de

cor

te

Diá

met

ro c

rític

o te

óric

o de

la p

artíc

ula

Diá

met

ro c

rític

o ac

tual

de

la p

artíc

ula

Tamaño de partícula (micra

Fig. 55 Curvas del diámetro crítico de la partícula y del grado de eficiencia de un ciclón

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La ecuación demuestra claramente que ciclones pequeños (diámetro inferior a 1 m) tendrán la mayor eficiencia, hecho generalmente aceptado.

Sin embargo, con los secadores de gran tonelaje existentes hoy en día en la industria láctea supondría utilizar muchos ciclones (una batería de ciclones). Cada ciclón debe tener una salida de polvo por medio de una válvula rotativa, neumática o de clapeta, y por eso existe un gran riesgo de escape de aire que podría reducir la eficiencia del ci-clón. También es posible conectar los pequeños ciclones a un colector central, en cuyo caso se necesita solamente una válvula, ver Fig. 53. Esto quiere decir, sin embargo, que, a menos que haya exactamente la misma caída de presión sobre cada ciclón, pue-den pasar aire y polvo de un ciclón al otro por la salida del fondo, dando lugar a una reducción en la eficiencia y un aumento en la pérdida de polvo. La limpieza de los pe-queños ciclones es un problema por el consumo de tiempo, y los rincones presentan también un riesgo de contaminación bacteriológica.

Por las razones mencionadas, los ciclones se construyen cada día más grandes llegan-do a alcanzar diámetros de 2,5-3 metros, y con capacidades de 25.000-30.000 kg de aire por hora, cada uno.

Al diseñar un ciclón, deben considerarse varios parámetros clave con el fin de obtener la máxima eficiencia. Esta se logra si

3salidadeconductodeldiámetro

ciclóndeldiámetro≈

10salidadeconductodeldiámetro

ciclóndelaltura≈

El caudal de aire (velocidad Vt) y caídas de presión más altas también aumentarán la eficiencia, pero el consumo de energía aumentará simultáneamente; en general el lími-te superior es 175-200 mm WG para leche descremada en polvo y 140-160 mm WG para leche entera, con el fin de evitar depósitos y finalmente una obstrucción.

Generalmente se usan válvulas rotativas para el cierre de aire y descarga de producto del fondo del ciclón, según se muestra en Fig. 54. La válvula de tipo cónico permite el fácil ajuste del espacio entre la carcasa y el rotor, y este tipo es preferible para reducir la pérdida de polvo.

Para conocer la eficiencia del ciclón hay que definir los siguientes términos:

a) El diámetro crítico de la partícula b) El tamaño de corte c) La eficiencia total del ciclón

a) El diámetro crítico se define como el tamaño de partícula que será completa-mente separado del flujo de aire (100% eficiencia de separación). Sin embargo, no es posible definir exactamente el punto en donde un tamaño de partícula es

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Aire comprimido

Polvo

Aire con polvo

PolvoPolvo

Aire con polvo

Aire

Fig. 56 Filtro de mangas

Entrada concentrado

Salida producto

Fig. 57 Secador con filtro de mangas

Aire con polvo

Aire + Vahos

Recirculación de líquido limpiador

Fig. 58 Lavador vía húmeda, sanitario

Sistema de desvío entre filtro de mangas y ventilador de salida

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en el 100% separado o perdido, y por eso el diámetro crítico de la partícula no tiene valor.

b) El tamaño de corte se define como aquel con el cual se obtiene una separación del 50%, y constituye un valor mucho mejor para indicar la eficiencia de los ci-clones. Para determinar el tamaño de corte de un ciclón se elaboran curvas del grado de eficiencia por medio de la operación sistemática de un ciclón y con un tamaño de partícula de polvo uniforme. Ver Fig. 55.

c) La eficiencia total del ciclón se obtiene con el manejo de un producto de una granulometría bien definida. Conociendo la curva del grado de eficiencia del ci-clón y la granulometría del polvo que pasa a los ciclones, será posible calcular la eficiencia total, es decir es posible predecir la pérdida de polvo.

Otro método para conocer la eficiencia del ciclón es por medio de una simple medi-ción de la pérdida de polvo después del ciclón. Una muy pequeña fracción del aire de salida es pasada a través de un miniciclón de alta eficiencia o a través de microfiltros de polvo. La cantidad de polvo recogido es directamente proporcional a la pérdida de polvo, la cual será en principio un resultado de:

• Alimentación con bajo contenido en sólidos o que contiene aire, • Alta temperatura de salida, • Baja densidad de partículas (p.ej. como resultado de lo anterior) • Una fuga en la salida de producto a causa de válvulas rotativas mal ajustadas, • Ciclón obstruido, • Cambio en los parámetros de secado originando en una reducción del tamaño me-

dio de partícula, • Viejos ciclones, abollados debido a graves golpes para evitar depósitos.

Filtros de mangas

El promedio de pérdida de polvo de un ciclón normal de alta eficiencia no debería ex-ceder del 0,5% (≈250 mg/Nm3) al secar leche descremada. Sin embargo, hoy las auto-ridades locales concluyen que un 0,5% es demasiado alto. A partir de 2007 la UE de-manda una pérdida de polvo que es <10 mg/Nm3. Por eso se necesita una limpieza fi-nal del aire. Esto se realiza normalmente con filtros de mangas que consisten en nu-merosas mangas o filtros colocados de tal forma, que cada uno de ellos recibe aproximadamente la misma cantidad de aire. La dirección del aire es desde fuera y a través del material filtrante, hacia la parte interior de la manga en donde el aire limpio entra en un conducto de salida. Con la selección correcta del material filtrante se ob-tienen altos rendimientos y una recogida de partículas de 1 micra, según informan los fabricantes del mismo. El polvo recogido es automáticamente sacudido mediante un soplado de aire comprimido por una tobera venturi Coanda posicionada dentro de la parte superior de cada manga. El polvo se recoge en el fondo y se descarga mediante una válvula rotativa. Ver Fig. 56 y 57.

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Sal. aire

Entr. agua

Entr. leche

Entr. aire

Sal. polvo

Fig. 59 Lavador vía húmeda, reciclado con agua

Entr. leche Sal. aire

Entr. aire

Sal. polvo

Fig. 59a Lavador vía húmeda, reciclado con leche

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El filtro de mangas puede también reemplazar a los ciclones, solución que se escoge muy a menudo en los secadores de una etapa de proteína de suero o clara de huevo. Para prevenir una condensación, especialmente en la parte cónica de la carcasa, se ins-tala aire caliente o trazado térmico.

Lavadores vía húmeda "Wet Scrubbers"

Desde hace muchos años se usa el lavador vía húmeda en la industria química, y el sistema está basado en el principio de un "venturi". Al introducirse en la industria lác-tea se comprobó que era muy eficiente, es decir, con una eficiencia cercana al 100%.

El separador de gotitas está construido de acuerdo con los principios conocidos del ci-clón, pero con una salida modificada, dando como resultado un nivel mínimo de lí-quido, con lo cual se evita el desarrollo de bacterias, y un diseño que reduce la forma-ción de espuma. Sin embargo es necesario usar medios anti-espuma, dependiendo del producto a secarse.

El principio del lavador vía húmeda tipo venturi es el siguiente: - Ver Fig. 58

El aire de salida del secador conteniendo partículas de polvo es acelerado a una gran velocidad en la entrada del venturi, donde también el líquido es inyectado a través de una tobera cónica. Debido a las diferencias de velocidad entre aire/partículas y las go-tas, se produce una colisión y el polvo se disuelve en las gotas. Pasando a través del siguiente difusor el proceso de disolución continúa al mismo tiempo con una cierta recuperación de presión de la mezcla aire/gotas.

Al pasar a través del separador, el aire y el líquido son nuevamente separados. El aire sale a través del conducto central y el líquido -una vez a la temperatura de bulbo húmedo ≈ 45°C- a través de la salida del fondo para posterior proceso o recirculación, según el sistema seleccionado.

Pueden recomendarse dos distintos sistemas de flujo:

• Recirculación con agua • Paso único con leche o suero

Recirculación con agua

Según la descripción arriba mencionada, el agua es recirculada por medio de una bomba centrífuga. El caudal es controlado por una válvula e indicado en un caudalí-metro. El nivel se mantiene constante en el separador por medio de un tanque con control del nivel que además asegura la adición de agua para compensar la evapora-ción que tiene lugar en el lavador. Dicha evaporación tiene lugar cuando el aire del secador, por ejemplo de 90-95°C (secadores de una etapa), es enfriado hasta la tempe-ratura de bulbo húmedo (≈45°C) evaporando simultáneamente el agua. Ver. Fig. 59.

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Fig. 60 Principios del filtro de mangas lavado por CIP

Tobera de chorro invertido

Cámarasuperior de aire

Toberas CIP Placa de orificios

Manga de

filtración

Carcasa del

filtro de mangas

Aire de la cámara

Salida aire limpio

Sal. polvo

Aire comprimido

Líquido CIP

Líquido CIP

Fig. 60a Tobera de chorro de aire invertido

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Como que la temperatura del agua se mantiene alrededor de 45°C, después de cierto tiempo puede esperarse un crecimiento bacteriano. Aunque se añade más líquido la-vador debido a la evaporación, después de 4-6 horas el líquido contendrá bacterias y debe usarse solamente para alimentación animal.

Sin embargo, se recomienda una pasteurización y enfriamiento antes de entregarlo al granjero. Ocasionalmente se lleva a cabo la evaporación y el secado, pero el polvo re-sultante se usa igualmente para alimentación animal.

Paso único con leche o suero

El lavador puede también operar en un sistema de un sólo paso con leche o suero co-mo líquido lavador. Ver Fig. 59a. Esto es especialmente ventajoso, ya que la evapora-ción que normalmente tiene lugar ocurre ahora en la leche, la cual es por lo tanto lige-ramente preconcentrada. Naturalmente el aumento de sólidos contendrá también las partículas de polvo recogidas del aire. La leche fría o suero se introduce en el sistema de precalentamiento del evaporador, como descrito anteriormente. Cuando la leche llega a los 45°C (temperatura de bulbo húmedo) en el precalentador, se pasa al lava-dor vía húmeda, donde es ligeramente preconcentrada simultáneamente con la limpie-za del aire de escape del secador. El producto es devuelto al resto de los precalentado-res en el evaporador y es finalmente pasteurizado antes de la evaporación y el secado.

El proceso de evaporación en el lavador será descrito en la pág. 179.

Las temperaturas en el lavador ofrecen condiciones favorables para el crecimiento de bacterias, y por lo tanto se puede esperar un desarrollo bacteriológico considerable. Por eso no se usa el pasaje único con leche y suero, sino es solamente mencionado como un ejemplo de cómo se puede mejorar la eficiencia total de la planta (ver Fór-mula (17) pág. 131), siempre que se haga un precalentamiento del aire de entrada me-diante condensados de los últimos efectos del evaporador tipo RTV (ver pág. 175).

Filtro de mangas lavado por CIP

En el pasado la recuperación de polvo de los sistemas de salida de plantas de secado era por ciclones, sin enfocar en el ambiente. En caso de normas más estrictas impues-tas por las autoridades se utilizaban ciclones combinados con lavadores húmedos o filtros de mangas de textil.

Con las normas cada día más estrictas respecto a la protección ambiental, el consumo de energía, el nivel de ruidos, la eficiencia de producción y la calidad del producto fi-nal de la industria alimenticia y láctea, los fabricantes de productos en polvo han visto un desarrollo especialmente con respecto a los sistemas de recuperación de polvos. El filtro de mangas SANICIP™ lavable por CIP reemplaza los ciclones hasta el punto donde ahora determinan el Standard para casi cualquier tipo de secador. Ver Fig. 60.

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Filtro de mangas SANICIP™

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El filtro SANICIP™ es del tipo de chorro de aire invertido y hecho de acero inoxida-ble. Consiste de un cuerpo cilíndrico con entrada de aire en espiral, cámara superior para aire limpio, y un fondo cónico con descarga de polvo fluidizado. Durante la ope-ración el producto recogido en el exterior del material filtrante es removido mediante un chorro de aire comprimido soplado en cada manga vía una tobera de chorro de aire invertido (patentada) posicionada encima de cada manga, ver Fig. 60a. Se forma un chorro que también succiona aire en la manga desde la cámara superior, y así es posi-ble ahorrar aire comprimido. Constituye una solución eficaz y sanitaria. Además la tobera de chorro de aire invertido tiene otro propósito durante el lavado CIP, según se describe a continuación.

Las mangas se limpian individualmente ó 4 juntas dando lugar a una descarga homo-génea del producto con proporciones de aire/tejido más favorables. La frecuencia y duración de la secuencia de limpieza puede ajustarse para adaptarse a las condiciones actuales de operación.

El cuerpo del filtro de mangas está aislado en la parte cilíndrica debajo de la placa de orificios y es de una ejecución totalmente soldada. El sistema de suministro de aire para el fondo fluidizado tiene un propósito múltiple: Durante producción se calienta primero el cono del cuerpo mediante aire caliente, que luego se usa para fludizar el polvo en el fondo. Así se asegura un flujo constante de polvo que sale del filtro. Du-rante paros el aire se usa para calentar el cuerpo solo, para así evitar condensación y cualquier riesgo de crecimiento de moho.

Las mangas del filtro son de material especial con 3 capas de gradiente poliéster. Este material se lava totalmente por CIP con NaOh y HNO3 en soluciones de 1 a 2% a 75°C y 60°C respectivamente. Es aprobado por la FDA. Está tratado por calor para obtener una superficie especial que repela el polvo. Cada manga es soportada en una jaula de acero inoxidable de fácil desmontaje. En filtros normales de mangas y filtros CIP de un diseño antiguo la limpieza de las mangas se realiza mediante soplado por una tobera Coanda ubicada en la parte superior de la manga, una solución operable, sin embargo, el área alrededor de la tobera resulta difícil de limpiar, y el diseño impli-ca espacios huecos.

El lavado CIP del filtro de mangas SANICIP™ está dividido en las siguientes etapas:

1. El CIP de la manga interna: lava la manga desde el interior hacia el lado sucio (exterior). Se inyecta agua limpia en la manga a través de la tobera de chorro in-vertido y el agua es rociada mediante aire comprimido. Polvo que haya penetra-do en el material es forzado hacia el lado sucio mediante el rocío de agua. No hay recirculación de agua en esta etapa. Este método es de gran importancia, ya que, de no ser así, resulta difícil, si no imposible, de quitar este polvo arrastrado solamente del lado exterior.

2. El CIP de la cámara superior: limpia la parte superior del filtro de mangas enci-ma de la placa perforada. Sin recirculación de agua en esta etapa.

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3. El CIP de la placa de orificios lava el lado inferior de la placa de orificios y el área del anillo sujetador de la manga mediante una tobera de diseño especial. Esta tobera se encuentra entre las mangas en la parte inferior de la placa, y lim-pia además el exterior de las mangas filtrantes. La tobera también tiene un pro-pósito doble, ya que -durante el proceso de secado- es purgada con aire compri-mido para mantener la placa de orificios libre de depósitos. Así se evita una des-coloración/desnaturalización. Con recirculación del agua CIP.

4. El CIP del cuerpo se realiza mediante toberas CIP retráctiles standard. Con re-circulación de agua CIP.

Ventajas del filtro SANICIP™

• Pérdida baja de la presión sobre el filtro de mangas y así el entero sistema de sali-da, es decir reducción del consumo de energía y de la emisión de ruido

• Un diseño que optimiza la proporción de aire/tejido y la descarga de polvo (porque se soplan una a cuatro mangas a la vez)

• Mejor utilización de las materias primas, porque no hay productos del grado se-cundario

• La entrada espiral del aire ofrece un bajo impacto mecánico en las mangas. Se evi-ta sacudidas y por consiguiente se reduce el desgaste de las mangas

• Diseño con mangas de 4 ó 6 m para cumplir demandas específicas al edificio • Espacio reducido para instalaciones nuevas • Fácil reemplazo de los ciclones para remodelaciones sin cambios sustanciales al

edificio • Aceptación por USDA 3A • En comparación con otros filtros de mangas lavados por CIP, el tiempo de secado

es reducido

Qué sistema seleccionar como un separador adicional de polvo después de los ciclo-nes depende de cómo el producto recuperado -líquido o seco- puede desprenderse; en ambos casos el producto recuperado no puede considerarse de primera clase. Por con-siguiente, la tendencia hoy es omitir los ciclones e instalar un filtro de mangas lavado por CIP.

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Comparación de Separadores de Polvo

Ciclón Ciclón + Fil-tro mangas

Ciclón + La-vador húmedo

SANICIP™

Emisión 20-400 mg/Nm3

5-20 mg/Nm3 máx. 20 mg/Nm3

5-20 mg/Nm3

Pérdida presión Sistema salida (incl. conductos etc.)

280 mm WG 340 mm WG 340 mm WG 170 mm WG

Auxiliares ningún aire comprimido

sist. circula-ción líquidos

airecomprimido

Limpieza apropiado paraCIP

difícil apropiado paraCIP

apropiado paraCIP

Productoshigroscópicos

insensitivo sensitivo insensitivo insensitivo *)

Uso de producto separado

primer grado primer y se-gundo grado

no recomendado

primer grado

Mantenimiento mínimo servicio de sis-tema aire com-

primido y cambio mangas

mínimo servicio de sis-tema aire com-

primido y cambio mangas

Condicionessanitarias

buenas relativamente buenas

menos buenas

buenas

*) cuidado al permeado, si la humedad en el aire de salida es demasiado alta

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Entrada producto

Aire

Sal. producto

Concentrado

Aire de secado

Salida producto

Fig. 62 Sistema de transporte neumático

Fig. 61 Sistema inclinado para pre-enfriamiento

del polvo

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Sistema de Transporte y Enfriamiento Neumático

Se incorpora un sistema de transporte neumático cuando el polvo debe ser transporta-do de un lugar a otro. El medio de transporte es el aire y la cantidad del mismo se de-termina según el producto. Los productos con un alto contenido de grasa requieren más aire (5 veces el polvo) comparado con leche descremada (4 veces el polvo). Pero no se recomienda transportar productos en polvo con contenidos en grasa mayores del 30%, ya que éstos podrían obstruir los conductos.

Puede utilizarse aire a cualquier temperatura, y la temperatura del polvo seguirá natu-ralmente la del aire. Si se usa aire caliente se producirá un efecto secador, pero éste será mínimo, ya que el tiempo de permanencia es corto (velocidades del aire de 20 m/seg.) y la humedad está fuertemente adherida a las proteínas.

El sistema de transporte neumático se establece generalmente en conexión con una planta de secado de diseño convencional. Se aplica aire ambiente ofreciendo así una doble ventaja: tanto el transporte come el enfriamiento del polvo. Para aprovechar to-talmente el efecto enfriador se recomienda instalar un cierre entre la salida de la cá-mara y el conducto evitando así que el aire húmedo entre en el sistema de transporte. Normalmente este cierre es una válvula rotativa. Se deben evitar asimismo pulsacio-nes en el flujo de polvo producidas por los depósitos que se desprenden de las pare-des. Esto puede lograrse mediante un transportador vibrante con una pequeña placa perforada por la cual el aire frío es soplado. Así se obtendrá también un efecto enfria-dor. Ver Fig. 61.

El conducto de aire de transporte pasará por la salida de los ciclones principales reco-giendo el polvo de éstos. La corriente de aire/polvo pasa a un ciclón que separa las partículas del aire. Al salir del ciclón el polvo debe ser tamizado antes de su ensacado. Ver Fig. 62.

Si las condiciones climatológicas son tales que resulta imposible obtener una tempera-tura adecuada del polvo debido a temperaturas elevadas del aire, o si la humedad en el aire es tan alta que el polvo absorberá humedad del aire, se puede instalar un equipo de enfriamiento y deshumectación, donde el enfriamiento se realiza circulando agua helada de 1-2°C. La temperatura a la que el aire debe ser enfriado depende del produc-to y de las condiciones ambientales, pero normalmente es alrededor de los 8°C. El agua se condensa, y es necesario incluir una sección para eliminar el agua, normal-mente pasando el aire sobre un juego de laberintos. Al salir, el aire estará libre de go-titas de agua, pero la humedad relativa será del 100%. Para evitar el riesgo de una condensación adicional y un desarrollo de gotitas de agua, que serían absorbidas por el polvo, aumentando así el contenido de humedad, se calienta el aire en un calentador posterior hasta 15-20°C reduciendo la humedad relativa.

Para calcular la cantidad de agua helada necesaria para el enfriamiento hay que con-sultar el diagrama IX que indica la entalpía del aire para cualquier condición.

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Entrada aire secado

Aire enfriamiento

Salida polvo

Salida aireEntrada polvo

Fig. 64 Placa perforada (BUBBLE PLATE™)

Fig. 63 Vibro-Fluidizador VIBRO-FLUIDIZER®

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El enfriamiento puede también tener lugar por medio de un refrigerador con expan-sión directa en espirales dentro de la corriente de aire.

El sistema de transporte neumático es barato y puede manejar grandes cantidades de polvo; se evita la tendencia a la aglomeración y el resultado es un polvo de máxima densidad. Por supuesto, si se desea un polvo aglomerado (polvo instantáneo, pág. 237) no puede aplicarse el sistema neumático de transporte.

Post-Secado/Enfriamiento en Lecho Fluido

Para mejorar la economía del secado, éste se divide en dos o más etapas. La primera etapa se realiza en una cámara de secado por atomización, donde se transforma el lí-quido en partículas secas y se evapora la mayoría del agua. Como se verá más adelan-te, ver pág. 125, la evaporación de humedad de una partícula será más difícil y necesi-tará más tiempo, a medida que el contenido de humedad residual se acerca al 0%.

El secado siguiente se realiza en un lecho fluido, ver Fig. 63. La tecnología del secado por lecho fluido ha resultado ser muy ventajosa, ya que el tiempo de residencia en el lecho fluido resulta tan largo que la humedad del centro de la partícula puede llegar a la superficie donde tiende lugar la evaporación.

En un lecho fluido el aire de secado es introducido en el polvo a través de una placa de burbujas perforada, la BUBBLE PLATE™, ver Fig. 64. Las características especia-les de la placa BUBBLE PLATE™ son:

• El aire es dirigido abajo hacia la superficie de la placa • La placa de burbujas tiene pocas, pero grandes perforaciones • El método único de manufactura asegura que no existan ranuras • La placa con burbujas ha demostrado un efecto muy bueno de vaciado

El lecho fluido puede ser del tipo vibrante, ver pág. 137, o estático, ver pág. 145. Al mismo tiempo el lecho fluido ofrece un medio muy eficiente y suave para enfriar pro-ductos con grasa o bien aglomerados.

Instrumentación y Automatización

Para poder controlar el proceso de secado y en cualquier momento registrar sus pará-metros, la instalación debería incluir varios tipos de instrumentos y equipos de con-trol. Esto se realiza mediante instrumentos de campo y un PLC con monitor colocados en una sala de control separada para mantener el equipo seco, pero también para pro-porcionar a los operarios un lugar de trabajo con un nivel bajo de ruidos.

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Fig. 65 Sala de control

IO-Server 1

PLC

Clientes SCADA Clientes SCADA

Impresor

IO-Server 2

Switch 2

Switch 1

MCC MCCMCC MCC

PLC PLC PLC

* * * * M

*

Production network

Process network

Field instrumentation

Remote IO-panels

MMM

• Manejo y envasado

del producto final• Recepción

leche

• Evaporación • Secado por

atomización

Fig. 66 Arquitectura IT para el sistema de control

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La instrumentación, ver Fig. 65, para un secador de atomización moderno debería incluir todos los parámetros relevantes del proceso, incluyendo la temperatura de en-trada del aire de secado para la cámara y los lechos fluidos, así como la temperatura de salida del aire. Todas las temperaturas son registradas en un impresor para que el operario pueda ver la tendencia del comportamiento de la temperatura, y también para retroceder y conocer el motivo por el cual un polvo ha sido rechazado en el laborato-rio. Es necesario también contar con un cuenta-horas para el atomizador o la bomba de alta presión, ya que indica cuando hay que cambiar el aceite. Debe además tenerse un manómetro para la alimentación, si la atomización se realiza con toberas. Con el fin de controlar la presión en la cámara, normalmente operada bajo un vacío de 5-10 mm WG los ventiladores de entrada y salida del aire deben incluir variadores de fre-cuencias. Estos pueden ser operados manualmente, pero frecuentemente son de opera-ción automática. Con eso será posible un arranque/paro automático de la planta.

La temperatura de entrada puede ser controlada automáticamente mediante una regu-lación de la presión del vapor o del caudal de fuel o gas al calentador de aire. La tem-peratura de salida debe ser controlada siempre automáticamente para asegurar un con-tenido de humedad residual constante en el polvo. Si la atomización se realiza me-diante un atomizador rotativo, la regulación de la temperatura de salida se efectúa modificando las revoluciones de la bomba de alimentación. Otro sistema, no muy usado, y siempre para atomización por toberas, consiste en una alimentación constante al atomizador manteniendo asimismo constante la temperatura de salida mediante el ajuste de la de entrada.

Si la atomización se realiza mediante toberas puede mantenerse constante la tempera-tura de salida modificando las revoluciones de la bomba de alta presión. Esto, por su-puesto, tendrá una influencia en la presión de las toberas que, a su vez, tendrá una in-fluencia en el tamaño medio de la partícula y en la distribución de partículas. No obs-tante, una vez establecida la combinación correcta de las toberas, se observan sola-mente cambios marginales.

Una instalación de secado no es, sin embargo, solamente un secador por atomización, sino también un evaporador. Puesto que los sólidos en la leche cruda pueden variar de un tanque al otro, y puesto que un ensuciamiento (depósitos micro-delgados en los tu-bos que alterarán el valor K) puede ocurrir después de cierto tiempo de operación, la capacidad de evaporación así como la cantidad de concentrado no se mantendrán constantes. Naturalmente, es posible contrarrestar este efecto mediante la regulación manual del evaporador y el secado, pero también es posible efectuar la regulación au-tomáticamente. El sistema más común es eliminar los tanques de alimentación, de forma que la última etapa del evaporador o un tanque especial a vacío realiza esta función. En este caso se incorporan transmisores de nivel en la última etapa del eva-porador. De esta forma, el nivel en el evaporador es controlado mediante el caudal de alimentación y/o la presión del vapor al termo-compresor.

Durante los últimos años el desarrollo de micro-procesadores (PLC's) ha dado como resultado equipos para el control de los procesos que son atractivos tanto por su precio como por sus posibilidades. El PLC tiene muchas ventajas, también para plantas

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tradicionales y poco complejas, cuyo control consiste en circuitos de control simples y aislados que mantienen un parámetro dado en el punto fijado sin tener en cuenta los demás parámetros que podrían influir en el citado punto que se haya elegido. Ver Fig. 66.

Esto quiere decir que el conocimiento por parte del operario del proceso, tiene menor influencia en la operación de la planta, y por consiguiente, en la calidad del producto, lo que en tal caso hace ajustarse más a las especificaciones.

El PLC también es un instrumento perfecto para el arranque o parada de toda la plan-ta. Esto significa que pueden evitarse operaciones no productivas. El PLC controla también la secuencia de válvulas y bombas durante la limpieza CIP de la planta.

El almacenaje de datos es posible mediante la introducción en el computador de los valores medios de un parámetro seleccionado, y es posible monitorizar las curvas de tendencia durante p.ej. una hora e imprimirlas en papel.

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Fig. 67 Secador convencional con sistema de transporte neumático (SDP)

% Sólidos de las gotitas

Fig. 68 Reducción en el peso, volumen y diámetro de una gotita bajo condiciones óptimas de secado

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Tecnología de la Leche en Polvo

Se ha comprobado que el secado por atomización es el proceso más adecuado para eliminar de los productos lácteos, la última parte de agua, debido a que el secado por atomización puede convertir el concentrado de leche en un polvo que conserva las va-liosas propiedades de la leche.

El principio de todos los secadores por atomización es transformar el concentrado en mu-chas y diminutas gotas que son expuestas a una rápida corriente de aire caliente. Debido al gran tamaño de la superficie de las gotas (1 l de concentrado será atomizado en 1,5 x 1010

partículas de 50µ con una superficie total de 120 m2), el agua es evaporada casi instantá-neamente, transformando las gotas en partículas de polvo.

Secado en una Etapa

El secado en una etapa se define como el proceso de secado por atomización durante el cual el producto es secado hasta la humedad final dentro de la cámara de secado, ver Fig. 67. Sin embargo, los principios fundamentales de la formación de gotas y la evaporación de la humedad inicial son los mismos en éste y los procesos siguientes, y por este motivo son descritos a continuación.

La velocidad inicial de las gotas en el atomizador es de alrededor de 150 m/seg. La mayor parte del secado tiene lugar mientras las gotas son desaceleradas debido a la fricción entre ellas y el aire. Aquellas gotas con un diámetro de 100 micras tienen un recorrido de desaceleración de menos de un metro, y las de 10 micras de diámetro, de sólo unos pocos centímetros. La reducción mayor de la temperatura del aire de secado tiene lugar durante este período. Por tanto, una enorme transferencia de masa y calor tiene lugar en las partículas en un período de tiempo muy corto. La calidad del pro-ducto puede ser alterada seriamente si los factores que promueven la degradación no son conocidos o se han descuidado.

Durante la eliminación de agua de las gotas, se produce una considerable reducción en el peso, volumen y diámetro de la partícula. Bajo condiciones ideales de secado el pe-so disminuirá alrededor del 50%, el volumen descenderá a un 40% y el diámetro a un 75% aproximadamente de la gota creada por el atomizador. Ver Fig. 68.

Sin embargo, no se ha desarrollado todavía una técnica ideal de creación y secado de las gotas. Siempre existirá alguna penetración de aire en el concentrado durante el bombeo desde el evaporador, y especialmente cuando la leche es conducida al interior del tanque de alimentación, debido al salpicado. Pero también durante la atomización, una cantidad

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Filtro

Concentrado de lecheVapor

Fig. 70 Rueda barrida por vaporFig. 69 Rueda con canales curvos para polvo de una alta densidad

ml a

ire/1

00g

sólid

os

Fig. 71 Capacidad de formar espuma de leche descremada concentrada

Tiempo de secado

polvo

aire

Fig. 72 Desarrollo de la temperatura

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de aire es incorporada en la alimentación en el atomizador centrífugo donde la rueda, ade-más de atomizar el concentrado, está actuando como un ventilador que aspira aire y lo arroja dentro del concentrado. Ruedas especialmente diseñadas contrarrestarán, sin embar-go, la incorporación de aire al concentrado. En la rueda de álabe curvado (la así llamada rueda de alta densidad global), ver Fig. 69, el aire es parcialmente separado del concentra-do nuevamente, debido a la fuerza centrífuga, mientras que en la rueda con barrido de va-por, ver Fig. 70, el problema es parcialmente solucionado reemplazando la interfase líqui-do/aire por una interfase líquido/vapor. Antes se creía generalmente que las toberas duran-te la atomización incorporaban poco o ningún aire al concentrado. Sin embargo, se ha des-cubierto que existe una cierta penetración de aire durante la primera etapa de atomización, tanto fuera como dentro del cono de atomización, debido a la fricción del aire, previo a la formación de las gotas. Cuanto mayor capacidad tiene la tobera (kg/h), más cantidad de ai-re incorpora al concentrado.

La capacidad de un concentrado para incorporar aire, o formar una espuma estable, depen-de de la composición, la temperatura y el contenido en sólidos. Se ha descubierto que los concentrados con bajo contenido en sólidos tienen una alta capacidad de formar espuma, la cual aumenta con la temperatura. Los concentrados con un alto contenido en sólidos tie-nen considerablemente menos espuma, la cual puede ser reducida aún más aumentando la temperatura, ver Fig. 71. Generalmente la capacidad para formar espuma es menor en el concentrado de leche entera que en el concentrado de leche descremada. La determinación del aire en el concentrado se describe en la pág. 195.

La cantidad de aire en las gotas (presente en forma de pequeñas burbujas de aire) es, por lo tanto, uno de los factores decisivos para hallar cuánto más continuará la reducción del ta-maño durante el secado. Otro factor aún más importante es el de las condiciones de seca-do, o sea, la temperatura del aire circundante. Como se mencionó, mucho calor debe ser transferido del aire de secado a las gotas, y mucho vapor de agua realizará el camino con-trario. Existe, por lo tanto, un gradiente de temperatura y concentración en la partícula, y el proceso total se vuelve muy complejo y no totalmente comprensible. Las gotas de agua pura (actividad del agua 100%) se evaporarán al ser expuestas a una más alta temperatura, manteniendo la temperatura de bulbo húmedo ("wet bulb"), hasta que se evaporen comple-tamente, mientras los productos conteniendo sólidos completamente secados (o sea, con una actividad de agua aproximándose a cero), son calentados hasta la temperatura del aire circundante al final del proceso, la cual, en un secador por atomización significa la tempe-ratura del aire de salida. Ver Fig. 72.

No es sólo desde el centro hacia la superficie que existe un gradiente de concentración, si-no también desde un punto de la superficie hacia otro, dando como resultado diferentes concentraciones de agua y por lo tanto diferentes temperaturas entre diferentes zonas de la superficie. La intensidad del gradiente global es mayor, cuanto mayor sea el diámetro de partícula, debido a la menor relación superficie/masa. Por lo tanto, las pequeñas partículas se secan más uniformemente.

Durante el secado, el contenido en sólidos naturalmente aumenta, debido a la eliminación de agua y lo mismo ocurre con la viscosidad y la tensión superficial. Esto significa que el coeficiente de difusión, o sea la relación de difusión de agua-vapor/tiempo y superficie,

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Fig. 73 Partícula típica del secado de una etapa

Fig. 74 Partícula atomizada. Secado de una etapa

Fig. 75 Partícula sobrecalentada. Secado de una etapa

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se vuelve menor y tiene lugar un sobrecalentamiento debido a la menor velocidad de eva-poración. En casos extremos, el llamado "case hardening" (endurecimiento), que es la for-mación de una cáscara dura sobre la superficie, a través de la cual el vapor/agua restante o el aire adjunto se difunden, provocará que esa difusión se realice muy lentamente. El "case hardening" ocurre normalmente con un contenido residual de humedad de 10-30% en la partícula, en cuya etapa las proteínas, especialmente la caseína, son muy sensibles al calor y muy fácilmente desnaturalizables, dando como resultado un polvo de baja solubilidad. Más aún, la lactosa amorfa se endurecerá y será casi impenetrable para el vapor de agua, y la temperatura de la partícula aumentará a medida que la velocidad de evaporación, o sea el coeficiente de difusión, se aproxime a cero.

Al haber más vapor de agua y burbujas de aire en la partícula, ésta se sobrecalienta si la temperatura del aire circundante es lo suficientemente alta, provocando una expansión del vapor y el aire. La presión aumentará y la partícula se convertirá en una pelota completa-mente redonda con una superficie lisa. Ver Fig. 73. La partícula tendrá una gran cantidad de vacuolas en su interior. Ver Fig. 74. Si la temperatura del aire circundante es lo sufi-cientemente alta, la partícula puede incluso explotar, y aunque no ocurre, tendrá igualmen-te una muy pequeña cáscara de aproximadamente 1 micra, y no sobrevivirá al tratamiento mecánico en el sistema de transporte y en los ciclones, y abandonará el secador con el aire de salida. Ver Fig. 75.

Si hay solamente una pequeña cantidad de burbujas de aire en la partícula, la expansión no será demasiado grande, a pesar del sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento, como re-sultado de la formación de una cáscara, sin embargo, irá en detrimento de la caseína, dan-do como resultado una mala solubilidad.

Si la temperatura circundante, o sea, la temperatura de salida es mantenida baja durante el secado, la temperatura de la partícula será igualmente baja.

La temperatura de salida es determinada por muchos factores entre los cuales los más im-portantes son:

• Contenido de humedad en el polvo final • Temperatura y humedad del aire de secado • Contenido en sólidos en el concentrado • Atomización • Viscosidad del concentrado

Contenido de humedad en el polvo final

El primero y más importante es el contenido de humedad en el polvo final. A menor contenido de humedad residual, más baja humedad relativa en el aire de salida y eso significa mayor temperatura de salida y con ello, mayor temperatura de la partícula.

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Temperatura y humedad del aire de secado

Como el contenido de humedad está en relación directa con la humedad relativa del aire de salida, un aumento de temperatura en el aire de entrada necesitará un pequeño aumento del aire de salida, debido al alto contenido de humedad en el aire, resultante del aumento de evaporación. También el contenido inicial de humedad en el aire de secado es importante, y si este contenido es alto se debe aumentar la temperatura de salida para compensar la humedad adicional.

Contenido en sólidos en el concentrado

Un aumento en el contenido en sólidos requerirá un aumento en la temperatura de sa-lida, debido a que la evaporación se vuelve más lenta (menor coeficiente promedio de difusión) y es necesaria una mayor diferencia de temperatura (fuerza motriz), entre la partícula y el aire circundante.

Atomización

Cualquier esfuerzo con el fin de mejorar la atomización y crear una nube atomizadora más fina dará como resultado una temperatura de salida más baja, porque la relación superficie específica/masa de las partículas se vuelve mayor. La evaporación será, por lo tanto, más fácil y se requerirá una fuerza motriz menor.

Viscosidad del concentrado

La atomización está influenciada por la viscosidad. La viscosidad aumenta con un contenido mayor de proteínas, de lactosa cristalizada y de sólidos totales. Calentando el concentrado (vigilando el espesamiento por envejecimiento) y aumentando la velo-cidad del atomizador o la presión de tobera puede remediar el problema.

La eficiencia de secado total se expresa en la siguiente fórmula aproximada:

Ta-TiTo-Ti

=ζ (17)

donde:Ti = temperatura del aire de entrada To = temperatura del aire de salida Ta = temperatura ambiente

Es obvio, por tanto, que la única posibilidad para aumentar la eficiencia del proceso de secado, es aumentar la temperatura ambiente mediante un precalentamiento (ver pág. 175) p.ej. utilizando los condensados del evaporador, o aumentar la temperatura de entrada o bajar la temperatura de salida.

La relación ζ es al mismo tiempo una buena indicación del trabajo del secador, ya

que la temperatura de salida es determinada por el contenido de humedad residual, el cual debe cumplir con ciertos estándares. Una alta temperatura de salida indica que el

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Fig. 76 Micro-foto de leche descremada en polvo producido en una planta con sistema de transporte neumático

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aire de secado no está siendo aprovechado, debido a varias razones, como mala ato-mización, mala distribución del aire, alta viscosidad, etc.

El valor de ζ será, en los secadores normales operando con leche descremada,

(Ti = 200°C, To = 95°C) alrededor de 0,56.

La tecnología de secado tratada hasta aquí ha sido relacionada con una planta con transporte neumático y sistema de enfriamiento, donde el polvo al abandonar la base de la cámara es secado hasta alcanzar el contenido de humedad deseado. El polvo en esta etapa está caliente y consiste en partículas débilmente unidas, en grandes aglome-rados sueltos, debido a que la primera aglomeración tiene lugar en la nube de atomi-zación, donde las partículas de diámetro diferente tendrán diferentes velocidades y por lo tanto chocarán. Sin embargo, cuando son conducidas a través del sistema de trans-porte neumático donde los aglomerados están expuestos a fuerzas mecánicas, el polvo se convertirá en partículas individuales. Este tipo de polvo, ver Fig. 76, tiene las si-guientes características:�

• Consiste en partículas individuales • Alta densidad específica�• Pulverulento si es de leche descremada�• No-instantáneo�

Secado en dos Etapas

Como se ha visto anteriormente, la temperatura de la partícula dependía de la tempe-ratura del aire circundante (la temperatura de salida). Como la última agua en el pro-ducto es la más difícil de eliminar por el secado convencional, la temperatura de sali-da tiene que ser lo suficientemente alta para asegurar una fuerza motriz (∆t o diferen-cia de temperatura entre la partícula y aire), capaz de eliminar la citada humedad. Esto puede ir muy a menudo en detrimento de las partículas, como ya ha sido comentado anteriormente.

No sorprende, por lo tanto, que haya sido desarrollada una tecnología de secado com-pletamente diferente, especialmente para evaporar el último 2-10% de humedad de las partículas ya formadas en esta etapa.

Como la evaporación irá muy lenta con esta humedad, debido a que el coeficiente de difusión es bajo, el equipo de secado o postsecado debe ser diseñado de forma que el polvo tenga un largo tiempo de residencia. Puede realizarse en un sistema de transpor-te neumático utilizando aire caliente que incrementa la fuerza motriz. Sin embargo, como es necesaria una velocidad de aprox. 20 m/seg. en el conducto, se precisa una considerable longitud del mismo para ser eficiente. Otro sistema es el denominado "Hot Chamber" (cámara caliente) con una entrada tangencial para prolongar el tiempo de retención. Terminado el secado, el polvo es separado en un ciclón y llevado a otro

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�

Powderlayer

Air in

Air out

Plate

Powderlayer

Air in

Air out

Plate

Entrada polvoSalida aire

Entrada aire secado

Aire enfriamiento

Salida polvo

Fig. 77 Vibro-fluidizador en diseño sanitario

Fig. 77a BUBBLE PLATE™

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sistema neumático de transporte con aire frío o deshumectado para el enfriamiento. El polvo es separado en un ciclón y está listo para ser ensacado.

Otro sistema para el postsecado es el VIBRO-FLUIDIZER®, un lecho fluidizado, que consiste de un gran conducto horizontal, dividido en dos secciones: una superior y una inferior, por medio de una placa perforada, soldada a la pared del conducto. Ver Fig. 77. Para el secado, o bien el enfriamiento, se introduce aire caliente o frío en la parte inferior del Vibro-Fluidizador. El aire se distribuye uniformemente sobre toda la su-perficie de la placa especial perforada la BUBBLE PLATE™, que tiene las siguientes ventajas:

• El aire se dirige hacia abajo a la superficie de la placa, por lo que se mantienen las partículas en movimiento en la placa, la que tiene pocos, pero grandes orifi-cios para permitir períodos más largos entre limpiezas. Además, la placa ha de-mostrado un efecto de vaciado muy bueno. Ver Fig. 77a.

• El método de construcción previene ranuras. Por eso la placa BUBBLE PLATE™resulta sanitaria y así aceptada por USDA.

Las perforaciones y la cantidad de aire se determinan por la velocidad de aire necesa-ria para la fluidificación del polvo. La velocidad de aire se determina por la naturaleza del polvo, por ejemplo por el contenido de humedad y la termoplasticidad.

La temperatura es determinada según la capacidad de evaporación que se desea lograr. El tamaño de los orificios de la placa perforada es elegido a fin de que la velocidad del aire sea lo suficientemente alta para fluidificar el polvo sobre la placa. La veloci-dad del aire no deberá ser tan alta que el polvo aglomerado sea destruido por una atri-ción. Al otro lado, nunca puede evitarse (y en algunos casos incluso se desea), que al-gunas partículas, especialmente las más pequeñas, salgan del Vibro-Fluidizador con el aire. Por eso, el aire pasa a través de un ciclón o un filtro de mangas, donde las partí-culas son separadas y devueltas al proceso.

Aplicando este nuevo equipo será posible evaporar el último contenido de humedad en el polvo de un modo suave. Esto significa que se puede operar el secador en una forma diferente de aquella descrita anteriormente, donde el polvo salía de la cámara con el contenido final de humedad.

La ventaja del secado en dos etapas puede resumirse como sigue:

• Mayor capacidad/kg de aire de secado • Mejor economía • Mejor calidad del producto, como es:

- buena solubilidad - alta densidad - bajo contenido de grasa libre - bajo contenido de aire ocluido

• Menor emisión de polvo

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Fig. 79 Partícula típica del secado de dos etapas

Entrada concentrado

Salida polvo

Fig. 78 Secador con Vibro-Fluidizador para secado en dos etapas

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El lecho fluidizado puede ser construido como un lecho vibrante de flujo puntual ("plug-flow") (Vibro-Fluidizador), o bien como un lecho estático de retromezclado ("back-mix").

Secado en dos etapas con Vibro-Fluidizador ("Plug-Flow")

En el Vibro-Fluidizador todo el lecho vibra. Las perforaciones de la placa facilitan la dirección del aire de secado con el flujo de polvo. Para evitar que la placa perforada vibre con su propia frecuencia, es necesario un soporte. Ver Fig. 78.

En el secador se reduce la temperatura de salida dando lugar a un aumento del conte-nido de humedad y una reducción de la temperatura de la partícula. El polvo húmedo procedente de la cámara de secado entra en el Vibro-Fluidizador por gravedad.

Hay sin embargo, un límite a lo que es operativamente posible llegar con el contenido de humedad aumentado, ya que el polvo se volverá pegajoso a pesar de la baja tempe-ratura, formando grumos dando lugar a depósitos en la cámara.

Normalmente puede lograrse una reducción de 10-15°C en la temperatura de salida. Resulta en un secado mucho más suave, especialmente en la etapa crítica de secado (30% a 10% de humedad); la contracción continúa, ver Fig. 79, y no es interrumpida por ningún "case hardening", obteniendo así condiciones cercanas a las del ejemplo óptimo de secado. La temperatura más baja de las gotas se obtiene en parte debido a la baja temperatura circundante, pero también al alto contenido de humedad en las partí-culas, cuya temperatura es cercana a la de bulbo húmedo. Esto tiene naturalmente una influencia positiva en las propiedades de solubilidad del polvo final.

La reducción en la temperatura de salida implica un correspondiente mayor rendi-miento en la cámara de secado debido a la mayor diferencia en temperatura (∆t). Muy a menudo se aumentan la temperatura de secado y el contenido en sólidos en la ali-mentación aumentando así aún más la eficiencia del secador. Sin embargo, esto signi-fica al mismo tiempo un aumento necesario de la temperatura de salida, pero el mayor contenido de humedad y la menor temperatura de la partícula protegen las partículas evitando así el sobrecalentamiento y el "case hardening".

Como experimento, la temperatura de secado puede alcanzar 250°C o incluso 275°Cal secar leche descremada, en cuyo caso la eficiencia de secado alcanza 0,75.

Cuando la fracción de la cámara llega a la base de la cámara tiene un mayor contenido de humedad y una menor temperatura que lo que se obtiene con el secado convencio-nal anteriormente descrito. Desde la base de la cámara, el polvo debería caer directa-mente a la sección de secado del Vibro-Fluidizador y ser fluidificado inmediatamente. Cualquier retención o transporte dará lugar a que las partículas templadas, húmedas y termoplásticas se adhieran entre ellas y se formen grumos que luego son difíciles de

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Polvo del secador

Fig. 80 Sistema de transporte a presión desde el Vibro-Fluidizador hasta el sistema de silos

Con

sum

o pr

omed

io d

e en

ergí

a/kg

agu

a ev

apor

ada

Humedad en %

Evaporador

Concentrador alto

Secador

Vibro-Fluidizador

Fig. 81 Consumo de energía por kg agua evaporada, como una función del contenido de humedad residual

Línea de envasado

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disolver. Esto tiene una influencia negativa directamente sobre la eficiencia del seca-do en el Vibro-Fluidizador y parte del polvo saldrá del equipo con un contenido de humedad demasiado alto, en detrimento de la calidad de conservabilidad del polvo.

Solamente la fracción procedente de la cámara entra en el Vibro-Fluidizador por gra-vedad. La fracción del ciclón principal y la del ciclón del Vibro-Fluidizador (o filtro de mangas lavado por CIP) aún tienen que ser recogidas y conducidas al Vibro-Fluidizador.

Como las fracciones de los finos se componen de partículas de un diámetro medio menor que las partículas de la fracción de cámara, mantendrán un menor contenido de humedad y por lo tanto, no precisarán el mismo proceso de postsecado. Muy a menu-do las partículas están lo suficientemente secas, pero, a pesar de ello son conducidas hasta el último tercio de la sección de secado del Vibro-Fluidizador, para asegurar que sean secadas hasta quedar con el contenido de humedad deseado.

Al recoger las fracciones de los ciclones, el punto de recolección no siempre puede quedar exactamente encima del Vibro-Fluidizador, de forma que el polvo pueda ser alimentado directamente por gravedad al Vibro-Fluidizador. Por lo tanto se instala un sistema de transporte a presión para manejar el polvo. Este sistema es muy flexible dependiendo a donde el polvo es transportado, ya que la línea es un conducto lácteo normal, de 3 o 4 pulgadas. El sistema consiste en un soplador de aire de bajo volu-men/alta presión, una válvula de paso directo, tipo "blow-through" que permite el pa-so de aire recogiendo el polvo, y una línea de transporte, ver Fig. 80. La cantidad de aire es pequeña en relación al polvo a ser conducido (sólo 1/5).

Durante producción una pequeña parte del polvo queda suspendida en el aire de nuevo en el Vibro-Fluidizador y abandona éste con el aire, siendo recogido en el ciclón y de-vuelto al Vibro-Fluidizador. Durante el paro de la planta, llevará algún tiempo, por lo tanto, en parar esta recirculación si no se toman medidas especiales.

El problema se soluciona, por ejemplo, mediante una válvula de desvío del tubo de transporte a otro tubo llevando el polvo al final del sistema del Vibro-Fluidizador siendo entonces vaciado en pocos minutos.

El polvo es finalmente tamizado y envasado. Como puede contener algún aglomerado, se recomienda utilizar un sistema de transporte a presión hacia un silo, a fin de obte-ner la máxima densidad.

Es sobradamente conocido que al evaporar el agua de la leche, el consumo de ener-gía/kg evaporación aumentará al acercarse la humedad residual a cero. Ver Fig. 81.

Ya se ha demostrado que la eficiencia del proceso de secado por atomización puede verse influenciada por las temperaturas de entrada y de salida.

El consumo de vapor es 0,10-0,20 kg/kg agua evaporada en el evaporador, mientras que es 2,0-2,5 kg/kg agua evaporada en un secador convencional de una etapa, en otras palabras 20 veces mayor comparado con el evaporador. Por eso se trata siempre

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de obtener un aumento del contenido en sólidos en el concentrado al salir del evapo-rador. Esto quiere decir que el evaporador eliminará más agua con un bajo consumo de energía. Significa, por supuesto, que el consumo de energía/kg agua evaporada aumentará un poco en el secador, pero resulta menor el consumo de energía total.

El consumo de vapor/kg agua evaporada arriba mencionado es una cifra media, ya que el consumo de vapor al empezarse el proceso es muy bajo y aumentará hacia el final del proceso. Un cálculo muestra que un polvo con el 3,5% de humedad requiere 1.595 Kcal/kg polvo, mientras que un polvo con el 6% de humedad sólo requiere 1.250 Kcal/kg de polvo. En otras palabras, esta última evaporación corresponde a unos 23 kg de vapor/kg evaporación.

La tabla en la próxima página muestra el cálculo. La primera columna de cifras mues-tra las condiciones al operar la planta bajo condiciones normales con enfriamiento y transporte neumático del polvo que sale de la cámara de secado y de los ciclones. La segunda columna muestra las condiciones al operar la planta como una unidad de se-cado en dos etapas, en cuyo sistema el polvo se seca del 6% al 3,5% de humedad en un Vibro-Fluidizador. La tercera columna muestra las cifras para el proceso de secado en dos etapas operando con una alta temperatura de entrada.

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Cono de un secador y el Vibro-Fluidizador conectado

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SISTEMA DE SECADO

Secador con

sistema de transporteneumático

Secador con Vibro- Fluidizador

Secador operado a alta temp. con Vibro- Fluidizador

SECADOR

Temperatura de entrada: °C 200 200 230

Aire de secado: kg/h 31.500 31.500 31.500

Leche descrem. 8,5% sólidos: kg/h 12.950 16.150 19.800

Concentrado con 48% sólidos: kg/h 2.290 2.860 3.510

Evaporación en cámara: kg/h 1.150 1.400 1.720

Polvo de la cámara: - 6% humedad: - 3.5% humedad:

kg/h kg/h 1.140

1.460-

1.790-

Consumo de fuel-oil: kg/h 175 175 205

Consumo de energía: Kw 120 125 130

Consumo de energía del secado total: Mcal 1.818 1.823 2.120

Energía por kg polvo en cámara: Kcal 1.595* 1.250* 1.184

VIBRO-FLUIDIZADOR

Aire de secado: kg/h 3.430 4.290

Temperatura de entrada: °C 100 100

Evaporación en VF: kg/h 40 45

Polvo del VF, 3,5% humedad: kg/h 1.420 1.745

Consumo de vapor: kg/h 135 167

Consumo de energía: Kw 20 22

Consumo energía total en VF: Mcal 95 115

SECADO TOTAL

Consumo de energía total: Mcal 1.818 1.918 2.235

Energía por kg polvo final: Kcal 1.595 1.350 1.280

Relación de energía: % 100 85 80

Eficiencia del secador: 0,54 0,62 0,66

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Secador Compacto (CDI) Secador Multi-Etapas (MSD)

Aire de secado

Salida aire y finos

Salida producto

Entrada aire y finos

Fig. 82 Placa perforada para caudal direccional del aire (BUBBLE PLATE™)

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Por medio de las cifras marcadas con *), obtenemos:

1.595 - 1.250 = 345 Kcal/kg de polvo

La evaporación por kg de polvo es: 0,025 kg (6% - 3,5% = 2,5%)

Entonces el consumo de energía por kg de evaporación es:

Kcal/kg13.800=0,025

345

correspondiendo a 23 kg de vapor por kg de agua evaporada.

En el Vibro-Fluidizador, el consumo promedio de vapor es alrededor de 4 kg de va-por/kg evaporación, dependiendo todo esto, naturalmente, de las cantidades de aire y de calor que puedan usarse. Aunque el consumo de vapor sea unas dos veces mayor en el Vibro-Fluidizador que en el secador, todavía resultará muy inferior (debido al dise-ño especial que permite un largo período de residencia, 8-10 min., comparado con los 20-25 seg. en el secador) al consumo de energía que se necesitaría para evaporar la misma cantidad de agua en el secador. Al mismo tiempo, deberíamos recordar que di-cha planta tendrá mayor capacidad, dará un producto mejor, la emisión de polvo será menor y además, la planta resultará muy flexible.

Secado en dos etapas con lecho fluido estático (SFB) ("Back-Mix")

En el esfuerzo de mejorar la eficiencia del secado que se expresa en la fórmula (17), pág. 131, la temperatura del aire de salida (To) fue reducida, para el secado en dos etapas (pág. 133), a aquella temperatura cuando el polvo con una humedad de 5-7% se volvía pegajoso y empezaba a adherirse a las paredes de la cámara.

Sin embargo, aún mejores resultados han sido obtenidos mediante la incorporación de un lecho fluidizado estático integrado en la parte cónica de la cámara de secado. El ai-re secundario de secado se introduce en una cámara de aire comprimido debajo de la placa perforada, a través de la cual se distribuye el aire de secado. Este tipo de secador puede trabajar de tal modo que las partículas primarias alcanzan una humedad tan alta como 8-12%, correspondiente a una temperatura de salida del aire de 65-70°C. Este máximo aprovechamiento del aire de secado significa que para una dada capacidad el tamaño de la planta pueda ser reducido considerablemente.

Siempre se ha considerado difícil obtener una fluidización de leche en polvo. Sin em-bargo, una placa perforada de diseño especial patentado, ver Fig. 82 y pág. 135, pro-voca una rotación del aire/polvo en la misma dirección que la del aire primario de se-cado. Mediante esta placa, y con la correcta combinación de la altura del lecho y la velocidad de fluidización, actualmente es posible obtener una fluidización de cual-quier producto a base de leche en un lecho fluido estático.

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Fig. 83 Secador tipo compacto con sistema de transporte neumático (CDP)

Fig. 84 Secador tipo compacto con Vibro-Fluidizador para aglomeración/instantaneización (CDI)

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El lecho fluido estático viene en tres configuraciones:

• Lecho fluido en forma anular (Secadores Compactos)

• Lecho fluido en forma circular (Secadores MSD)

• Una combinación de las dos (Secadores IFD)

Lecho fluido en forma anular (Secadores Compactos)

El lecho fluido en forma anular (retromezclado "back-mix") está situado en el fondo del cono de una cámara convencional alrededor del conducto de salida situado en el centro. Así no hay partes en el cono que obstruyan el flujo de aire, y esto junto con los chorros de la capa de polvo fluidizado mantiene el cono libre de depósitos, incluso cuando se manejan polvos pegajosos con altos contenidos de humedad. La parte cilín-drica de la cámara se mantiene limpia con un sistema de barrido de las paredes, me-diante el cual una pequeña cantidad de aire es introducida tangencialmente y a alta ve-locidad en la parte cilíndrica de la cámara mediante toberas de aire especiales dirigi-das en la misma dirección que la rotación del aire primario de secado.

Debido a la combinación de la rotación de aire/polvo y el consiguiente efecto ciclóni-co en la cámara, el aire de salida arrastra sólo una pequeña cantidad de polvo. La frac-ción del ciclón/filtro de mangas lavable por CIP, por lo tanto, es reducida en este tipo de secador, así como también la emisión de polvo.

El polvo es descargado de forma continua desde el lecho fluido estático desbordando una placa de prensa ajustable, y así se mantiene un cierto nivel de polvo fluidizado.

Debido a la baja temperatura del aire de salida se obtiene un gran ahorro en el secado comparado con el secado convencional en dos etapas, como se desprende de la tabla en la próxima página.

Al abandonar la cámara el polvo puede ser enfriado en un sistema neumático de trans-porte, tal como se describe en pág. 117. Ver Fig. 83. El polvo que se produce será compuesto de partículas simples y tendrá las mismas o incluso mejores propiedades comparado con las mencionadas para el secado en dos etapas en la pág. 133.

Para productos con grasa, el enfriamiento debe tener lugar en un lecho fluido vibrante que se usa también para la producción de polvos instantáneos aglomerados. En este caso se devuelve la fracción del ciclón a la zona de atomización para su aglomeración. Ver Fig. 84.

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Lecho fluido estático de retromezclado al fondo de la cámara de secado

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SISTEMA DE SECADO

Secador con VF

para secadoen dos etapas

Secador conlecho fluido

estáticoanular

(Compacto)

Secador con lecho fluido

estáticocircular (MSD)

SECADOR



Leche descrem. 8,5% sólidos: kg/h 19.800 24.000 31.300

Concentrado con 48% sólidos: kg/h 3.510 4.250 5.540

Evaporación en cámara: kg/h 1.720 2.010 2.620

Polvo de la cámara: - 6% humedad: - 9% humedad:

kg/h kg/h

1.790-

-2.240

-2.920

Consumo de fuel-oil: kg/h 205 205 230


Consumo de energía de secado total: Mcal 2.120 2.130 2.380

Energía por kg polvo en cámara: Kcal 1.184 950 820

LECHO FLUIDO VF SFB SFB



Evaporación en VF/SFB: kg/h 45 125 165

Polvo del lecho fluido, 3,5% humedad:

kg/h 1.745 2.115 2.755

Consumo de vapor: kg/h 167 290 400


Cons. energía total, lecho fluido: Mcal 115 195 265

SECADO TOTAL

Consumo de energía total: Mcal 2.235 2.325 2.645

Energía por kg polvo final: Kcal 1.280 1.038 960

Relación de energía (ver p.65): % 80 65 60

Eficiencia del secador: 0,66 0,75 0,80

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Fig. 85 Secador de multi-etapas (MSD)

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Lecho fluido en forma circular (Secadores MSD)

Para mejorar aún más la eficiencia del secador, sin tener problemas de depósitos, se ha diseñado un concepto completamente nuevo de secador, denominado el Secador de Múltiples Etapas MSD.

El secador trabaja con tres etapas de secado, cada una adaptada al contenido de hume-dad presente durante el proceso de secado. En la etapa preliminar de secado el con-centrado es atomizado mediante toberas co-corrientes colocadas en el conducto de ai-re caliente. El aire es introducido verticalmente en el secador a través del dispersor de aire a alta velocidad, asegurando una mezcla óptima de las gotitas atomizadas con el aire de secado. Como antes mencionado, la evaporación en esta etapa tiene lugar ins-tantáneamente al pasar las gotitas verticalmente a través de la cámara de diseño espe-cial. Las partículas alcanzan un contenido de humedad del 6-15%, dependiendo del ti-po de producto. A un contenido tan alto de humedad el polvo muestra una termoplas-ticidad alta y se vuelve muy pegajoso. La alta velocidad del aire de entrada crea un efecto venturi, cuyo vacío aspira aire ambiente -con partículas finas arrastradas- en la húmeda nube atomizadora. Esto da lugar a una "aglomeración secundaria espontánea", ver pág. 157. Se introduce aire en el lecho fluido a una velocidad y temperatura sufi-ciente para la segunda etapa de secado. El aire de secado de la etapa preliminar y del lecho fluido abandona la cámara por la parte superior pasando por un ciclón primario. El polvo separado en este ciclón es devuelto al lecho fluido y el aire pasa a un ciclón secundario para la separación final.

Cuando el polvo ha alcanzado el contenido de humedad deseado es descargado por una válvula rotativa e introducido en un Vibro-Fluidizador para el secado final y el enfriamiento posterior. El aire de secado/enfriamiento del Vibro-Fluidizador pasa un ciclón donde el polvo arrastrado es separado. El polvo fino es devuelto al dispositivo de atomización, al cono de la cámara (lecho estático), o al Vibro-Fluidizador. En las plantas de secado modernas del día los ciclones son remplazados por un filtro de mangas lavado por CIP.

El polvo tiene una estructura gruesa que origina de la "aglomeración secundaria es-pontánea" en la nube de atomización, en la que hay un suministro continuo de partícu-las finas secas que se pegan a las partículas semi-secas creando así la aglomeración. Sin embargo, la aglomeración será reforzada aún más, cuando la nube choca con el polvo fluidizado en el lecho fluido estático. Ver Fig. 85.

Ha sido posible operar esta planta con una temperatura del aire de secado primario muy elevada (220-275°C) y con un tiempo de residencia brevísimo, todavía mante-niendo una buena solubilidad del polvo. Las dimensiones físicas de este tipo de planta son muy pequeñas limitándose así las dimensiones del edificio. Junto con la mejorada economía térmica (una reducción del 10-15% en relación al secado convencional de dos etapas) debido a la alta temperatura del aire para el secado primario, este tipo de planta presenta una solución muy atractiva, especialmente para productos aglomera-dos.

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Salida aire

Entrada producto

Producto final

Fig. 85a Secador con filtros integrados (IFD)

Fig. 85b Tobera de chorro de aire invertido Lecho fluido integrado

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Planta de secado con filtros y lechos fluidos integrados (IFD)

El diseño de la planta de secado con filtros integrados (IFD, patentado), ver Fig. 85a, está basado en operaciones comprobadas del secado por atomización, como son:

• Sistema de alimentación con precalentamiento del concentrado, filtración, homo-geneización y bombas de alta presión. Todos son equipos como usados en secado-res convencionales.

• Atomización mediante toberas a presión o bien un atomizador rotativo. Las tobe-ras a presión se usan principalmente para productos que contienen grasa y produc-tos con un alto contenido de proteínas, y la atomización rotativa se usa para todos tipos de productos en general y concentrados con cristales en particular.

• Filtración, calentamiento y distribución del aire de secado mediante un dispersor de aire apropiado para corrientes del aire rotatorias o verticales.

• Cámara de secado de un diseño que permite condiciones higiénicas de operación y que mantiene una pérdida de calor la más baja posible mediante por ejemplo pane-les desmontables de aislamiento de pared doble llenados con aire, ver pág.73.

• Lecho fluido integrado diseñado como un lecho combinado de retro-mezclado para el secado y flujo puntual para el enfriamiento. El lecho fluido es una construcción totalmente soldada sin espacios huecos. Entre el lecho de retro-mezclado y el le-cho circundante hay un espacio con aire para prevenir la transmisión del calor. Se usa la nueva placa de burbujas la BUBBLE PLATE™. Ver pág. 119.

El sistema de salida del aire de secado es nuevo y aunque constituye un concepto re-volucionario está todavía basado en los mismos principios como para el filtro de man-gas Niro lavado por CIP, el SANICIP El sistema de recogido de finos trabaja con fil-tros finos integrados en la cámara de secado. Las mangas son soportadas en jaulas de acero inoxidable montadas en el techo alrededor de la circunferencia de la cámara de secado. Estos elementos de filtración trabajan con sistemas de limpieza del aire del ti-po retro-soplado, similares a los aplicados en el filtro de mangas SANICIP™. Ver pág. 109.

Las mangas se purgan una a una, ó cuatro a cuatro, mediante aire comprimido que en-tra la manga mediante las toberas de chorro de aire invertido, ver Fig. 85b. Esto per-mite una descarga regular y frecuente de polvo entrando en el lecho fluido integrado.

La selección de material filtrante sigue los procedimientos ya conocidos del filtro de mangas SANICIP™ y con la misma proporción aire/tejido.

La tobera de chorro de aire invertido tiene una función doble: Durante operación se usa para la purga, y durante CIP se usa para la limpieza húmeda de las mangas desde

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Cámara IFD™ con paneles especiales de aislamiento

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el lado interior hasta el lado exterior sucio. Se inyecta agua limpia a través de la tobe-ra de chorro de aire invertido; el agua es atomizada por aire comprimido en el interior de la manga y forzada a salir al lado sucio. Esta función patentada es sumamente im-portante, ya que de no ser así resulta difícil, si no imposible, extraer el polvo arrastra-do desde el exterior solamente.

Para la limpieza del lado inferior del techo de la cámara cerca de las mangas, se usa una tobera de diseño especial, que también tiene una función doble: Durante la opera-ción de secado la tobera se purga con aire para mantener el área libre de depósitos y durante limpieza se usa como una tobera CIP normal. La cámara superior de aire lim-pio es limpiada mediante una tobera CIP standard.

Ventajas de la Planta IFD™:

Producto:

• Rendimiento más alto de producto de primera clase. En plantas tradicionales, con ciclones y filtros de mangas, la fracción del filtro se considera un producto de se-gunda clase aumentando a aprox. 1% de la producción.

• Un reducido manejo mecánico de los productos en conductos, ciclones y filtro de mangas, y no se necesita una recirculación externa de los finos, ya que la confor-mación del flujo de aire dentro de la planta asegura una primaria y secundaria aglomeración óptima.

• Calidad mejorada del producto, ya que la planta IFD™ puede operar a bajas tem-peraturas del aire de salida en comparación con plantas convencionales. Esto sig-nifica que se permite obtener una capacidad más alta de secado por kg de aire de secado.

Seguridad:

• Instalaciones de seguridad más sencillas, ya que el proceso de secado tiene lugar dentro de una sola unidad,

• Menos componentes a proteger,

• Costos más bajos de mantenimiento.

Proyecto:

• Disposición más sencilla de la planta,

• Reducido edificio,

• Estructura de soporte más simplificada.

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TIPO DEFINICION EJEMPLOS

Primariaespontánea

Colisión casual y no-provocada de una sola nube de partículas primarias

Todos tipos de atomización

Primariaforzada

Colisión planeada entre partículas primarias de distintas nubes de atomización

Colisión de nubes de distintas toberas

Secundariaespontánea

Colisión casual y no-provocada de una nube de partículas primarias y finos

Secadores de multi-etapas o de filtros integrados

Secundariaforzada

Colisión planeada entre partículas primarias y finos retornados a la zona de atomización

Tipo normal con la apli-cación de Retorno de Finos

Fig. 86 Definición de distintos procesos de aglomeración

Concentrado

Fig. 86a Aglomeración primaria espontánea

Concentrado

Aire de secado

Salida aire

Finos

Concentrado

Fig. 86c Aglomeración secundaria espontánea

Finos

Concentrado

Fig. 86d Aglomeración secundaria forzada

Fig. 86b Aglomeración primaria forzada

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Aspectos del ambiente:

• Posibilidad reducida de polvo que salga en el área de trabajo,

• Limpieza más fácil por el reducido área superficial en contacto con el producto,

• Descarga reducida de efluente durante CIP,

• Emisión reducida de producto, hasta un 10-20 mg/Nm3,

• Consumo reducido de energía, con un ahorro hasta el 15% del consumo de ener-gía,

• Nivel de ruidos reducido, debido a la caída de presión reducida sobre el sistema de aire de salida.

Aglomeración

La aglomeración quiere decir que las partículas pequeñas se adhieren entre sí forman-do un polvo que se compone de mayores conglomerados/aglomerados, factor esencial para una fácil reconstitución en agua.

Aglomeración mediante secado por atomización

Durante el proceso de secado por atomización el objetivo es producir partículas con una gran relación superficie/masa, i.e. partículas pequeñas.

Sin embargo, resulta difícil reconstituir en agua un polvo compuesto de partículas pe-queñas y se necesita un mezclado intenso para obtener la dispersión del polvo antes de disolverse totalmente. Grandes partículas exhiben una mejor dispersión, pero la solu-bilidad es afectada negativamente durante el proceso de secado, como se ha comenta-do en la pág. 125 en adelante.

Mediante la aglomeración se obtiene una buena dispersión, así como una disolución completa.

En el secado por atomización existen dos modos de aglomeración: la aglomeración espontánea y la forzada, ambos en una forma primaria y secundaria, ver Fig. 86:

La aglomeración primaria espontánea

es un resultado de una colisión casual y no-provocada de partículas en una sola nube atomizada, debido a partículas de diámetros distintos y con caminos distintos de des-aceleración. Tiene lugar en atomizadores por toberas así como rotativos. Ver Fig. 86a.

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Concentrado

Aire de secado

Finos

Fig. 87 Atomizador rotativo de retorno de finos "tipo viejo"

Aire enfriamiento

Finos

Conce- ntrado

Finos

Fig. 88 Retorno de finos forzado secundario para atomizador rotativo FRAD

Aire enfriamiento

Concentrado

Finos

Corriente rotativa de aire

Aire de secado

FinosConcentrado

Aire enfriamiento

Aire enfriamiento

Corriente puntual de aire

Fig. 89 Retorno de finos forzado secundario para atomizador de toberas

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La aglomeración primaria forzada

es una medida controlable para obtener productos aglomerados con propiedades espe-cíficas, mediante por ejemplo una colisión de partículas de dos ó más nubes atomiza-das, típicamente en una unidad de multi-toberas, donde la nube de cada tobera es for-zada a mezclarse con las de las otras toberas. Ver Fig. 86b.

La aglomeración secundaria espontánea

es un resultado de un efecto venturi en la entrada del aire de secado a la cámara, por el cual entran partículas sueltas secas en la nube húmeda atomizada. La colisión de par-tículas húmedas con partículas secas contenidas en el aire de salida cuando éste sale en contra-corriente del secador tipo MSD/IFD. Fig. 86c

La aglomeración secundaria forzada

constituye un medio controlable para obtener una aglomeración devolviendo los finos a la nube atomizador, mediante el retorno de finos. La aglomeración espontánea que siempre tiene lugar es reforzada por la aglomeración aplicada devolviendo los finos a la nube atomizadora. Los finos son por definición las fracciones procedentes de los ciclones o del filtro de mangas y consisten en las partículas más pequeñas que son de-vueltas al proceso. Las pequeñas partículas secas son introducidas en el secador cerca del atomizador donde se encontrarán y chocarán con las gotas húmedas atomizadas formando así aglomerados que se componen de muchas partículas adheridas entre si, y cuyo tamaño va de 100-500 micras, dependiendo de los parámetros elegidos. Ver Fig. 86d.

Debido a la configuración especial del aire en una planta MSD/IDF tiene lugar una considerable aglomeración espontánea, secundaria. Para obtener leche entera o des-cremada en polvo instantáneo de alta calidad es suficiente esta aglomeración espontá-nea, y sólo se devuelvan los finos al lecho fluido integrado, donde se convierten otra vez flotando en el aire y llegan a la zona de atomización. No obstante, es posible me-jorar aún más la aglomeración mediante una aglomeración forzada, primaria (colisión de nubes mezcladas procedentes de distintas toberas en una unidad de multi-toberas) y/o mediante un retorno de los finos a la zona de atomización (aglomeración forzada,secundaria). Se obtiene aún más flexibilidad mediante un diseño de la unidad atomi-zadora que permite una alteración de la distancia entre las toberas individuales o entre las toberas y la nube de retorno de finos.

Dependiendo del tipo de atomización, se diseña el retorno de finos de distintas mane-ras:

Para Atomización Rotativa

El objetivo es llevar los finos lo más cerca posible a la rueda del atomizador. Es-to puede lograrse desde abajo, ver Fig. 87, mediante un sistema de transporte a presión con un tubo de dosificación de 3-4" provisto de un distribuidor de finos al extremo dentro de la cámara de secado. Sin embargo, se formarán fácilmente

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depósitos en este tubo, a no ser que el dispersor de aire sea ajustado para preve-nirlo, ajuste que, por otro lado, no es necesariamente óptimo para el proceso de secado.

Por este motivo, en plantas modernas se introducen los finos desde arriba a tra-vés del dispersor de aire (Sistema FRAD) mediante 4 tubos de finos situados justamente encima de la nube del atomizador. Unas placas deflectoras en el ex-tremo de cada tubo de finos aseguran una introducción y distribución correcta de los finos. Ver Fig. 88.

Para Atomización por Toberas

El retorno de finos forma parte íntegra de la unidad de toberas, con el conducto de finos en el centro rodeado por toberas en la periferia. Los finos se introducen tangencialmente en el conducto distribuidor de finos o por un tubo central, ver Fig. 89. Las toberas pueden ser soldadas al vástago de tobera a un determinado ángulo, permitiendo así cambiar el punto de colisión girando el vástago de tobe-ra sobre su eje.

Separación

es el proceso de separar la parte de finos arrastrada en el aire principal de secado que sale de la cámara de secado. La eficiencia de una separación es determinada por la configuración del flujo de aire y las velocidades del aire en la cámara de secado; por eso está en íntima relación al diseño de la cámara y puede alterarse sólo marginalmen-te a condiciones normales de operación, por ejemplo mediante un ajuste del dispersor de aire y variaciones en la cantidad de aire de secado.

El polvo aglomerado sale por la base de la cámara, o del lecho fluido integrado, y en-tra en el Vibro-Fluidizador. Mientras desciende por las paredes del cono de la cámara, tiene lugar alguna estabilización de la ya inducida aglomeración. En el lecho fluido estático y/o el Vibro-Fluidizador el polvo se encuentra con una corriente de aire ca-liente la cual evapora el exceso de humedad, como en el caso del proceso de secado en dos etapas.

Atrición

se define como una destrucción parcial de los aglomerados en lechos fluidos o siste-mas de transporte de polvo dando lugar a una creación de finos y pequeños aglomera-dos (abrasión) ó bien de un número de partículas de tamaño menor (fragmentación). Este fenómeno frecuentemente ignorado es el resultado de una moción mecánica entre el aglomerado y otro cuerpo que puede ser las paredes del lecho u otra partícula. La causa más evidente de una atrición en lechos fluidos es una interacción partícu-la/partícula, ya que las velocidades entre las partículas pueden ser muy altas, causadas por altas velocidades de chorros de aire por los agujeros en la placa perforada que constituye el fondo del lecho fluido. Factores que afectan el grado de atrición es la ve-locidad del chorro determinada por la diferencia de presiones sobre la placa perforada, la velocidad de fluidización y el diseño en si de la placa perforada.

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ESTRUCTURA AGLOMERADO: Cebolla → Frambuesa → Uvas compactas → Uvas sueltas

CONTENIDO HUMEDAD PARTICULA A COLISION: Alto Bajo

ESTABILIDAD MECANICA: Alta Baja

DENSIDAD ESPECIFICA (sin atrición): Alta Baja

DENSIDAD ESPECIFICA (con atrición): Alta Baja Alta

PARTICULAS LENTAMENTE DISPERSIBLES: Muchas Pocas

DISPERSIBILIDAD (con atrición): Mala Buena Mala

Fig. 90a Estructura del aglomerado / Relación entre propiedades del polvo

Fig. 90b Aglomerado de estructura de 'cebolla'

Fig. 90c Aglomerado de estructura de 'uvas compactas'

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Clasificación

se define como la separación de finos en lechos fluidos. La eficiencia de clasificacio-nes se determina principalmente por la velocidad del aire fluidizante, pero también las características del diseño del lecho fluido son importantes para asegurar que los finos separados se mantengan suspendidos en el aire y arrastrados en el aire que sale del le-cho fluido.

Después del secado final el polvo entra en la sección de enfriamiento, donde es en-friado por medio de aire a temperatura ambiente, seguido de aire frío deshumectado. El polvo es finalmente pasado por un tamiz, donde cualquier partícula demasiado grande es eliminada. También es posible instalar un tamiz con dos mallas, a fin de remover de esta manera posibles partículas/aglomerados de diámetro pequeño. Esta fracción, junto con los finos, puede ser devuelta al atomizador, produciendo así un polvo de una granulometría bien definida de los aglomerados. La eliminación de los finos en lechos fluidos, sin embargo, se considera suficiente desde el punto de vista del producto, y las plantas con los tamices arriba mencionados son utilizadas sólo cuando se tiene que lograr una determinada especificación en un producto. La Fig. 90 muestra una disposición de planta para evaporación y secado por atomización.

Estructura del aglomerado y propiedades del polvo

Dependiendo del diseño y del ajuste del sistema de retorno de finos -especialmente la ubicación de la entrada de finos en relación al dispositivo atomizador- se obtienen dis-tintas estructuras del aglomerado, las que influyen ciertas propiedades del polvo, co-mo son densidad específica, estabilidad mecánica, dispersibilidad y partículas lenta-mente dispersibles.

La relación entre la estructura del aglomerado y las propiedades del polvo es ilustrada en la Fig. 90a.

Si los finos se introducen cerca del dispositivo atomizador el contenido de humedad de las partículas primarias resulta alto, y así la plasticidad y pegajosidad de las partí-culas. Las partículas finas pueden penetrar en las partículas primarias, o bien ser cu-biertas totalmente por el concentrado (Fig. 90b). Estos aglomerados se definen como siendo de una estructura de 'cebolla'. Cuando la colisión tiene lugar a una distancia progresivamente más larga, desde el dispositivo atomizador, se obtienen estructuras menos compactas de los aglomerados. Estas estructuras se definen como estructuras de 'frambuesas' y 'uvas' para describir su compacidad.

Los aglomerados de una estructura de 'cebolla' cuentan con una alta estabilidad mecá-nica y una alta densidad específica, pero a menudo aparecen lentamente dispersibles después de la reconstitución. También pueden recogerse durante las distintas pruebas de dispersibilidad en uso y así comprometer la estimación general de la calidad del producto.

Con estructuras progresivamente más sueltas de los aglomerados tiene lugar una re-ducción gradual de la densidad y estabilidad mecánica del producto, mejorando las

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propiedades instantáneas en general. Sin embargo, si por fin se obtiene una estructura de 'uvas sueltas', la estabilidad mecánica podría resultar tan baja que el polvo se con-vierte muy susceptible al fenómeno de atrición, lo que podría deteriorar las propieda-des instantáneas. Una estructura de 'uvas compactas' (Fig. 90c) se considera el com-promiso ideal dando un polvo con propiedades instantáneas buenas junto con una fuerza mecánica suficiente para permitir el transporte y empaquetadura necesaria.

La aglomeración se mejora con las siguientes medidas:

• Alto contenido en sólidos en la alimentación • Mayor cantidad de finos devueltos al atomizador • Introducción de los finos más cerca del atomizador • Menos distancia desde la tobera hasta la capa fluidizada en un lecho fluido estático • Más alto contenido de humedad en el polvo de la etapa primaria de secado • Mayores partículas primarias • Más baja temperatura de pasteurización de la leche previa a la evaporación

Después del tamiz el polvo no debe ser sometido a un duro transporte mecánico, ni mediante aire ni mediante tornillos mecánicos de movimiento rápido. Sin embargo, los sistemas modernos de vacío suave/velocidad baja se usan sin provocar demasiado daño a los aglomerados. No obstante, lo más aconsejable es instalar la planta a una al-tura que permita el llenado en sacos o en "tote-bins" por gravedad.

Aglomeración por rehumectación

Con frecuencia un polvo se convierte en un polvo instantáneo mediante una sola aglomeración, por cuyo motivo durante los últimos años se han venido desarrollando muchos procesos para la aglomeración de polvo normal compuesto de partículas nor-malmente obtenidas en plantas con sistemas de transporte neumático, como se ha des-crito en las pág. 117 y 143.

El desarrollo histórico empezó con el trabajo pionero del Sr. David D. Peebles a prin-cipio de los años cincuenta, y la leche en polvo instantánea sin grasa fue introducida en el mercado en 1954. Pronto este nuevo producto reemplazó a los productos secos existentes en el mercado. El instantaneizador de Peebles se ilustra en la Fig. 91.

En la Fig. 92 puede verse otro ejemplo de una planta de aglomeración por rehumecta-ción, que muestra el principio de un método desarrollado por la compañía Nestlé para la aglomeración de leche en polvo, bebidas con sabor a chocolate y sopas. Al aglome-rar leche descremada en polvo, el tanque (1) contiene una solución del 10% de sólidos de leche descremada en agua, enfriada a aprox. 6°C. El líquido es atomizado a una presión de 20 bar mediante la bomba (2) y la tobera (3) que está diseñada para lanzar un chorro horizontal a alta velocidad, de hasta 8 m/seg. La leche descremada en pol-vo, suministrada por un vibrador/alimentador sinfín (4), es dispersada sobre el chorro,

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Agua Producto

Salida aire caliente

Vapor

A post-secado

Fig. 91 Instantaneizador de Peebles

Fig. 92 Planta de aglomeración por rehumectación (Nestlé)

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dando lugar a una rehumectación de las partículas hasta alcanzar una humedad sufi-ciente para darle una superficie pegajosa, de modo que cualquier colisión entre las partículas provoque una aglomeración en la cámara (5). Finalmente el polvo se seca a 90°C, hasta una humedad del 3% (6) y es ensacado.

Los pasos principales del proceso de aglomeración por rehumectación son:

• Humectación de la superficie de las partículas • Aglomeración • Resecado • Enfriamiento• Tamizado

Humectación

La humectación de la superficie de las partículas se realiza con aire húmedo, vapor, agua atomizada -pura o con sólidos de leche-, azúcar o bien otros componentes solu-bles. Asimismo el agua puede contener aditivos como por ejemplo vitaminas (solubles en agua), minerales, colorantes y agentes tensoactivos. La atomización del agente humectante puede llevarse a cabo mediante toberas o un atomizador rotativo. Si se usa un atomizador rotativo con dos tubos de alimentación, es posible utilizar una combi-nación de vapor y agua o utilizar dos agentes humectantes que no deben mezclarse.

Si el producto en sí es insoluble, puede disolverse un adhesivo en el agente humectan-te. De esta manera se consigue que productos, en otros casos imposibles de aglomerar, puedan ser aglomerados a satisfacción.

Aglomeración

El proceso de aglomeración, en el cual las partículas húmedas y pegajosas chocan en-tre sí debido a la turbulencia formando aglomerados, es una parte esencial del proceso de rehumectación.

Los productos en polvo con diferentes composiciones reaccionan distintamente duran-te el proceso de rehumectación y aglomeración, por lo que se necesitan distintos equi-pos para obtener una aglomeración óptima.

En principio existen dos métodos para realizar la aglomeración:

• La aglomeración por gotitas

• La aglomeración superficial

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Agua caliente

Aire caliente

Fig. 93 Sistema de alimentación para planta de rehumectación (mediante agua caliente atomizada en un atomizador)

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La aglomeración por gotitas

En este proceso, las partículas de polvo son humectadas con gotitas de un líqui-do atomizado desde una tobera o un atomizador rotativo, ver Fig. 93, mientas están suspendidas en el aire. El polvo puede introducirse alrededor del atomiza-dor rotativo o de la tobera, por gravedad o por transporte neumático, o bien des-de abajo mediante un transporte a presión.

La aglomeración en sí tiene lugar mediante una colisión entre las partículas humectadas y pegajosas en su superficie, y al alcanzar la pared de la cámara de aglomeración, las partículas bajan rodando, obteniendo así el grado de compac-tación deseado de los aglomerados.

La aglomeración por gotitas puede también realizarse rociando el agente humec-tante con un número de toberas situadas justamente encima de la capa de polvo fluidizada en un Vibro-Fluidizador. Para obtener aglomerados estables el polvo debe contener suficiente material aglutinante, como carbohidratos.

Algún polvo (con un alto contenido de grasa y azúcar) se vuelve tan pegajoso durante la humectación que llegan a formarse depósitos en la parte cónica de la cámara de aglomeración. Un rascador mecánico rotativo, o equipo similar, es necesario para sacar el polvo de la cámara. Otra solución, técnicamente mejor, es una cámara de aglomeración cuya parte cónica gira lentamente, provista de un rascador estático para quitar el polvo. El cono giratorio se usa principalmente si el polvo contiene cereales y almidón, como son alimentos infantiles.

El proceso de aglomeración por gotitas es especialmente apropiado para produc-tos en polvo que contienen grasa, como por ejemplo leche entera en polvo, y pa-ra polvos con un alto contenido de azúcar, como mezclas de cacao-leche-azúcar. Si se produce leche entera en polvo instantáneo soluble en agua fría, se instala un equipo de dosificación de lecitina entre dos Vibro-Fluidizadores (ver pág. 237). Sin embargo, cabe mencionar que la calidad del producto final nunca re-sultará tan buena como la del producto obtenido en una planta de secado provis-ta de retorno de finos, lechos fluidos y equipo de dosificación de lecitina.

La aglomeración superficial

En este proceso, se usa como agente humectante vapor o aire caliente y húmedo de alta humedad relativa. La superficie de las partículas secas es humectada por la condensación de vahos de agua en las partículas más frías, la que crea la pe-gajosidad necesaria para la aglomeración. La aglomeración siguiente tendrá lu-gar, si las partículas reciben suficiente tratamiento mecánico. Este tratamiento puede obtenerse p.ej. en un tubo con vórtice, con entrada tangencial del medio humectante, introduciendo el polvo a ser aglomerado alrededor del eje central. Es muy importante que el aire húmedo/vapor usado para la rehumectación no

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Aire caliente

Producto

Agua

Fig. 94 Sistema de alimentación para planta de rehumectación. Humectación mediante aire húmedo caliente

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contenga gotitas de agua, ya que esto, en combinación con el tratamiento mecá-nico intensivo, dará lugar a aglomerados sobre-humectados que resultarán de-masiado compactos para una rápida hidratación.

Normalmente el aire caliente y húmedo se produce introduciendo vapor en aire caliente a una determinada temperatura para obtener una humedad relativa del 100%. Si hay gotitas de agua, éstas se eliminan en un colector de gotas, y a con-tinuación el aire es calentado de nuevo para asegurar la humedad relativa desea-da. Al variar la temperatura del aire antes de la inyección de vapor y por tanto la temperatura del aire, es posible obtener una temperatura y humedad relativa da-das. Ver Fig. 94.

La aglomeración superficial se usa especialmente para leche descremada, cuan-do se desea obtener grandes aglomerados. Las propiedades del producto final dependen en gran parte a la materia prima usada para la rehumectación. A conti-nuación se indica una especificación para un polvo base recomendable:

Densidad específica, golpeado 1250x: 0,80 g/cm3

WPNI: 2-3 mg/g polvo *) Indice de insolubilidad: < 0,1 ml Densidad de partícula: 1,35 g/cm3

Tamaño promedio de partícula: aprox. 50 µm Cantidad sobre 100 µm: máx. 25% *) correspondiente a una temperatura de pasteurización

de ≈ 90°C previa a la evaporación.

La aglomeración superficial sirve también para leche entera en polvo, pero los aglomerados resultarán demasiado compactos para dar un polvo con buenas propiedades de rehidratación.

Resecado

Puesto que el polvo base empleado para aglomeración es rehumectado para obtener la superficie característica deseada con una óptima pegajosidad, hay que eliminar otra vez la humedad excesiva para alcanzar el contenido de humedad especificado.

Los aglomerados pueden romperse otra vez, si sufren un tratamiento mecánico fuerte, como por ejemplo, un sistema de transporte neumático. Por lo tanto es necesario rea-lizar el secado en un Vibro-Fluidizador, según indicado en la pág. 119. Sin embargo, el polvo rehumectado tiene forma de una capa de nieve húmeda al entrar el Vibro-Fluidizador, y por eso se necesita una velocidad de aire bastante alta para fluidificar el polvo. En caso contrario, se formarían grumos dando lugar a una eficiencia reducida del Vibro-Fluidizador.

Enfriamiento

Igual que el caso anterior, el enfriamiento debe tener lugar en un Vibro-Fluidizador.

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Vapor/agua

Agua

Materia prima

Fig. 95 Planta Niro de aglomeración por rehumectación de multi-propósitos

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Tamizado

Normalmente existen normas bien definidas acerca de la granulometría de los aglome-rados en el polvo final, por lo que es necesario tamizar el polvo. Esto se realiza en un tamiz con dos mallas de diferente tamaño, colocadas una encima de la otra. De esta forma se elimina cualquier aglomerado/grumo considerado demasiado grande para el producto final. Esta fracción excesiva puede ser molida y recirculada al proceso. El polvo que pasa a través de la malla superior puede ser fraccionado en la malla infe-rior, formando una fracción de finos que consiste en partículas y aglomerados dema-siado pequeños. Esta fracción, junto con la fracción procedente del ciclón del Vibro-Fluidizador, es recirculada al proceso.

El sistema de alimentación del polvo está compuesto de un silo y un sinfín de veloci-dad variable. Mediante una válvula rotativa especial de paso directo, el polvo es in-troducido en una línea de aire a alta presión que lo conduce a la sección de aglomera-ción.

Normalmente las instalaciones deberán ser flexibles en cuanto a producto se refiere. Por lo tanto es frecuente ver una instalación con ambos métodos de aglomeración en la misma planta. También es muy sencillo incorporar el cono giratorio en la planta, permitiendo así una aglomeración de cualquier producto lácteo. Por supuesto, el pro-ceso puede incluir también una lecitinación, si se desea obtener productos con grasa solubles en agua fría. La Fig. 95 muestra un diagrama de flujo de una planta de rehu-mectación NIRO con todos los sistemas arriba mencionados.

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La Economía Térmica en laProducción de Leche en Polvo

Después del estudio anterior de los factores principales que influyen en la economía térmica de los equipos individuales, procedemos ahora a observar la compleja línea de producción. Una cantidad considerable de calor va a la atmósfera en forma de conden-sados calientes procedentes del evaporador y aire caliente procedente del secador. Existen varias posibilidades para aprovechar este calor:

• Precalentamiento • Recuperación del calor • Otros medios para ahorrar energía

Precalentamiento

Precalentamiento del aire de secado con condensados

Desde el evaporador con recompresión térmica de vahos (RTV) se descarga una can-tidad considerable de condensados con una temperatura de 50-70°C dependiendo de la etapa del evaporador de donde los condensados se originan.

Un método muy simple consiste en aprovechar dicha energía para el precalentamiento del aire de secado. Los condensados de la primera etapa del evaporador de una tempe-ratura alrededor de 70°C se devuelven normalmente a la caldera de vapor, donde son usados como agua de alimentación. Esto es una ventaja porque los condensados están calientes y dulces. Pero también los condensados de las últimas etapas pueden usarse. La temperatura típica es 56°C, ver Fig. 96.

De un evaporador de cuatro efectos trabajando junto con una planta de secado de dos etapas con una temperatura del aire de secado de 230°C, según descrito en pág. 143, se puede obtener unos 12.000 kg/h de condensados a 56°C.

El aire de secado es precalentado a 47°C lo cual reduce el consumo de fuel a 170 kg/h, sin embargo, se necesitan una bomba y un ventilador de impulsión más grandes debido a la mayor caída de presión sobre el sistema. Las cifras mencionadas a conti-nuación ilustran el ahorro neto total:

Aire ambiente precalentado de 10°C a 47°C Condensados enfriados de 56°C a 32°C:

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Sin Precalentador: Consumo de fuel: 205 kg/h Consumo de vapor: 167 kg/h Consumo de electricidad: 152 Kw correspondiente a 1.280 Kcal/kg de polvo

Con Precalentador: Consumo de fuel: 170 kg/h Consumo de vapor: 167 kg/h Consumo de electricidad: 159 Kw correspondiente a 1.090 Kcal/kg de polvo es decir un ahorro del 15%.

Otra ventaja es que los condensados se enfrían a 32°C, por lo que pueden ser llevados directamente a una planta para depuración bacteriológica de agua residual, donde no se permiten temperaturas demasiado altas.

Comparando con el ahorro obtenido en el proceso de una etapa, será de aproximada-mente un 32%.

En los evaporadores tipo RMV con precalentamiento/tratamiento térmico de la leche de 5°C a 72°C la energía aplicada a través del compresor es justamente suficiente para la evaporación y una temperatura de descarga del concentrado de ≈50°C y los conden-sados a ≈10°C. Sólo si se desea un tratamiento térmico a una temperatura superior a 72°C -usando vapor adicional- la temperatura de los condensados será suficientemen-te alta para usarse para el precalentamiento del aire de secado.

Precalentamiento del aire de secado con los vahos del evaporador

Los vahos del último efecto del evaporador (temp. 45-50°C) pasan normalmente a un intercambiador de calor tubular, donde los vahos son enfriados mediante el producto frío entrante, el que es calentado otra vez. Los vahos pasan a un condensador, donde se condensan usando agua de enfriamiento procedente de una torre de enfriamiento o de un depósito natural de agua.

Es obvio aprovechar el aire de secado en lugar del agua de enfriamiento en un inter-cambiador de calor para condensar los vahos y al mismo tiempo precalentar el aire de secado.

En un evaporador de cuatro efectos trabajando junto con el secador de dos etapas a una temperatura de secado de 230°C, descrito en pág. 149, hay unos 800 kg/h de va-hos disponibles con una temperatura de unos 47°C. Sin embargo, con 31.500 kg/h de aire a 10°C es posible condensar solamente 400 kg/h. Por lo tanto, se necesita un con-densador adicional que trabaja con agua. Otra desventaja del sistema es el hecho de

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Fig. 97 Diagrama de humedad para aire-agua (juego de curvas adiabáticas basadas en agua de 45 C)o

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que el condensador adicional debería contar con una capacidad suficiente para mane-jar la capacidad adicional, si la temperatura ambiente aumenta. Además, durante el arranque del evaporador es necesario hacer funcionar por lo menos los ventiladores de la planta de secado para asegurar condiciones constantes en el evaporador. Por consi-guiente, en la práctica no se usa este método para ahorrar energía, sino está incluido solamente porque existe un patente que describe la posibilidad.

Recuperación de Calor

Lavador vía húmeda ("Wet Scrubber")

Existen distintas posibilidades para recuperar el calor contenido en el aire de salida. Si el lavador vía húmeda, que se describe en pág. 107, trabaja con leche o suero como medio de lavado, se obtiene al mismo tiempo una evaporación. El objeto principal de un lavador vía húmeda es, por supuesto, evitar la contaminación del medio ambiente mediante la recuperación del polvo arrastrado con el aire de salida. Sin embargo, en el lavador se enfría el aire de salida desde la temperatura de salida hasta la temperatura de bulbo húmedo, es decir a unos 45°C, y se puede así aprovechar el calor para una pre-evaporación de la leche antes de su entrada en el evaporador. La influencia del la-vador en el ahorro total de calor en la línea de producción es considerable, y el ahorro junto con la recuperación de producto llega a cubrir los costos de la operación inclu-yendo una amortización relativamente breve de la inversión.

Para ilustrar el proceso de evaporación se usa un diagrama I-X. Ver Fig. 97. El punto de partida es la condición del aire que entra en el lavador. Este aire contendrá hume-dad, debido a la humedad siempre presente en el aire ambiente (por ejemplo 7 gr./kg aire seco), y también debido a la evaporación de agua durante el proceso de secado (por ejemplo 42 gr./kg de aire seco con secado en dos etapas y una temperatura de en-trada al secador de 230°C, ver pág. 143). La suma será alrededor de 50 g de agua por kilogramo de aire seco (Punto A). Con una temperatura de salida del seca-dor/temperatura de entrada al lavador de 80°C y una temperatura de salida del lavador de 50°C, se obtiene un contenido de humedad de 65 gr./kg de aire seco (Punto B), ya que la curva seguirá las líneas adiabáticas. La evaporación es, por lo tanto, 65 gr. - 50 gr. = 15 gr. de agua por kilogramo de aire seco.

Como el lavador tiene un total de 42.000 kg de aire, incluyendo el aire del Vibro-Fluidizador, obtenemos una evaporación de 630 kg/h de agua o el 3,5% de la evapora-ción total de agua en el sistema de deshidratación.

No obstante, los ahorros de calor se logran sólo cuando el lavador puede funcionar utilizando el producto como líquido lavador. Esto es el caso de la leche descremada y el suero. Cuando se produce leche entera en polvo se usa agua como líquido lavador.

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La temperatura en el lavador ofrece condiciones favorables para el desarrollo de bac-terias, por lo tanto, se puede esperar un desarrollo bacteriológico si la leche no es de primera calidad. Pero si se maneja el equipo de acuerdo con el manual de instruccio-nes, es decir una limpieza intermediaria después de 10 horas, la actividad bacterioló-gica será mínima, ya que el tiempo de retención es considerablemente más corto que el tiempo de generación de las bacterias.

Como en el caso del precalentamiento mediante condensados, el sistema del lavador ofrece múltiples ventajas, ya que, además de la recuperación de polvo, considera el problema de contaminación, y además el sistema tendrá una capacidad de evaporación importante. Pero se pierda otra vez una parte de esta ventaja debido a la necesidad de una limpieza intermedia después de 10 horas. Por consiguiente, no se usan mucho en la industria los lavadores húmedos con circulación de producto.

Aparte del secado en dos etapas solamente es posible utilizar los sistemas de ahorro energético arriba descritos cuando el evaporador y el secador trabajan simultáneamen-te. Sin embargo, en algunos casos el secador trabaja independientemente del evapora-dor. Por eso trabajan en desarrollar un recuperador de calor, sólo para la planta de se-cado.

Recuperadores de calor

El objetivo de los recuperadores de calor es transferir el calor contenido en el aire de salida, que tiene una temperatura de 80-95°C, y aprovecharlo por ejemplo para preca-lentar el aire de secado. Pero también es posible usar este calor recuperado para calen-tar el aire ambiente, o bien el agua para limpieza. A continuación describiremos sola-mente el precalentamiento del aire de secado.

En principio, existen dos tipos de recuperadores:

• Aire-a-aire

• Aire-líquido-aire

Ambos sistemas están situados después del separador de finos. Sin embargo, instalan-do un filtro de mangas antes del recuperador de calor se puede aumentar la eficiencia, ya que no es posible evitar completamente la formación de depósitos en la superficie de calor, aunque se hayan seleccionado las correctas velocidades para el aire cargado con polvo fino. Es posible operar el recuperador durante varios días sin limpieza, pero si fuera necesaria, ésta se realizaría mediante un sistema CIP incorporado.

Si el recuperador de calor está diseñado para enfriar el aire de salida hasta una tempe-ratura inferior a la de condensación (dependiendo del contenido en humedad por kilo de aire seco), se usa también la entalpía de condensación para el precalentamiento. En este caso se instala un filtro de mangas antes del recuperador de calor para impedir

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Aire enfriado

Aire caliente

Aire precalentado

Entrada CIPRetorno CIP

Aire frío

Fig. 98 Recuperador de calor, tipo aire-a-aire

Fig. 99 Secador de una etapa con recuperador de calor tipo aire-a-aire

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depósitos en la zona entre la zona seca y la húmeda. Así pueden obtenerse ahorros aún mayores que los descritos a continuación, ya que todos están calculados sin condensa-ción.

Recuperador de calor tipo aire-a-aire

En el recuperador de calor tipo aire-a-aire, ver Fig. 98, el aire de secado es precalenta-do mediante el aire de escape que pasa en contra-corriente sobre la superficie del re-cuperador. Esta superficie está formada por un número de tubos, por cuyo interior pa-sa el aire de salida y por el exterior, el aire frío.

La incorporación de este equipo en una planta existente puede resultar difícil y costo-sa, ya que se necesitan largos conductos de aire en los cuales se pierde parte de la energía recuperada debido a la radiación, si dichos conductos no están debidamente aislados.

Por lo tanto, esto tipo de recuperador de calor se usa normalmente en nuevas instala-ciones en las que es posible prever una disposición óptima de los equipos. Ver Fig. 99.

La temperatura que se puede obtener después del precalentador, por supuesto, depen-de de la temperatura del aire de salida del secador. Por eso, este tipo de recuperador de calor es más ventajoso en combinación con el proceso de secado de una etapa, en el que la temperatura de salida es alta. Las cifras abajo indicadas se basan en una plan-ta de secado de una etapa semejante a la primera planta en la tabla en pág. 143.

Aire ambiente calentado de 10°C a 52°C Aire de salida enfriado de 93°C a 51°C:

Sin Recuperador: Consumo de fuel: 175 kg/h Consumo de energía: 120 Kw correspondiente a 1.595 Kcal/kg de polvo

Con Recuperador: Consumo de fuel: 140 kg/h Consumo de energía: 135 Kw correspondiente a 1.305 Kcal/kg de polvo o sea un ahorro del 18%

Recuperador de calor, tipo aire-líquido-aire

Otro sistema, más flexible desde el punto de vista de instalación, es el recuperador ti-po aire-líquido-aire, ver Fig. 100. El sistema está dividido en dos intercambiadores de calor entre los cuales se recircula un líquido transmisor de calor, por ejemplo agua, ver Fig. 100a. Si se prevé que la temperatura del agua en invierno puede bajar de cero, se necesita un agente anticongelante en el agua. Como el coeficiente de transmisión de

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Aire caliente

Aire precalentado

Aire frío

Aire enfriado

Entrada CIP

Retorno CIP

Fig.100 Recuperador de calor tipo aire-líquido-aire

Fig. 100a Secador de una etapa con recuperador de calor tipo aire-líquido-aire

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calor es mayor para aire/líquido que para aire/aire este sistema resulta también más eficiente a pesar de que se necesitan dos superficies de calor.

La superficie de transferencia térmica en el aire de salida se compone de un haz de tu-bos dentro de los cuales pasa el aire cargado con polvo fino. En el exterior de los tu-bos fluye agua en contra-corriente. La superficie de transferencia térmica en el aire de entrada consiste normalmente en un intercambiador de calor tubular de aletas. El agua es recirculada mediante una bomba centrífuga.

En una instalación de este tipo se puede obtener el siguiente ahorro de calor si el pro-ceso de secado es de una etapa:

Aire ambiente calentado de 10°C a 60°C Aire de salida enfriado de 93°C a 44°C:

Sin Recuperador: Consumo de fuel: 175 kg/h Consumo de energía: 120 Kw correspondiente a 1.595 Kcal/kg de polvo

Con Recuperador: Consumo de fuel: 130 kg/h Consumo de energía: 142 Kw correspondiente a 1.225 Kcal/kg de polvo o sea un ahorro del 23%

En caso de usar calentadores del aire tipo indirecto a fuel o gas, se puede pasar el lí-quido de transferencia térmica -después de haber pasado por el intercambiador de ca-lor para el aire de salida- a través de un intercambiador de calor instalado en el con-ducto de aire de combustión, obteniendo así un ahorro adicional.

Otras Formas de Ahorro Energético

Cuando se diseña una nueva fábrica para leche en polvo, existe un método muy sim-ple para precalentar el aire de secado, y éste consiste en situar los filtros de aire de en-trada dentro del edificio del secador. Así, el aire entrante absorbe el calor irradiado del secador, y posiblemente también el calor del evaporador y del resto de los equipos, especialmente si la entrada de aire está colocada en la parte superior y el filtro de aire en la parte inferior del edificio, o bien viceversa. Una desventaja potencial de este mé-todo es el peligro de que aire frío del exterior pueda llegar a algunas partes que no se desea enfriar, por ejemplo los ciclones, provocando el riesgo de condensación y depó-sitos. Además, el aire nuevo absorbe no sólo el calor sino la humedad, haciendo que se aumente la temperatura del aire de salida. Esto implica una capacidad menor.

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En caso de usar calentadores tipo indirecto a fuel o gas, será posible instalar un recu-perador de calor para el aire de proceso/aire de combustión directamente en el calen-tador de aire. La temperatura típica del aire de combustión es de >300°C, pero la can-tidad en kg/h resulta baja; además existe el riesgo de que parte del aire de combustión en un intercambiador de calor con fugas sea introducido en la corriente del proceso. Como una alternativa se puede usar un intercambiador de calor con recirculación del agua.

Todos los sistemas de intercambio de calor antes mencionados trabajan al mismo ni-vel de temperaturas, y por eso no pueden usarse simultáneamente.

Otro método para ahorrar energía es asegurar que los equipos necesarios para la pro-ducción de leche en polvo se pongan en marcha en la secuencia correcta, es decir que el secador no tenga que "esperar" el concentrado. Así se puede evitar un desperdicio considerable de energía. Una instrumentación computarizada con arranques automáti-cos de los equipos contribuye a la solución de tales problemas.

Cuando se vende la leche en polvo, ésta debe cumplir siempre con las normas fijadas para el contenido máximo de humedad, que en la mayoría de países es del 4% para le-che descremada. Durante el almacenaje del polvo siempre tendrá lugar alguna absor-ción de humedad dependiendo de las condiciones ambientales y del material de enva-sado. Para compensar este aumento en humedad es preciso producir el polvo con un contenido de humedad inferior al especificado. Por supuesto, cuanto más cerca puede llegar el fabricante al límite, mayor es el ahorro energético, ya que el contenido de humedad en el polvo está en relación directa con la temperatura de salida: cuanto ma-yor es el contenido de humedad tanto mayor es la capacidad/Kcal.

Para decidir el sistema de recuperación de calor a seleccionar, deben considerarse las condiciones locales, p.ej. los precios del vapor, fuel y electricidad. Además deben considerarse los diferentes niveles del tipo de interés. Por consiguiente, se debe en ca-da caso evaluar cual solución será la óptima para obtener una amortización del capital invertido en el plazo más breve posible.

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Métodos de Análisis Calidad de Leche Cruda, Concentrado y

Propiedades del Polvo

Cuando se produce leche en polvo para uso comercial es necesario cumplir con ciertas normas, tanto bacteriológicas, químicas como físicas. Evidentemente, la calidad del producto final es una función de la calidad de la leche cruda. Es imprescindible, por lo tanto, para una producción rentable contar con una leche de la primera clase y poder analizar la leche así como el producto en polvo para averiguar si cumplen con los re-querimientos, establecidos frecuentemente por las autoridades oficiales para la expor-tación o bien directamente por el gobierno.

En este capítulo se describen los métodos de análisis más comunes, y se estudia como modificar los parámetros de proceso relevantes para cambiar aquella propiedad parti-cular que no cumpla la norma.

Calidad de Leche Cruda

Leche descremada

La leche debe ser fresca, máx. 48 horas de edad, almacenada a una temperatura máxima de 5°C, y no debe ser sometida a ningún otro tratamiento excepto:

• Separación de la crema/limpieza por centrifugación • Un tratamiento térmico a máx. 72°C durante 15 seg. La leche debe ser de una calidad igual a "class A", libre de aditivos y sólidos suspen-didos (filtrada 100 micras), de una especificación típica como sigue:

- Sólidos totales: aprox. 9% - Gérmenes totales: máx. 250.000/ml - Cuento termófilo: máx. 100/ml - Cuento esporas termófilas: máx. 10/ml - Sedimentos: máx. 0,5 mg - pH: entre 6,6 y 6,8 - Acidez titulable: máx. 0,15% ácido láctico - Acido láctico: máx. 10 mg/100 ml - Contenido de proteínas: entre 37% y 38% a SNF - Contenido de grasa: máx. 0,05% - Gases incondensables: máx. 0,02% por peso

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Leche entera

La leche debe ser fresca, máx. 48 horas de edad, almacenada a una temperatura máxima de 5°C, y no debe ser sometida a ningún otro tratamiento excepto:

• Separación de la crema/limpieza por centrifugación.�• Estandarización del contenido de grasa mediante una separación de la crema o

adición de leche descremada. • Un tratamiento térmico a máx. 72°C durante 15 seg. La leche debe ser de una calidad igual a "class A", libre de aditivos (excepto crema fresca para estandarización) y sólidos suspendidos (filtrada 100 micras), de una espe-cificación típica como sigue:

- Sólidos totales: aprox. 12% - Gérmenes totales: máx. 250.000/ml - Cuento termófilo: máx. 100/ml - Cuento esporas termófilas: máx. 10/ml - Sedimentos: máx. 0,5 mg - pH: entre 6,6 y 6,8 - Acidez titulable: máx. 0,15% - Acido láctico: máx. 10 mg/100 ml - Contenido de proteínas: entre 37% y 38% a SNF - Contenido de grasa: máx. 28% sobre sólidos totales - Gases incondensables: máx. 0,02% por peso

Suero dulce

El suero procede de la producción de queso de leche fresca de vaca, libre de cualquier aditivo. El suero será sometido a un solo pretratamiento, o sea una separación de grasa y partículas insolubles.

El suero corresponderá típicamente a la siguiente especificación:

- Sólidos totales: aprox. 6% - Prueba de finos de cuajada: máx. 200 mg/kg - pH: 6,3 como mín. - Acidez titulable: máx. 0,12% - Acido láctico: máx. 20 mg/100 g - Contendido de grasa: 0,05% máx. - Contenido de lactosa: 70% mín., 74% máx. a SNF - Contenido de proteínas: 12% como mín. a SNF - Contenido de calcio: máx. 300 ppm - Contenido de magnesio: máx. 100 ppm - Contenido de cloruro: máx. 1.200 ppm - Gases incondensables: máx. 0,02% por peso

NIRO A/S

- 192 -

Fig. 101 Comparación de acidez titulable basada sólo en el consumo de álcali

Fuerza NaOH

¼ N

1/10 N

1/9 N

Acidez

°S.H.

°N, °Th

°D

Alcali convertido a % “Acido láctico”

0.4

1

0.9

0.009

4.0

10

9.0

0.090

4.4

11

9.9

0.099

4.8

12

10.8

0.108

5.2

13

11.7

0.117

5.6

14

12.6

0.126

6.0

15

13.5

0.135

6.4

16

14.4

0.144

6.8

17

15.3

0.153

7.2

18

16.2

0.162

7.6

19

17.1

0.171

8.0

20

18.0

0.180

8.4

21

18.9

0.189

8.8

22

19.8

0.198

9.2

23

20.7

0.207

9.6

24

21.6

0.216

10.0

25

22.5

0.225

12.0

30

27.0

0.270

NIRO A/S

- 193 -

En el caso de almacenar el suero entre la fábrica de quesos y el proceso de evapora-ción a una temperatura superior a 10°C, el período de almacenaje no debe exceder una hora. Si la temperatura de almacenaje es inferior a 10°C, el período de almacenaje no debe exceder diez horas.

Análisis para Leche Cruda

Acidez (pH)

El pH es una medida de la actividad hidrogeniónica (H+) en soluciones acuosas. La medida más exacta del pH se obtiene electrométricamente mediante un medidor de pH. El pH en la leche fresca normal de vacas sanas es de 6,6±0,1. Los valores encima de 6,7 indican infecciones de mastitis, mientras que valores debajo de 6,5 indican la presencia de calostro o un deterioro bacteriano. Una leche con un pH variante no debe usarse para la producción de leche en polvo, ya que, muy probablemente, la estabili-dad térmica será inferior.

Acidez titulable

La acidez en la leche es medida p.ej. mediante una titulación con una solución de 0,1 n NaOH e indica el consumo de NaOH necesario para elevar el valor pH de 6,6 ± 0,1 (correspondiente a leche fresca) al valor pH de 8,2 - 8,4 (fenolftaleína).

El ácido láctico es un ácido orgánico con un ácido carboxílico, CH3-CHOH-COOH,que tiene un peso molecular de 90. Por lo tanto, 1 ml de 0,1 n NaOH corresponde a:

0,009=1000

0.1 x 90g de ácido láctico

Si, por ejemplo, la titulación requiere 14,5 ml de 0,1 n NaOH, el resultado suele ex-presarse como: 14,5 x 0.009 ≈ 0,13% ácido láctico (ver Fig. 101)

Sin embargo, la leche fresca prácticamente no contiene ácido láctico, y el consumo de NaOH se usa para cambiar el valor pH de los componentes siguientes:

Dióxido de carbono equivalente a 0,01% ácido láctico Citratos - 0,01% ácido láctico Caseína - 0,07% ácido láctico Albúmina/globulina - 0,01% ácido láctico Fosfatos - 0,03% ácido lácticoAcidez titulable equivalente a 0,13% ácido láctico

NIRO A/S

- 194 -

Vacío

100ml

25ml

C

A

B D

Fig. 102 Equipo de laboratorio para medir "Aire en el concentrado de leche"

NIRO A/S

- 195 -

Por lo tanto la determinación de la "acidez" en la leche fresca mediante titulación es, más que nada, una medición de la acción intermedia ("buffer") de la leche.

Por eso hay que hablar de la acidez desarrollada como resultado de la actividad bacte-riológica produciendo ácido láctico durante la recogida, transporte y tratamiento de la leche. Quiere decir que la acidez desarrollada será más pronunciada si la leche no se enfría.

Para obtener una mayor seguridad sobre el grado de acidez titulable o desarrollada hay que aplicar una determinación directa del ácido láctico durante el procesado. Esto se realiza para averiguar si alguno de los equipos instalados es responsable de la acidez que se desarrolla. Esta acidez expresa la actividad no sólo de las bacterias vivas des-pués de una posible pasteurización, sino también la actividad previa de las bacterias que han sido destruidas durante el tratamiento térmico.

Análisis para Concentrados de Leche

Contenido de aire en concentrados de leche

Se debe evitar de cualquier manera aire en concentrados, ya que perturba todo el pro-ceso de pre-tratamiento y secado del concentrado.

Es posible medir el contenido de aire en el concentrado mediante el equipo visto en Fig. 102. El aparato se pone bajo vacío mediante la tapa de vidrio y cerradas las llaves B, C y D y abierta la llave A. Llenar el sistema con solución de NaCl aspirándola en el aparato mediante una bomba de vacío, dejando vacío el contenedor de 100 ml y 1-2 ccm de aire en el tubo graduado de vidrio en el "lado de aire". Ahora llenar el concen-trado a probarse en el contenedor de 100 ml y cerrarlo. Anotar la cantidad de aire (de-be ser de 1-2 ccm) en el "contenedor de aire". Arrancar la bomba de vacío otra vez y abrir la válvula A lentamente. Mediante un cálculo proporcional de la expansión (en ml en los tubos de vidrio graduados) de la cantidad "conocida" de aire en el contene-dor de "aire" comparada con la expansión de la cantidad no conocida de aire en el concentrado, es posible calcular el contenido de ml de aire/100 ml de concentrado. Se hace referencia al Método de Análisis Niro No. B 4 a.

Solubilidad

Una medición del Indice de Insolubilidad normalmente tiene lugar para leche en pol-vo, ver pág. 209. Si por ejemplo no fuera posible detectar el problema de un Indice de Insolubilidad demasiado alto mediante un ajuste de los parámetros de secado, se re-comienda hacer la prueba en el concentrado. La cantidad de concentrado a usarse es calculada como sigue:

NIRO A/S

- 196 -

Peso A del producto

Desecador

Horno de secado

Peso B del producto seco

Fig. 103 Determinación de humedad

NIRO A/S

- 197 -

g concentrado = oconcentraddel%TS

100xpolvog

g polvo = 10 g leche descremada, 13 g leche entera, ó 6 g suero en polvo. El siguiente procedimiento es como para la prueba en el polvo.

Partículas quemadas

La medición se hace normalmente en leche en polvo, ver pág. 211. Si por ejemplo no fuera posible detectar el problema en el secador, en caso de una cantidad excesiva de partículas quemadas, se recomienda estudiar la tela filtrante en un microscopio. Si la partícula quemada no tiene una estructura como una "partícula atomizada", pero más la de un lomo de gelatina, el problema origina más probablemente de depósitos en los tubos del evaporador. Por eso se hace la prueba de Partículas Quemadas en el concen-trado. La cantidad de concentrado a usarse es calculada como sigue:

g concentrado = oconcentraddel%TS

100xpolvog

g polvo = 25 g leche descremada, 32,5 g leche entera, ó 15 g suero en polvo. El si-guiente procedimiento es como para la prueba en el polvo.

Análisis para Leche en Polvo

Humedad

Cualquier leche en polvo debe cumplir con una norma en cuanto a la humedad resi-dual. Para leche descremada es normalmente del 4% y para leche entera del 2,5%. Pueden haber naturalmente variaciones de un país a otro.

El contenido de humedad influye en la conservabilidad del polvo. Una alta humedad (alta actividad de agua Aw) reducirá dicha conservabilidad, ya que las proteínas se desnaturalizarán y la lactosa, en su estado amorfo, cristalizará provocando un aumento de la grasa libre en el polvo de leche entera y por consiguiente una oxidación de la grasa. La reacción Maillard, que es una reacción entre el grupo NH2 en el amino-ácido de lisina y lactosa, se vuelve más pronunciada, y el polvo puede incluso volverse ma-rrón y llegar a formar grumos. La reacción Maillard es directamente proporcional al tiempo de almacenaje, temperatura y contenido de humedad residual. La humedad puede ser controlada por la temperatura de salida del secador o aumentando la canti-dad de calor en el Vibro-Fluidizador. La absorción de humedad debe evitarse, y se re-comienda una deshumectación del aire de enfriamiento en zonas húmedas.

NIRO A/S

- 198 -

Llenar con polvo

100 ml

Peso del cilindro vacío

Golpeado

Densidad suelta

Densidad golpeada

Fig. 104 Determinación de la densidad específica del polvo

NIRO A/S

- 199 -

El envase debe ser de un material que impida la entrada de humedad. Siempre habrá alguna difusión de humedad (y la dirección de la difusión se determina por la presión del agua) y se recomienda almacenar el polvo en un lugar seco y fresco donde la pre-sión de los vahos sea baja.

La humedad residual se determina en un horno de secado por un método muy simple. El polvo es secado a 102-105°C durante tres horas. La diferencia en peso (es decir la pérdida en peso) se calcula y la humedad se determina como porcentaje del peso del polvo, ver Fig. 103.

También se han desarrollado varios métodos rápidos para determinar la humedad de un polvo. Se usa normalmente una potente lámpara de calor cuyo voltaje es ajustable. Este tipo de equipo nunca será tan preciso como el método del horno de secado, pero durante el funcionamiento de la planta ofrece una valiosa ayuda al operario quien puede obtener una rápida respuesta del laboratorio, y sobre esta base, determinar los parámetros apropiados de secado.

Un control automático del contenido de humedad es posible utilizando una luz infra-rroja. La reflexión producida de la muestra es directamente proporcional al contenido de humedad, y el resultado se usa para controlar la temperatura de salida mediante una regulación de la bomba de alimentación o del calor aplicado a la sección de calenta-miento del Vibro-Fluidizador.

Densidad ("Bulk Density")

La densidad de un polvo constituye una propiedad económica, comercial, y funcio-nalmente importante. Al transportar el polvo largas distancias, es naturalmente muy importante para los fabricantes obtener una alta densidad para reducir el volumen transportado. Una alta densidad ahorra también material de envasado y se reduce la capacidad de almacenaje.

Para algunos productos en polvo se requiere una baja densidad, obtenida mediante aglomeración, por razones ópticas, o debido a los requisitos en la producción de pro-ductos instantáneos.

La densidad se define como el peso de un determinado volumen de polvo y se expresa en g/ml, g/100 ml, o g/l. El valor recíproco es el volumen global que se expresa en ml/100 g o ml/g. El volumen global es aplicable cuando se emplea un vaso cilíndrico para la determinación. El volumen de 100 g de polvo es medido en el cilindro. En el otro método, que indica la densidad, se mide el peso del polvo en un cilindro de 100 ml. Por supuesto ambos resultados pueden ser convertidos al otro valor. Ver Fig. 104. El valor puede expresarse como golpeado 0 veces (suelto), golpeado 10 veces (verti-do), 100 veces ó 1250 veces. Diferentes equipos son empleados para el golpeo; se usa también el golpeo manual. La intensidad del golpeo naturalmente influirá en el valor.

NIRO A/S

- 200 -

NIRO A/S

- 201 -

La densidad de una leche en polvo es una propiedad muy compleja siendo el resultado de varias otras propiedades. Sin embargo, los principales factores que deciden la den-sidad son:

• Densidad de las partículas, dada por: - densidad de sólidos, una función de la composición del producto - contenido de aire ocluido en las partículas

• Cantidad de aire intersticial, es decir aire entre las partículas (aglomeración) • Fluidez

A continuación se estudian dichas propiedades.

Densidad de partículas/Aire ocluido

La densidad de partículas expresa la densidad de los sólidos del polvo y el aire oclui-do en las partículas. La densidad de los sólidos expresa la densidad sin aire y está de-terminada por la composición del polvo. Al conocer la composición y la densidad de los componentes se puede calcular la densidad de los sólidos (D sólidos) utilizando la siguiente fórmula:

W%+.etc+D

C%+

D

B%+

D

A%100

=SólidosD

CBA

(18)

donde %A, %B, %C son equivalentes a la composición y DA, DB, y DC la densidad de los sólidos correspondiente. %W es el porcentaje de humedad. La densidad de los só-lidos de diferentes componentes típicos en la leche en polvo son:

Sólidos, libre de aire y humedad: Densidad, g/ml a 20°C:Grasa de leche 0,94 Sólidos no grasos de leche 1,52 Complejo de fosfato-caseinato de calcio 1,39 Lactosa amorfa 1,52 Beta lactosa 1,59 Alfa lactosa monohidrato 1,545

No es posible cambiar la densidad de los sólidos de un polvo sin cambiar la composi-ción, y por eso es constante en un dado producto.

La densidad de partículas puede ser medida en un picnómetro de aire. Sin embargo, este equipo no está disponible en todos los laboratorios, y por eso se estudia aquí el método del éter petróleo. Una dada cantidad de polvo se añade a un dado volumen de éter petróleo en una probeta calibrada:

NIRO A/S

- 202 -

WPNImg / g

Low Heat

Medium Heat

High Heat

g / ccmDensidad específica golpeado 1250x

Fig. 105 La densidad bajo influencia de la temperatura de pasteurización (expresada en mg WPNI/g de leche descremada en polvo)

NIRO A/S

- 203 -

V-V

W=partículaD

21

(19)

donde:D partícula: densidad de partículas en g/ccm W partícula: peso del polvo en g V1 partícula: volumen de polvo + éter petróleo en ml V2 partícula: volumen de éter petróleo en ml

El contenido de aire ocluido se calcula como sigue:

sólidosD

100-

partículaD

100=Voa (20)

donde:Voa = Volumen de aire ocluido en c m3/100 g de polvo D partícula = Densidad de partícula, ver fórmula (19) D sólidos = Densidad de sólidos, ver fórmula (18)

La densidad de partículas para el valor recíproco del contenido de aire ocluido se ve influenciada por muchos factores anteriormente estudiados, que pueden resumirse como sigue:

• Temperatura de pasteurización de la leche antes de la evaporación • Cantidad de aire en el concentrado • Capacidad del concentrado de formar espuma • Tipo de rueda o tamaño de tobera usados • Contenido en sólidos en el concentrado • Condiciones de secado (secado en una o dos etapas)

Temperatura de pasteurización de la leche antes de la evaporación

La temperatura de pasteurización de la leche antes de su evaporación varía el grado de desnaturalización de las proteínas de suero y por lo tanto su estado físico y comporta-miento durante el secado. Una alta temperatura de pasteurización da lugar a numero-sas proteínas de suero desnaturalizadas, muy compactas y con distinta apariencia de las proteínas no-desnaturalizadas, de aspecto esponjoso. Las proteínas de suero no desnaturalizadas tienen mayor capacidad absorbente de agua. Por eso, se necesita una mayor ∆t o fuerza motriz para evaporar la última humedad dando lugar a un endure-cimiento superficial (formación de una cáscara dura). Un alto grado de desnaturaliza-ción por lo tanto provocará un bajo contenido de aire ocluido (alta densidad aparente y de la partícula) y viceversa. Ver Fig. 105.

NIRO A/S

- 204 -

NIRO A/S

- 205 -

Cantidad de aire en el concentrado

La cantidad de aire en la alimentación naturalmente dará un alto contenido de aire ocluido, especialmente si la temperatura del aire ambiente es alta durante la fase críti-ca del secado dando lugar a la formación de una cáscara dura. Ver pág. 127.

Capacidad del concentrado de formar espuma

La capacidad de un concentrado de formar espuma determina la cantidad de aire, bati-do en el concentrado, que permanecerá en el concentrado y en las gotitas. Ver pág. 127.

Tipo de rueda atomizadora o tamaño de tobera usados

Además de lo anterior, el tipo de rueda atomizadora y la tobera influyen en la cantidad de aire que será batido en el concentrado.


La concentración del concentrado de alimentación desempeña un papel importante, y una alta concentración da un bajo contenido de aire ocluido.

Condiciones de secado (secado en una o dos etapas)

Las condiciones de secado y la temperatura de la partícula durante el secado son fac-tores principales. Un secado suave con baja temperatura como en el proceso de secado en dos etapas, da lugar a un bajo contenido de aire ocluido.

Aire intersticial

Esta propiedad también es muy compleja. A menor aire intersticial (el aire que ocupa el espacio entre las partículas/aglomerados) mayor la densidad ("bulk density").

La cantidad de aire intersticial es determinada por la granulometría y el grado de aglomeración. El contenido de aire intersticial puede calcularse como sigue:

partículaD100

-polvoD100

=Via (21)

donde:Via = Volumen de aire intersticial en c m3/100 g de polvo D polvo = Densidad de polvo (golpeado 100 veces) en g/ m3, pág. 199 D partícula = Densidad de partículas en g/c m3, ver fórmula (19)

Un polvo que tiene partículas de diámetro igual sería ideal con vista al secado, pero no es deseable con vista a la densidad, ya que el espacio de aire (aire intersticial) entre las partículas será muy grande y la densidad, por consiguiente, muy baja. Lo ideal es

NIRO A/S

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Cubierta plástico

Tuerca 3/8 - 16 UNC

Arandela S S Ancho = 2

10 Hole

Pulido grano 180 Vástago de metal

Material: 1 mm AISI 304

Fig. 106 Aparato para medir la fluidez

NIRO A/S

- 207 -

una granulometría muy amplia con muchas partículas pequeñas que llenarán el espa-cio entre las partículas medianas y grandes dando lugar a un polvo de una alta densi-dad aparente ("bulk density"). Sin embargo, hay un límite acerca de lo pequeño que deben ser las partículas desde un punto de vista de una recuperación, y además, un polvo de muchas partículas pequeñas será pulverulento. Las partículas pequeñas tam-bién tendrán una influencia negativa en la fluidez.

Por lo tanto se desea obtener una granulometría más amplia predominando las partícu-las grandes. Esto se obtiene con un alto contenido en sólidos y/o una alta viscosidad, mediante una reducción de la velocidad de la rueda atomizadora o de la presión de las toberas a presión, o bien mediante el uso de toberas de mayor tamaño. Sin embargo, el resultado no será muy satisfactorio en un secador de una etapa, donde las partículas mayores requieren temperaturas de salida más altas, y se aumenta, por lo tanto, el con-tenido de aire ocluido por las razones ya estudiadas (la formación de una cáscara du-ra). Por eso, si se requiere un polvo de muy alta densidad hay que aplicar el proceso de secado en dos etapas.

Como ya se comentó, el polvo saldrá de la cámara ligeramente aglomerado debido a la aglomeración primaria. En un secador de una etapa con sistema de transporte neumá-tico el problema no existe debido al tratamiento mecánico posterior. Pero en el proce-so de secado en dos etapas, la aglomeración primaria es significante, y la aglomera-ción se intensifica al ser el polvo más termoplástico. Como el tratamiento mecánico en el Vibro-Fluidizador es muy suave, los aglomerados no se rompen. Por eso se re-comienda un sistema de transporte a presión, si se desea obtener un polvo de muy alta densidad. Sin embargo, se debe recordar que la aglomeración primaria tiene una in-fluencia positiva en la fluidez del polvo.

Se ha observado que el polvo recién producido presenta una densidad baja, la cual aumenta varios días después de la producción. Este fenómeno se debe a la carga elec-trostático del polvo, que provoca una aparente "aglomeración" de las partículas. Des-pués de algún tiempo el polvo perderá la carga y se comportará normalmente. Una toma de tierra eficaz de todas las partes del equipo puede contribuir a la solución de este problema.

Fluidez

La fluidez de un polvo no se comprende totalmente. Al mezclar entre sí dos polvos que flotan libremente no producirán necesariamente un polvo de buena fluidez. Una alta fluidez se obtiene de un polvo con grandes partículas o aglomerados que carecen de pequeñas partículas - pero esto tenderá a disminuir la densidad ("bulk density"). La superficie de la partícula también desempeña un papel importante, y sobre todo el contenido de grasa libre. Generalmente el uso de toberas dará lugar a partículas con mejores propiedades de fluidez que el uso de una rueda atomizadora, especialmente para leche entera en polvo. Una buena fluidez aumentará especialmente la densidad de un polvo vertido o suelto.

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- 208 -

Disolución del polvo en agua

Dilución con agua

CentrifugaciónCentrifugación

Fig. 107 Determinación del Indice de Insolubilidad

NIRO A/S

- 209 -

Se ha estudiado a fondo el desarrollo de un método idóneo para medir la fluidez; al-gunos métodos miden el ángulo de reposo de una determinada cantidad de polvo, mientras otros métodos miden el tiempo que tarde un polvo en abandonar un embudo con una determinada abertura. Pero todos los métodos tienen en común el que pueden ser utilizados para polvos de una alta fluidez, mientras que no son aplicables si el pol-vo tiene una baja fluidez. Además el resultado es afectado por las condiciones del am-biente, especialmente la humedad del aire.

Existe, no obstante, un método desarrollado por NIRO que es aplicable para cualquier tipo de polvo. Con este método se mide el tiempo que tarda un determinado volumen de polvo en abandonar un tambor rotativo a través de sus aberturas. Ver Fig. 106.

Solubilidad

Es evidente que la leche en polvo tiene que ser soluble en agua. Sin embargo, no to-dos los componentes de un polvo son solubles al reconstituirse en agua. Con los seca-dores modernos la cantidad es muy pequeña, y se aproxima a una solubilidad del 100%. No obstante, todavía se producen polvos de baja solubilidad, y cualquier seca-dor manejado incorrectamente puede producir así un polvo de baja solubilidad.

El método para medir la solubilidad es muy simple, bien definido, y fácil de llevar a cabo:

Se mezclan 10 g de leche descremada en polvo, 13 g de leche entera en polvo o 6 g de suero en polvo (o una cantidad equivalente de concentrado dependiendo del contenido en sólidos) con 100 ml de agua de aprox. 24°C en un vaso mez-clador a alta velocidad durante 90 segundos. La leche se deja durante 15 min. después de lo cual es agitada con una espátula. Se transfiere 50 ml de la solu-ción en un vaso centrífugo de 50 ml con fondo cónico calibrado. El vaso se co-loca en una centrífuga durante 5 minutos, el líquido libre de sedimento es ex-traído, se nivela con agua (para facilitar la lectura) y se agita el contenido. El va-so se coloca nuevamente en la centrífuga durante 5 minutos, y finalmente se re-gistra el volumen de sedimento. Ver Fig. 107.

El volumen del sedimento es expresado en ml y se llama el Indice de Insolubilidad. Normalmente es inferior a 0,2 ml para un polvo producido partiendo de leche de bue-na calidad y secado en modernos evaporadores y secadores del más reciente diseño.

Las causas de un alto Indice de Insolubilidad (es decir, baja solubilidad) en un polvo, pueden ser muchas. Normalmente se debe a caseínas desnaturalizadas o combinacio-nes muy complejas de proteínas de caseína-suero y lactosa, cuya química no es total-mente entendida. Los factores más influyentes son:

NIRO A/S

- 210 -

Vacío

Filtración

Disolución del polvo en agua

Disco A-C

Fig. 108 Determinación de partículas quemadas

NIRO A/S

- 211 -

• Una leche de baja calidad con un alto desarrollo de ácido láctico, es decir alta actividad bacteriológica, provocará un alto índice de insolubilidad, ya que cual-quier tratamiento intenso de calor causará una desnaturalización irreversible de las proteínas, especialmente de la caseína.

• Una alta temperatura del concentrado durante la evaporación dará un fuerte es-pesamiento por envejecimiento, dando lugar a un aumento de la viscosidad y una mala atomización, es decir altas temperaturas durante el secado.

• Generalmente, se puede decir que cuanto mayor sea la temperatura y la viscosi-dad durante el tratamiento, mayor será el índice de insolubilidad a obtener. Los polvos con un alto contenido de lactosa, como por ejemplo los alimentos infan-tiles, no tendrán prácticamente nunca un alto índice de insolubilidad, ya que la lactosa parece proteger las proteínas contra una desnaturalización.

• Los productos secados de acuerdo con el principio de secado en una etapa ob-tendrán más fácilmente un alto índice de insolubilidad que los del secado en dos etapas.

• No es solamente el secador que provoca un alto índice de insolubilidad. Tam-bién el evaporador puede dañar el concentrado. Pero esto se mide muy rara vez. No obstante, si en una fábrica se experimentan problemas insolubles se reco-mienda investigar el concentrado. Eso se efectúa utilizando el mismo método como antes descrito, pero utilizando una cantidad de concentrado que depende del contenido en sólidos y corresponde a la cantidad especificada de polvo. Ver pág. 195. Si se usan productos de leche en polvo con un alto Índice de Insolubi-lidad en productos "compuestos", como son alimentos infantiles, se debe esperar un Índice de Insolubilidad proporcionalmente más alta.

Partículas quemadas

Es generalmente aceptado que las partículas quemadas son resultado de los depósitos formados en la cámara de secado que han sido expuestos a altas temperaturas quedan-do así quemados, sin el color típico y al mismo tiempo insolubles.

Sin embargo, no es solamente el secador que contribuye a la formación de partículas quemadas, ya que incluso la leche cruda puede contener alguna suciedad o sedimento, y si no se clarifica en un separador, estas partículas aparecerán más tarde en el polvo.

También en el evaporador pueden aparecer grumos gelatinosos, insolubles y de color marrón que pueden dar lugar a partículas quemadas, si se han formado depósitos en los tubos debido a una superficie insuficiente de los tubos. (Las soluciones para esto ya han sido tratadas, pág. 35), o bien una limpieza insuficiente.

NIRO A/S

- 212 -

NIRO A/S

- 213 -

Si se ha demostrado que las partículas quemadas proceden del secador, la causa es frecuentemente la presencia de depósitos en la rueda atomizadora, alrededor de las to-beras o en el dispersor de aire. La solución al problema puede variar de caso a caso, pero un ajuste del dispersor de aire generalmente ayuda en muchos casos.

El método para determinar las partículas quemadas es simple y rápido:

Se mezclan 25 g de leche descremada, 32,5 g de leche entera o 15 g de suero en polvo (o una cantidad equivalente de concentrado dependiendo del contenido en sólidos) con 250 ml de agua a 18-28°C durante 60 segundos en el mismo mez-clador que se utilizó para el índice de insolubilidad. La solución de leche es fil-trada y el disco filtrante es comparado con un estándar de clasificación. Las par-tículas quemadas se expresan como A, B, C, o D, dependiendo de la intensidad y color de las partículas retenidas en el filtro. Ver Fig. 108.

Si las partículas quemadas no originan del evaporador, ver pág. 195, ni al secador, pueden originar del producto de leche en polvo usado en productos "compuestos", como p.ej. alimentos infantiles.

Grasa total

El contenido de grasa total en una leche entera en polvo es cuestión de la estandariza-ción de la leche cruda previo al proceso, y no tiene ninguna relación con el proceso de secado en sí.

La estandarización se lleva a cabo añadiendo leche descremada o crema a la leche, o bien quitando crema de la leche, todo dependiendo del contenido de grasa en la leche cruda y del contenido de grasa que se desea obtener en el polvo final. Se usan tanques de estandarización generalmente provistos de agitadores, pero se pueden aplicar otros métodos también.

El contenido de grasa en la leche cruda es casi siempre demasiado alto cuando se pro-duce leche entera en polvo, y por eso se usa leche descremada en polvo para la estan-darización. El equipo empleado es un mezclador en línea de polvo/líquido, conocido ya en plantas de recombinación. La adición de leche descremada en polvo aumentará el contenido en sólidos y por lo tanto el evaporador debe contar con este aumento.

Para una determinación exacta de la grasa en la leche entera en polvo se usa el método de Rose-Gottlieb, y para una determinación rápida se usa el método de Gerber.

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- 214 -

Éter de petróleo

Sacudimiento 15 min

Filtración

Evaporación y pesado de residuo

Fig. 109 Determinación de grasa libre en superficie

NIRO A/S

- 215 -

Grasa libre en la superficie

En la leche entera en polvo la grasa está presente como finos glóbulos cubiertos de una membrana y distribuidos uniformemente en las partículas. Sin embargo, no toda la grasa está protegida por la membrana, especialmente en la superficie de la partícula, sino también se encuentra dentro de la partícula. Este tipo de grasa que se llama Grasa Libre tendrá una influencia directa en la conservabilidad del polvo y es además direc-tamente responsable de la superficie no mojable cuando el polvo se mezcla con agua fría.

La grasa libre en la leche entera en polvo es inevitable, pero sí puede reducirse consi-derablemente mediante lo siguiente:

• Evitando excesivo bombeo y agitación de la leche cruda incondensada. Sobre todo se debe evitar la recirculación en el evaporador.

• La pasteurización de la leche antes del evaporador desempeña su papel. Una pasteurización directa, especialmente a baja temperatura, dará lugar a una baja viscosidad en el concentrado y una atomización fina con una gran relación su-perficie/masa, resultando en un contenido aumentado de grasa libre.

• El método más eficiente para reducir el contenido de grasa libre es la homoge-neización del concentrado, preferiblemente en un homogeneizador de dos eta-pas. En la primera etapa se aplica una caída de presión de 70-100 kg/cm2. Los glóbulos de grasa se desintegran en pequeños glóbulos, los cuales -debido a la electricidad estática- podrían aglomerarse nuevamente, es decir formar muchos pequeños glóbulos de grasa. En la segunda etapa se aplica una caída de presión de 25-50 kg/cm2 para romper dichos aglomerados.

• Generalmente las toberas producen un polvo con un bajo contenido de grasa li-bre comparado con la rueda atomizadora, principalmente debido al efecto homogeneizador de la tobera.

• Cualquier tratamiento mecánico del polvo debe ser evitado, y por lo tanto no es sorprendente que el proceso de secado en dos etapas produzca un polvo con un contenido más bajo de grasa libre que el de una etapa.

• En plantas con lecho fluido integrado, el contenido de grasa libre aumentará, si la temperatura en el lecho es demasiado baja, significando un contenido de humedad demasiado alto en el polvo, lo cual dará lugar a una cristalización de la lactosa. Sin embargo referir a pág. 323, donde se estudia la producción de leche entera en polvo con un alto contenido de grasa usada en la industria de chocola-tes.

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Para determinar la grasa libre en un polvo se mezclan lentamente 50 ml de éter de pe-tróleo y 10 g del polvo durante exactamente 15 minutos. La mezcla es filtrada y 25 ml del filtrado es evaporado, se pesa el residuo y se calcula el porcentaje de grasa libre basándose en el contenido total de grasa o, más frecuentemente, en el polvo. Ver Fig. 109.

Otro método para determinar la grasa libre emplea tolueno, y el tiempo de extracción es algunas veces de hasta 24 horas. El resultado por supuesto será diferente del obte-nido con el método antes descrito.

Es generalmente aceptado que el primer método ofrece resultados representativos de la grasa libre en la superficie, mientras que los demás métodos representan la grasa li-bre total, es decir también lo contenido dentro de los poros y la red capilar.

Humectabilidad

La humectabilidad de un polvo refleja su capacidad de absorber agua a una determi-nada temperatura. Este método de análisis se usa solamente para polvo instantáneo. Es evidente que la humectabilidad depende de la superficie de los aglomerados o de las partículas: ¿Repelerán el agua o la absorberán tan rápidamente que se formará una pe-lícula a través de la cual el agua no pueda penetrar?

Generalmente, la humectación es un proceso en el cual la fase gaseosa en la superficie de la fase sólida es reemplazada por una fase líquida; las tres fases co-existen durante algún tiempo, de manera que es posible cierta cantidad de intermezclado y soluciones (principalmente de las fases sólida y líquida), e incluso a menudo inevitable.

Asimismo se debe considerar la leche en polvo como una superficie compuesta en la que las superficies individuales son conectadas mediante 'puentes' más o menos esta-bles formando así una compleja red capilar. Para simplificar, estudiaremos en primer lugar el mecanismo de humectación de una sola superficie.

El factor que decide el grado de humectación es la tensión interfacial entre la superfi-cie de la partícula y el agua. Las partículas de leche descremada normalmente serán humectadas con facilidad (siempre que el contenido de grasa en la superficie sea infe-rior a 0,03%), ya que los componentes principales del polvo son la lactosa que se en-cuentra en una fase amorfa, y la proteína, ambos con una absorción rápida del agua. Sin embargo, las partículas de leche entera en polvo están siempre cubiertas con una capa de grasa, haciéndolas repelentes al agua. La cantidad de esta grasa libre en la su-perficie varía entre el 0,5 y el 3% del polvo.

Mediante la adición de una agente tensoactivo a la grasa libre en la superficie, se pue-de anular la impermeabilidad de las partículas al agua debido a su capa de grasa, y se obtiene así una tensión interfacial que facilita la humectación. Es conocido que los fosfolípidos, como p.ej. la lecitina, son muy apropiados para este fin. La lecitina tiene

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la ventaja de ser un producto natural e incluso un componente natural de la leche, y siendo tanto lipofílico como hidrofílico, es capaz de absorber agua. Ver pág. 257.

Una vez humectadas las partículas, los componentes individuales de la leche empie-zan a disolverse y dispersarse, y se forma una solución concentrada de leche alrededor de las partículas. Al mismo tiempo las partículas empiezan a caer al fondo, con lo cual, la densidad de dichas partículas tiene que ser mayor que la del agua.

La densidad de una partícula depende de su composición y contenido de aire ocluido. Durante las primeras etapas de la reconstitución la densidad de las partículas disminu-ye, principalmente debido a que la lactosa y los minerales, siendo los componentes más pesados, empiezan a disolverse más rápidamente que los demás componentes. Al mismo tiempo, la densidad de la solución que se forma aumenta debido a la lactosa en disolución, reduciendo así la diferencia entre las densidades de las partículas y del lí-quido alrededor. La densidad de la partícula incluso puede resultar la misma o menor que la del líquido, dando lugar a una nueva subida de las partículas después de la ba-jada inicial. Para evitar esto, la densidad de la partícula debe ser alta, es decir, el con-tenido de aire ocluido debe ser bajo. Ver pág. 219.

La reconstitución de una masa de polvo es más complicada. Como ya se ha mencio-nado, el polvo es una superficie compuesta con un sistema muy ramificado de capila-res de diferentes dimensiones y de un complicado sistema geométrico, dando lugar a diferentes efectos de atracción capilar.

Bajo estas condiciones tendrá lugar una humectación, no sólo en la superficie del agua, sino también de las partículas que se encuentran sobre la superficie, ya que el agua es atraída hacia ellas por capilaridad. Esta sustitución del aire intersticial por agua mediante la penetración capilar es frecuentemente incompleta, ya que la cantidad de agua que penetra es insuficiente dejando burbujas de aire entre las partículas moja-das. Así tienen lugar simultáneamente las tres fases, provocando una co-existencia de sus productos a diferentes concentraciones. Esta situación es muy peligrosa ya que, después de un corto tiempo, el espacio entre las partículas se llenará de leche de dife-rentes, e incluso altas, concentraciones. El resultado es una masa pegajosa con grumos de polvo no-humectado y de aire residual. Además se forman grumos que están húmedos e hinchados en el exterior y secos en el interior. Siendo impermeable al agua, la reconstitución de este polvo resulta muy difícil incluso con una fuerte agita-ción.

Por tanto, para obtener una leche completamente reconstituida en un tiempo razona-blemente corto y con el mínimo esfuerzo, se tiene que evitar una penetración capilar del agua en el polvo. El efecto capilar depende de la estructura del polvo, es decir el tamaño de los aglomerados, el tamaño y la cantidad de las partículas no-aglomeradas, la cantidad de aire intersticial y la superficie específica del polvo. La penetración del agua en el polvo se evita/retrasa fácilmente -para permitir una dispersión antes de una disolución- si el polvo está compuesto de grandes aglomerados.

La aglomeración fue estudiada detenidamente en la pág. 157.

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Fig. 110 Determinación de la humectabilidad

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El método de análisis es simple y fácil de llevar a cabo:

Se echan 10 g de leche descremada o 13 g de leche entera en polvo en 100 ml de agua a una determinada temperatura, normalmente 20°C ± 2°C. El tiempo que se necesita para una humectación total del polvo se mide con un cronómetro. IDF prescribe el uso de 10 g de leche descremada o leche entera en polvo en 250 ml de agua a una temperatura de 25°C. Ver Fig. 110.

Para ser instantánea, la leche descremada en polvo debe ser humectada en 15 segun-dos. Para leche entera en polvo no existen requisitos precisos, pero normalmente la leche entera instantánea en polvo es producida de acuerdo con la norma para leche descremada en polvo. Sin embargo, para el proceso posterior de dispersión, especial-mente para leche entera en polvo, se prefiere una humectabilidad de alrededor de 30-60 segundos, ya que facilita la dispersión subsiguiente del polvo en agua.

Dispersibilidad

Otra propiedad importante del polvo instantáneo es la capacidad de dispersar en agua con una agitación suave. Esto significa que el polvo debe reducirse a aglomerados los cuales, a su vez, se reducirán a partículas primarias sueltas.

Para obtener una buena dispersibilidad de un polvo es necesario que el polvo sea humectable y que la aglomeración sea óptima, es decir no deben existir partículas fi-nas de polvo.

El método de análisis es muy difícil de definir y llevar a cabo, y la reproducibilidad es muy mala. Existen numerosos métodos y los resultados no son comparables.

Por lo tanto, la IDF ha desarrollado un nuevo método para determinar la dispersibili-dad. Este método se basa en la determinación de la capacidad de un polvo (25 g de le-che descremada o 34 g de leche entera en polvo) vertido sobre una superficie de agua (250 g, 25°C) de desintegrarse en partículas que puedan atravesar un tamiz de 250 mi-cras después de la agitación manual recomendada durante 20 segundos. La cantidad de polvo que atraviesa la tamiz y se disuelve o se dispersa, se calcula mediante la de-terminación del contenido en sólidos en el filtrado, y se expresa en porcentaje, como la dispersibilidad. Ver Fig. 111.

El polvo es considerado instantáneo por IDF, si la dispersibilidad es, por lo menos, del 85% (leche entera) o del 90% (leche descremada). No obstante, las plantas de tec-nología más nueva producen fácilmente polvos de una dispersibilidad del 95%.

No cabe duda de que este método ofrece una base más fiable que el método de la humectabilidad para comprobar las propiedades instantáneas de una leche en polvo. Por otro lado, es un método laborioso de modo que no sirve como método rutinario. Asimismo, incluso con operarios especializados, la reproducibilidad no es buena.

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Filtración

Mezclado de polvo con agua

Pesado

Fig. 111 Determinación de la dispersibilidad

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Un método más simple consiste en añadir 10 g de leche descremada o 13 g de leche entera en polvo a 100 ml de agua a temperatura ambiente, y luego agitar manualmente con una espátula hasta que el polvo se disperse totalmente, sin grumos en el fondo del vaso. El tiempo empleado es medido con un cronómetro.

Después de practicar, la reproducibilidad es bastante buena, y el método es rápido. Además tiene la gran ventaja de ser el mismo método usado por el consumidor para preparar un vaso de leche.

Sedimento

El método es similar al de IDF para dispersibilidad (usado sólo para leche entera en polvo instantáneo y soluble en agua fría), pero se usa solamente 12,5 g polvo en 100 ml agua de 25°C y 85°C. El tamiz usado es de 600 micras. El material residual (sedi-mento) en el tamiz después de la filtración es pesado y registrado.

Partículas lentamente dispersibles (PLD)

Se aplica el mismo método como para Sedimento. Una vez filtrada por el tamiz de 600 micras la leche es vertida en un tubo de ensayo que se vacía otra vez inmediata-mente. La película que queda en el tubo con partículas/aglomerados no disueltos se compara con una foto con 5 grados. El PLD se determina en agua caliente de 25°C así como de 85°C. El medio para mejorar el PLD es la aglomeración.

Prueba de agua caliente ("Hot Water Test")

Similar a la prueba para Sedimento utilizando agua a 85°C. La leche filtrada y recons-tituida es vertida en dos vasos cónicos graduados de centrífuga, como los usados para el Índice de Insolubilidad, y es centrifugada durante 5 minutos. El resultado se expre-sa en ml de sedimento de los dos vasos juntos. El resultado debe ser preferiblemente de <0,2 ml.

Prueba de café ("Coffee Test")

Similar a la prueba de agua caliente, pero utilizando café a 85°C. Igual que el PLD y la prueba de agua caliente, el resultado es determinado por el grado de aglomeración, pero para la prueba de café, también es importante la pasteurización de la leche previa la evaporación (80-85°C en 15 segundos con un WPNI ≈ 3 mg/g), el contenido de Ca++ y el contenido total de proteínas.

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Con un alto contenido de proteína en la leche (vacas Jersey o leche de temporada ba-ja) es difícil producir polvos con una buena prueba de café, es decir <0,4 ml. Una es-tandardización de la leche con lactosa o permeados es usada en la industria para ajus-tar el contenido de proteínas. También se puede usar un precalentamiento del concen-trado a 80°C y/o una adición de fosfatos y/o citratos para precipitar el Ca iónico.

Grado de hidratación

Una vez dispersadas uniformemente en el agua, las partículas de polvo empiezan a di-solver. Normalmente, la disolución ya se inicia al primer contacto con el agua, y la humectación, dispersión y disolución o bien hidratación se realizan simultáneamente. La capacidad de un polvo de disolverse completamente es expresada con el Índice de Insolubilidad (ver pág. 209). Pero este método necesita una agitación mecánica bas-tante fuerte seguida de un reposo de hasta 15 minutos, mientras que el objetivo de un polvo instantáneo es presentar a los consumidores la posibilidad de preparar leche re-constituida en poco tiempo mediante una agitación manual y suave. El proceso de re-constitución usado por el consumidor debe corresponder al método de dispersibilidad arriba descrito. No obstante, en esta etapa el polvo puede disolverse sólo parcialmen-te.

Como método intermedio, se puede aplicar un método modificado de la solubilidad para determinar el grado de hidratación, especialmente para leche entera en polvo ins-tantáneo. Según este método, se vierte 0,5 g de polvo en 50 ml de agua en un vaso como el usado para el índice de insolubilidad. Invertir el vaso 8 veces y colocarlo en un centrífugo durante 5 minutos. El sedimento que se presenta es usado para el cálcu-lo del grado de hidratación:

Grado de hidratación = (ml de sedimento x 12) - Índice de Insolubilidad (22)

Análisis para Suero en Polvo

En la producción de suero en polvo, especialmente del tipo no-apelmazante, se apli-can los siguientes métodos de análisis, así como algunos de los mencionados bajo Análisis para Leche en Polvo:

Humedad total y humedad libre

En la producción de suero en polvo no-apelmazante la lactosa es cristalizada, y duran-te este proceso la lactosa absorbe una molécula de agua. Para determinar el grado de

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Flujómetro Solución de sal

Vacío

Muestra de polvo

Fig. 112 Determinación de la higroscopicidad

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cristalización se calcula el agua absorbida por los cristales (agua cristalizada) como la diferencia entre el contenido de humedad total y de humedad libre.

La humedad total es determinada con el método Karl Fischer de titulación, cuyo prin-cipio es una reacción entre iodo y dióxido de azufre en presencia de agua. El conteni-do de humedad libre es determinado en un horno de secado a 86°C durante 6 horas.

% agua cristalizada = % humedad total - % humedad libre (23)

El grado de cristalización se calcula como sigue:

Lactosa%

100 x 19 x .cristalAgua%=ciónCristaliza% (24)

Para métodos rápidos de rutina para suero dulce, se puede usar la cifra de 74% de lac-tosa.

Higroscopicidad y propiedades apelmazantes

La higroscopicidad, es decir la capacidad de absorber humedad, del suero en polvo es determinada por el grado de cristalización de la lactosa. Pero los sales e incluso las proteínas absorben agua también, aunque en cantidad limitada comparado con la lac-tosa. La higroscopicidad de un polvo específico se determina pasando aire de una de-terminada humedad (80% RH a 20°C) a través de una determinada cantidad de polvo (ver Fig. 112). Cuando se haya obtenido un equilibrio se calcula la humedad absorbi-da pesando la muestra de polvo antes y después de la absorción.

pesoenaumento+100

100 x libre)aguade%+pesoenaumento(%=cidadHigroscopi% (25)

Para un polvo no-higroscópico, este valor no debe exceder el 10%.

Las propiedades apelmazantes del suero en polvo son aún más importantes, ya que expresan la tendencia de formar grumos duros en los sacos durante el almacenaje.

No existe una relación directa entre la higroscopicidad y la propiedad apelmazante, ya que una cristalización rica en sí no es suficiente para prevenir un apelmazamiento. Por eso es importante que los cristales sean pequeños, y que se distribuyan uniformemente en todas las partículas de polvo. Debido a la absorción de agua en un polvo no-cristalizado o mal cristalizado, la cristalización de la lactosa amorfa restante empezará principalmente en la superficie de los cristales ya existentes. El grado de cristalización depende, por lo tanto, de la distancia entre los cristales. Después del proceso de crista-lización la presión de la humedad del polvo resulta más alta que aquella del aire alre-dedor, de modo que la absorción de humedad es seguida de una disorción de hume-dad. El polvo pegajoso formado durante el aumento de la humedad se convertirá en grumos duros durante la cristalización.

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El método para determinar el grado de apelmazamiento se lleva a cabo como sigue:

Se seca la muestra de polvo procedente de la prueba de higroscopicidad se seca a una temperatura de 102°C durante 1 hora, y luego se enfría en un desecador. A continua-ción el polvo es pasado por un tamiz de 500 micras en un equipo vibrante durante 5 minutos. Se pesa la cantidad de polvo que no ha atravesado el tamiz.

utilizadopolvodeg100 x tamizelenretenidopolvodeg

=%enentoapelmazamideGrado (26)

El suero en polvo no apelmazante debe tener un grado de apelmazamiento de <10%.

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Deshidratación de Alimentos

Distintos Ingredientes para Alimentos

Muy a menudo, los alimentos se encuentran en forma de solución, pulpa, o pasta, con una conservabilidad limitada debido a la actividad bacteriana que destruye el valor nu-tritivo del producto, excepto si se mantienen a baja temperatura, o se añadan agentes de conservación, azúcar o sal por ejemplo, para reducir la actividad bacteriana.

Asimismo, la eliminación de agua del producto reducirá la actividad bacteriana en el producto final asegurando así una conservabilidad casi ilimitada, siempre que el pro-ducto esté lo suficientemente seco y se mantenga en un lugar seco y frío.

Los alimentos animales o vegetales, o bien combinaciones de éstos, se caracterizan por su contenido de:

• Proteínas�• Carbohidratos�• Grasa�• Almidón�• Otros ingredientes

Proteínas

En general, cuanto más proteína hay, más fácil resulta el secado. Con un contenido aumentado de proteína, la viscosidad del concentrado aumentará y, para mantener una buena atomización, es necesario reducir el contenido en sólidos. Así se mejora la eco-nomía del secado, ya que un producto puro de proteína (clara de huevo, Na- o K-caseinato) se seca partiendo de una alimentación con 20-24% de sólidos, y el producto final consiste en partículas sueltas.

Las proteínas son difíciles de aglomerar (falta material aglutinante) en secadores con-vencionales. Por eso se elige el Secador de Múltiples Etapas para la obtención de pro-ductos aglomerados en polvo.

Generalmente, el secado de proteínas hidrolisadas resulta más difícil, ya que las molé-culas de cadena corta se vuelven termoplásticas e higroscópicas dando lugar a que el producto se pegue a las paredes de la cámara.

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Carbohidratos

Los carbohidratos de distintos orígenes y formas se encuentran en la mayoría de los alimentos. En general, cuantos más carbohidratos hay, más difícil resulta el proceso de secado, ya que si los carbohidratos se secan partiendo de un concentrado no-cristalizado, son termoplásticos e higroscópicos. Los carbohidratos reducirán la visco-sidad del concentrado.

Un gran grupo de carbohidratos es la lactosa que se encuentra solamente en la leche y en los derivados del procesado de la leche, por ejemplo en el suero de la producción de queso. La ventaja de la lactosa en el secado, es que puede ser pre-cristalizada si se encuentra en una solución supersaturada (alto contenido en sólidos, baja temperatura). La temperatura del punto de pegajosidad puede aumentarse mediante una pre-cristalización, facilitando así el proceso de secado.

La sacarosa se usa en alimentos como edulcorante, y también para añadir calorías a alimentos infantiles por ejemplo y otros refrescos en polvo. Si el contenido final de sacarosa en un producto debe ser superior a lo que es posible incorporar en forma lí-quida al concentrado alimentado, es posible añadirla en forma seca al secador durante el secado de una alimentación líquida, y así obtener un producto final mezclado, aglomerado y homogéneo.

La fructosa, presente en todas las frutas, es muy termoplástica e higroscópica, por lo que no puede secarse por atomización, a no ser que se utilice una carga como porta-dor, como por ejemplo sólidos de leche descremada o maltodextrina.

La maltodextrina es otro carbohidrato frecuentemente usado como carga, portador, o bien edulcorante. Con un DE de 10-40, y siendo fácil de secar, puede utilizarse en una gran variedad de alimentos.

Los carbohidratos constituyen un excelente material aglutinante, y si la planta de se-cado ha sido diseñada para tal proceso, resulta fácil la obtención de productos aglome-rados.

Grasa

Si no se encuentra grasa en el alimento original, puede añadirse para obtener una cier-ta composición. Cuanto más grasa en un producto, cuanto más baja la viscosidad y cuanto más difícil resulta el secado (depósitos de polvo). Si la grasa se encuentra en forma libre (no protegida por proteínas) en el producto final, resulta aún más difícil el secado. Por eso se recomienda una homogeneización del concentrado previo al seca-do. Una homogeneización aumentará un poco la viscosidad de un concentrado.

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Fig. 113 Secador para secado de una etapa (SDP)

Fig. 114 Secador con Vibro-Fluidizador como post-secador (SDI)

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Almidón

Si el almidón es pre-enfriado, aumentará la viscosidad, por lo que es necesario bajar el contenido en sólidos en el concentrado a secarse.

Otros ingredientes

Existe una gran variedad de otros ingredientes que se añaden típicamente en pequeñas cantidades, como son:

• Vitaminas • Aromas• Emulsionadores• Estabilizadores • Colorantes�

En general, estos productos no causan problemas durante el secado por atomización.

• Sales y otros productos químicos�

Cuanto más alto sea el contenido de sales y otros productos químicos, más difícil re-sulta el secado, debido a la higroscopicidad aumentada.

Productos Normales de Leche en Polvo

La leche en polvo no-aglomerado se denomina generalmente leche en polvo normal. Las más comunes son leche descremada y la leche entera en polvo.

El proceso de secado a aplicar puede ser de una etapa, ver Fig. 113 y estudiado en pág. 125, o bien de dos etapas, ver Fig. 114 y estudiado en pág. 133.

Antes de la evaporación, la leche es clarificada en un separador para quitar la sucie-dad, etc., y en el caso de leche descremada se elimina también la grasa.

En el evaporador la leche es pasteurizada a 70-100°C, dependiendo de la especifica-ción deseada del polvo (ver pág. 41). A continuación la leche es condensada a 48-50% de sólidos, dependiendo de la calidad de la leche y del sistema de secado usado.

La planta de secado trabaja con temperaturas de 180-200°C para leche entera y 180-230°C para leche descremada en polvo.

En el secado de una etapa, el proceso se realiza de manera que el contenido final de humedad en el polvo se alcance al salir de la cámara. En el proceso de dos etapas, se realiza el primer secado hasta obtener un 2-10% más del contenido final de humedad.

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Finos

Partículas primarias

Aglomerados

Fig. 115 Secador con Vibro-Fluidizador como aglomerador/instantaneizador (SDI)

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La humedad restante es eliminada en un lecho fluido estático y/o un Vibro-Fluidizador, y el enfriamiento se realiza en un sistema neumático de enfriamiento o en un Vibro-Fluidizador.

Se puede aplicar una atomización rotativa o bien por toberas para atomizar el concen-trado. Si se usan toberas se recomienda calentar el concentrado hasta 60-70°C inme-diatamente antes de la atomización para reducir la viscosidad. Hoy en día la mayoría de los secadores nuevos trabajan con un concentrado calentado, también para opera-ción con atomizadores rotativos, ya que, aparte del efecto de pasteurización, se obtie-ne una capacidad adicional de evaporación de un 3-5%.

Condiciones típicas de secado:

UNA ETAPA DOS ETAPAS

Toberas Rueda Atom. Toberas Rueda Atom.

Desc. Entera Desc. Entera Desc. Entera Desc. Entera

Temp. secado °C 180 180 200 180 210 200 210 200

Cont. sólidos % 45 42 48 48 47 47 48 48

El producto final se caracteriza por:

• Compuesto de partículas sueltas • Una alta densidad específica • Polvoriento, si es de leche descremada • No-instantáneo

Leche en Polvo Instantáneo

Durante los últimas décadas se ha observado una creciente demanda de productos en polvo instantáneamente solubles en agua fría. Un polvo normal no-aglomerado tiende a formar grumos al ser mezclado con agua, y sólo una fuerte agitación mecánica pue-de evitar una mezcla no-homogénea, no atractiva para el consumidor.

Desde hace mucho tiempo se conoce que un polvo aglomerado, es decir un polvo donde las partículas individuales han formado grande granulados o aglomerados, ver Fig. 115, tiene propiedades totalmente distintas al mezclarse con agua, comparado con el polvo normal.

La aglomeración se estudia en detalle en la pág. 157.

La planta se ajusta para que el polvo salga de la cámara con una humedad de 2-10% más alta que la deseada en el polvo final. La fracción del ciclón es recirculada a la

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Finos

Partículas primarias

Aglomerados

Fig. 116 Aglomeración mediante retorno de finos (aglomeración secundaria forzada)

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zona de atomización, donde las partículas finas y secas chocarán con las partículas primarias formando aglomerados. Ver Fig. 116.

Por lo tanto, el polvo que ahora sale de la cámara está caliente, húmedo y compuesto de aglomerados estables. Así pues, mediante un suave post-secado en lechos fluidos integrados y/o un Vibro-Fluidizador es posible mantener esta estructura aglomerada del producto. El enfriamiento del producto siempre debe realizarse en un lecho fluido.

Las características del polvo obtenido por este proceso son:

• su estructura aglomerada�• no-polvoriento�• una densidad más baja que la del polvo obtenido en la planta neumática�• una buena fluidez�

La temperatura reducida del aire de salida y, por lo tanto, la temperatura más baja del producto influye en las propiedades de la siguiente manera:

• una solubilidad mejorada debido a menor deterioro térmico�• un bajo contenido de aire ocluido, ya que se evita que las partículas se hinchen

con aire en la fase crítica del secado, que es cuando hay un contenido de agua de 30-10%.

Limitando el proceso antes descrito a la leche descremada, la aglomeración en sí dará un producto con:

• buenas propiedades instantáneas�

Además de los equipos de fabricación es necesario contar con un control de la calidad del producto final, especialmente en lo que a las propiedades instantáneas se refiere.

No es sorprendente que el primer método introducido para distinguir los productos instantáneos fuera basado en la determinación de la propiedad llamada humectabili-dad, ya que ésta es la característica más destacada de un producto instantáneo compa-rado con un producto normal. Se mide el tiempo empleado para humectar una deter-minada cantidad de polvo, es decir el tiempo desde el primer contacto con el agua hasta que el polvo haya pasado totalmente por la superficie de agua.

Más tarde se ha comprobado que la humectación es solamente la primera etapa de un proceso de reconstitución bastante complicado, y que dicho proceso consiste en un número de fenómenos, como son:

Fenómeno de reconstitución: Propiedad del polvo:

Humectación Humectabilidad Dispersión Dispersibilidad Disolución Solubilidad

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Equipo de dosificación de lecitina

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Si se divide el proceso de reconstitución en las etapas antes mencionadas resulta más fácil comprender el proceso, y por ejemplo ayuda a encontrar porque falta instantanei-dad al producto. Por otro lado, no hay una clara línea divisoria entre las distintas eta-pas de la reconstitución, y por eso es imposible determinar una propiedad indepen-dientemente de las demás. Para una buena evaluación de un producto se debe, por lo tanto, considerar todas estas propiedades.

Leche descremada en polvo instantáneo

Para obtener un polvo de leche descremada con buenas propiedades instantáneas, la aglomeración desempeña el papel más importante.

La humectación y la dispersión de las partículas de leche descremada no presentan problema alguno, ya que las partículas se disuelven rápidamente. Al verter una canti-dad de polvo de leche descremada no-aglomerado en agua, el primer polvo que entra en contacto con el agua se disuelve formando una película de concentrado impermea-ble al agua, y parando así la humectación. La mezcla obtenida se dispersa con dificul-tad dejando en la superficie del agua grumos húmedos que contienen polvo seco.

Para evitar una humectación demasiado rápida de las partículas, éstas son aglomera-das reduciendo así la superficie específica. Esta superficie es también más reducida, cuando las partículas primarias son grandes, pero en este caso existe el riesgo de un alto índice de insolubilidad.

Asimismo pueden mejorarse las propiedades instantáneas, especialmente la humec-tabilidad, si los aglomerados son tan compactos que el proceso de absorción del agua y disolución sea prolongado, dando lugar a una dispersión de los aglomerados de pol-vo en el agua, seguido por la disolución final. Por supuesto, el polvo debe tener tam-bién un buen índice de insolubilidad.

La aglomeración se mejora mediante:

• Reducción de la temperatura de pasteurización antes de la evaporación�• Un más alto contenido en sólidos en el concentrado • Partículas primarias más grandes�• Una mayor recirculación de los finos�• Una introducción de los finos más cerca de la rueda o de la tobera�• Un contenido aumentado de humedad en el polvo desde la cámara de secado �

Al elaborar una leche descremada en polvo instantánea y de primera calidad, las con-diciones típicas de trabajo en el secador, dependiendo del tipo, serán:

• Temperatura de secado 200°C ± 20°C• Contenido en sólidos en el concentrado 48-50%

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1 Línea de Proceso(Producción de polvo básico)

2 Línea de Proceso(Lecitinación y envasado)

Almacenamiento de

polvo básicoLeche estandardizada

25-28% grasa

Fig. 117 Diagrama del proceso. Leche entera en polvo instantáneo

Tratamiento

térmico

Evaporación

Homogeneización

Secado por

atomización

(+ aglomeración)

Secado en lecho

fluido

Almacenamiento

de polvo básico

Dosificación

de polvo

Pre-acondicionamiento

(separación de finos)

Lecitinación

Acondicionamiento

Enfriamiento en

lecho fluido

Envasado

Inyección con gas

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Leche entera en polvo instantáneo

En el caso de la leche entera en polvo, se necesita agua de una temperatura superior a 40°C, ya que las partículas de leche entera siempre están cubiertas de una capa delga-da de grasa que las hace impermeables en agua fría. Sin embargo, con la creciente demanda de leche entera en polvo instantáneo soluble en agua fría, es necesario, ade-más de la aglomeración, usar un agente tensoactivo.

Para este fin puede usarse lecitina (proveniente de habas de soja) disuelta en aceite puro de mantequilla para formar un líquido. La lecitina es un producto superior en su función, por su capacidad de obtener propiedades instantáneas. El aceite de mantequi-lla es también un componente natural de la leche, mientras que el uso de una grasa vegetal, a pesar de usarse en muchos casos, podría considerarse ilegal.

La cantidad de lecitina y de grasa libre total (es decir grasa libre original + aceite de mantequilla + lecitina) en el polvo final puede variar entre 0,1-0,3% y 1-2% respecti-vamente. Sin embargo, variaciones dentro de estos límites dan lugar a diferencias bas-tante importantes en las propiedades deseadas.

Debe tenerse en cuenta que una alta cantidad de grasa libre total, junto con una alta cantidad de lecitina, mejora la humectabilidad, mientras que afecta la fluidez y puede alterar seriamente la dispersibilidad. A niveles de lecitina >0,5% es posible detectar el sabor característico de la soja. La estructura del polvo y el grado de aglomeración son factores importantes también, ya que un polvo mal aglomerado necesita más agente humectante que un producto bien aglomerado.

El esquema de la producción de leche entera en polvo instantánea se muestra en la Fig. 117. Se observa que todo el proceso está dividido en dos líneas consecutivas, es decir la producción de un polvo base en una planta según la Fig. 84, seguida de una línea de lecitinación y de envasado, Fig. 118.

La división del proceso en dos líneas da el proceso más ventajoso según se indica a continuación.

En el proceso de dos etapas el polvo es recogido para almacenaje intermedio. Es im-portante evitar cualquier daño al polvo por tratamiento mecánico. Por eso se aconseja almacenar el polvo en contenedores tipo "tote-bin" o similar, de un volumen de 1-2 m3.

A continuación el polvo base es conducido desde los "tote-bins" hasta el silo de ali-mentación y es dosificado al primer Vibro-Fluidizador mediante un tornillo dosifica-dor. El polvo es calentado y al mismo tiempo se quitan los finos por aspiración.

El equipo de dosificación de lecitina está compuesto por dos recipientes, una bomba de dosificación, una trampa de polvo con tobera de dos fluidos, y un panel de control. El primer recipiente sirve para la preparación del agente humectante, y el segundo

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Producto

Lecitina + aceite

Finos

Leche entera en polvo instantáneo

Fig. 118 Planta de lecitinación en dos etapas

Tanque de dosificación Lecitina

Aceitemanteca

Tanque de mezclado

Unidad de agua caliente

Fig. 119 Equipos de dosificación de lecitina

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como recipiente de alimentación del cual se dosifica el agente humectante a la tobera de dos fluidos para luego rociarlo sobre el polvo. Ver Fig. 119.

Se registra el flujo, la temperatura y la presión del agente humectante y del aire de atomización. Un enclavamiento en el panel de control asegura un corte automático del flujo de polvo, en caso de fallo en el suministro de lecitina. Por consiguiente, el polvo no puede salir de la planta sin una capa suficiente de lecitina. El segundo Vibro-Fluidizador, también con aire caliente, facilita una mezcla suave pero suficiente del polvo para proporcionar una distribución uniforme de la lecitina sobre la superficie de la partícula.

El polvo descargado de la unidad de lecitinación es empaquetado en envases listos pa-ra venta. La máquina llenadora está situada directamente debajo de la unidad de leci-tinación con un tanque para almacenaje intermedio para así evitar un transporte inne-cesario.

Según se observa en el esquema de la Fig. 117 (la línea discontinua), la producción y lecitinación del polvo pueden realizarse en un proceso continuo. En este caso la tram-pa de polvo, con la tobera de lecitina, está colocada entre el lecho fluido integrado y el Vibro-Fluidizador, Fig. 120. Este diagrama de flujo muestra los equipos de recepción, pre-tratamiento, estandarización y evaporación. La calidad del producto obtenido es comparable con la calidad obtenida mediante el proceso dividido descrito anterior-mente.

Sin embargo, hay muchas razones para preferir el proceso dividido, ya que el envasa-do del polvo no es nunca una operación totalmente continua, y hay siempre un lapso natural entre la producción del polvo y su envasado. Durante este intervalo es necesa-rio almacenar el polvo a granel durante uno a varios días, preferiblemente en "tote-bins" para evitar cualquier daño.

En cuanto a calidad, es preferible almacenar el polvo no lecitinado. Por eso es más apropiado incorporar el proceso de lecitinación a la línea de envasado, formando así una operación continua.

El almacenaje intermedio del polvo después de la fabricación permite un análisis del producto para clasificarlo y calcular la composición y cantidad correcta de agente humectante necesaria para obtener las propiedades deseadas.

Otra ventaja del proceso dividido es que los finos creados durante el almacenaje y transporte, pueden ser eliminados en el primer Vibro-Fluidizador de la unidad de leci-tinación. La calidad de los finos rechazados corresponde a una leche entera en polvo normal (no-aglomerado), y pueden venderse como tal. La cantidad es normalmente in-ferior al 5%.

No obstante, hoy día la mayoría de la leche entera instantánea se produce en plantas MSD, provistas de equipo de dosificación de lecitina entre el lecho fluido integrado y el Vibro-Fluidizador, en una sola etapa de proceso, ver Fig. 119. El producto final es llevado a silos por sistemas de transporte delicado a vacío y a baja velocidad -proceso

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muy suave al producto aglomerado- antes del envasado o en envases pequeños o en bolsas de 25 kg. Tales líneas de transporte pueden contar con una pre-gasificación con N2/CO2 para prolongar la vida del producto.

Suero

La constante preocupación y creciente comprensión del hombre respecto a los pro-blemas de la contaminación, junto con la intensa industrialización de la industria lác-tea, hacen muy problemáticos los métodos tradicionales para tratar el suero, como por ejemplo, la devolución del suero a los suministradores de la leche para usarlo como forraje para cerdos y ganado, como fertilizante, o simplemente su vertido a ríos o de-sagües. Por este motivo durante los últimos años se han desarrollado métodos alterna-tivos para tratar este producto, que siempre ha sido tratado como un desperdicio. Sin embargo, la materia seca contiene elementos de un valor nutritivo muy elevado, y los nuevos procesos han hecho posible la explotación de aquellos elementos.

Cabe destacar que el suero debe tratarse como un producto de primera clase, es decir enfriar y tratarlo dentro de pocas horas, para dar un producto de primera calidad. In-cluso es imposible llevar a cabo algunos de los procesos, si el suero es de baja calidad.

La composición del suero fresco procedente de una producción tradicional de queso es aproximadamente como sigue:

aprox. % de la sustancia seca Agua 94,25% Proteína 0,80% 13 Lactosa 4,30% 75 Ceniza 0,55% 10 Grasa 0,10% 2

Sin embargo, es bien conocido que esta composición puede variar mucho, dependien-do del tipo de queso, del uso de cultivo lácteo y tipo de cuajo. Además, la composi-ción de la leche cambia, debido a las variaciones estacionales o la raza del ganado. Es-to, junto con las fluctuaciones en el suministro del suero, lo hace todavía más difícil solucionar el problema de este producto.

La Fig. 121 muestra los distintos procesos típicos para tratar suero, y también el seca-do de leche descremada para su posterior reconstitución en la producción de queso, ver pág. 325, así como el secado de queso procesado, ver pág. 331.

Vertido del suero

Desde la industrialización de la elaboración de queso se vierten grandes cantidades de suero a los ríos, lagos, o embalses de agua. Sin embargo, dado que el suero contiene

Agua madre

Leche descremada

Suero no-higroscópico

Suero con grasa

Suero electrodialisado

Polvo Queso

Proteína célula singular

Proteína

Suero

Permeados

Agua madre

Grasa

Separación

Lactosa

Cristalización

Electrodialisis

Secado lecho Separación

Alimento o

desagüe

Grasa

QuesoProducción de quesos

Leche

REACTOR

b-Galactosidase

UREA Urea lactosyl

Glucosa-galactosa

PermeadosUltrafiltración

Proteína

Separación

Fermentación

Fermento Alcohol

Destilación

Evaporación

Procesamiento

Sueo

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Fig. 121 Varios procesos para el tratamiento de suero

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sustancias orgánicas, se necesita oxígeno para su descomposición. El vertido del suero siempre afectará en alto grado a la vida acuática, es decir la flora y la fauna. En el ca-so de que el producto vertido tome todo el oxígeno presente en el agua no puede sub-sistir ninguna forma de vida a causa del proceso de putrefacción. Es evidente, por lo tanto, que debe haber una relación lógica entre la cantidad de suero vertido y el oxíge-no presente en el agua, lo cual, a su vez, está determinado por el caudal del agua y su contenido en oxígeno. Por lo tanto, no se puede especificar con exactitud la cantidad de suero que puede verterse. En algunos países, p.ej. Dinamarca, está prohibido el vertido sin previa purificación en una planta especial. Como guía, el contenido de im-purezas orgánicas en aguas residuales se expresa según su demanda de oxígeno para la descomposición biológica durante un período de cinco días, el llamado BOD5. Las aguas residuales domésticos tienen un promedio de 300 mg oxígeno/l. Una cantidad promedia de 200 l/persona/día equivale a 60 g oxígeno/l -también denominado el "person equivalent"- es decir que un litro de suero equivale a una persona.

En lugar de efectuar una purificación del suero en plantas especiales, algunas centra-les lecheras han vertido grandes cantidades de suero irrigando los campos, que es un método de mutua ventaja para la central lechera y el agricultor. La cantidad de suero que puede ser irrigada en una hectárea depende del pasto y de la cantidad de lluvia. Normalmente el regado del suero se efectúa en ciclos de quince días entre cada dosis, precisando así grandes terrenos alrededor de la central lechera, con una distancia mí-nima de 200 m de las casas. La cantidad que se puede regar de este modo es de 7 m3/hectárea/día.

Aprovechamiento del suero líquido como forraje

El suero siempre ha sido considerado como un forraje concentrado aceptable, espe-cialmente para ganado porcino. El suministro fluctuante y la existencia de elementos sólidos han originado problemas en conexión con su aplicación directa.

Hace más de cien años se llevaron a cabo unos estudios en Dinamarca sobre la ali-mentación del ganado porcino, demostrando que:

• 1 kg de leche descremada es sustituible por 2 kg de suero�• 1 kg de cebada es sustituible por 12 kg de suero�Los cerdos de 50 kg o más pueden beber aprox. 15 kg de suero por día.

Sin embargo, las exigencias en cuanto a la cantidad y calidad del tocino se han inten-sificado, y el criado del cerdo ha dado lugar a un mayor aprovechamiento de la proteí-na del forraje, así que, aplicando el suero como la única fuente de proteína, las canti-dades de agua procedentes del suero darán problemas digestivos. Se puede solucionar este problema adicionando una mezcla de suero y leche descremada (50/50), directa-mente o después de una evaporación al 20% TS.

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Para las puercas el uso del suero es una buena idea, ya que necesitan grandes cantida-des de líquidos (15-25 kg/día) y vitamina B; precisamente el suero contiene grandes cantidades de vitamina B2 (riboflavina) y ácido pantoténico.

Asimismo, el suero como forraje para ganado es muy valioso, aunque hasta los cuatro meses de edad es recomendable una mezcla de leche descremada y suero, pero des-pués pueden beber 10-15 kg/día. Se recomienda el suero líquido hasta una edad de quince meses, ya que puede sustituir, de este modo, cantidades considerables de con-centrados o leche descremada. Se ha comprobado, además, que los terneros de engor-de crecen más rápidamente, y con mejor rendimiento que los que reciben la misma cantidad de unidades de forraje en forma de leche descremada.

De lo anteriormente mencionado se desprende que el suero líquido es fácilmente utili-zable como forraje para ganado porcino y bovino. Sin embargo, a causa de las grandes cantidades necesarias y debido al maltratamiento del suero por el consumidor -frecuentemente el suero no es tratado dentro de las primeras veinticuatro horas, dan-do lugar a fermentación y creación de subproductos, que conllevan malnutrición- no es tan atractiva la utilización del suero líquido en grandes fincas.

Por lo tanto, al convertir el suero líquido en un polvo mediante un proceso de secado por atomización, se aumentan las cualidades de conservación, se mantiene constante el contenido en sólidos en el producto seco y se evitan las grandes fluctuaciones esta-cionales en el suministro del suero.

Elaboración de suero en polvo procedente de la producción tradicional de queso

Previo al proceso de secado, el suero es concentrado para eliminar el 90% del conte-nido de agua. Para reducir el consumo de vapor, el proceso se realiza en un evapora-dor multietapa de película descendiente con termo-compresión. Además de las mis-mas calandrias de evaporación, el evaporador tiene precalentadores para calentar el suero mediante vahos previo a su pasteurización utilizando vapor vivo suministrado directa- o indirectamente.

El suero evaporado es bombeado a los tanques de cristalización o bien directamente a la planta de secado mediante una bomba de velocidad variable. La planta de secado puede ir equipada con transporte neumático o bien lechos fluidos, para el post-secado y enfriamiento.

El pretratamiento antes de la evaporación es como sigue: El suero fresco debe enfriar-se a 5-10°C inmediatamente después de la descarga de la cuba para evitar una des-composición bacteriológica, lo cual podría dar problemas en el secado. Una conserva-ción del suero fresco es posible con H2O2 o formaldehído. El formaldehído es mejor, ver Fig. 122. Además, la presencia de H2O2 dará lugar a una corrosión crateriforme significante de los rotores en las bombas del evaporador.

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PH

4,6

4,8

5,0

5,2

5,4

5,6

5,8

6,0

6,2

6,4

0 24 48 72 Horas

2

3,32

1

0

Adición a 1000 l de suero crudo a 5 Co

0 sin adición

1 250 ml2 500 ml3 1000 ml

Peróxido hidrógeno (35%)Formaldehido (40%)

Fig. 122 Preservación de suero por formaldehido y peróxido

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También es recomendable clarificar el suero para quitar los micelios de caseína y así evitar que se quemen y se adhieran a los tubos del evaporador, dando lugar a partícu-las quemadas en el polvo final. La grasa restante en el suero debe ser eliminada por una centrifugación, ya que la grasa tiende a provocar depósitos en la cámara de seca-do.

El suero corresponderá típicamente a la siguiente especificación:

- Sedimentos: máx. 0,1 mg/25 ml - pH: mín. 6,3 - Acidez titulable: máx. 0,12% - Acido láctico: máx. 20 mg/100 ml - Contendido de grasa: 0,05% máx. - Contenido de lactosa: 70% mín., 74% máx. - Contenido de proteínas: mín. 12% - Gases incondensables: máx. 0,02% por peso - Contenido de calcio: máx. 300 ppm - Contenido de magnesio: máx. 100 ppm - Contenido de cloruro: máx. 1.200 ppm

En el caso de almacenar el suero entre la quesería y el proceso de evaporación a una temperatura superior a 10°C, el período de almacenaje no debe exceder una hora. Si la temperatura de almacenaje es inferior a 10°C, el período de almacenaje no debe exce-der diez horas.

Evaporación

En el evaporador el suero es precalentado hasta 60-70°C (dependiendo de las condi-ciones de operación) y a continuación es pasteurizado. Mediante una combinación de la temperatura y el tiempo de permanencia, es posible controlar el grado de desnatura-lización de las proteínas, lo cual permite obtener el producto en polvo especificado.

En general, con un aumento de la temperatura y el tiempo de pasteurización, la visco-sidad del concentrado de suero aumenta y las propiedades no-apelmazantes son mejo-radas. El suero es evaporado hasta un contenido en sólidos apropiado para el siguiente proceso de secado variando desde el 40% al 60% de sólidos. Como el suero crudo contiene sólo un 6% de sólidos, esto significa que el valor e = 10 (ver Fórmula (2) en pág. 15). Por eso es necesario equipar el evaporador con un sistema de control de la alimentación y de la densidad, ya que incluso ligeras variaciones darán lugar a grandes fluctuaciones en el contenido en sólidos del concentrado. Ver el diagrama Fig. 123.

De atención especial es también el contenido de Ca++ en el suero. Ca-fosfato es una sal que precipita en caso de un aumento de la concentración y de la temperatura. Pue-de ser un problema especialmente en la primera etapa de evaporación donde forma

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FLUJO DE MASA kg/h

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Fig. 123 Grado de evaporación: C como una función del flujo de masas y capacidad evaporativa

Fig. 124 Preconcentración de suero previo al transporte a una instalación de secado centralmente ubicada

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depósitos en los tubos, si no se elimina mediante un proceso de decalcificación, ver pág. 281. Alternativamente, es necesario un lavado intermedio con ácido después de 6-8 horas.

Dado que el contenido en sólidos en suero es menor que el la leche descremada, se obtendrá menos cantidad de concentrado en un evaporador diseñado para leche des-cremada, ya que la capacidad de evaporación es prácticamente la misma. Esto puede tener el efecto de que ya no se obtiene un buen recubrimiento de los tubos en la última etapa, necesitando una recirculación o una división de las etapas.

Asimismo puede eliminarse parte del agua del suero en una planta de hiperfiltración, hasta un contenido del 10-15% de sólidos, para así aumentar la capacidad del evapo-rador.

También puede llevarse a cabo una pre-evaporación, si no es posible obtener suficien-te suero (>400.000 l/día) para una producción rentable de suero en polvo. Las peque-ñas lecherías pueden así pre-evaporar su suero en un evaporador hasta un contenido en sólidos de un 30%, enfriarlo y transportar el concentrado a una central con el fin de reducir los gastos de transporte. El suero pre-concentrado puede ser mezclado a conti-nuación con suero crudo procedente de la propia producción de la central, después de lo cual se realiza la evaporación final seguida del secado por atomización, ver Fig. 124. Evidentemente es más económico eliminar el agua en un evaporador que en un secador (unos 1:20), y por lo tanto no es sorprendente que los esfuerzos en la investi-gación se hayan enfocado en aumentar el contenido en sólidos del concentrado al salir del evaporador. Para este fin hay que aumentar la temperatura de salida (aprox. 1°C/1% TS). Esto significa que la temperatura del polvo alcanzará la zona de pegajo-sidad dando problemas graves en el secador, en forma de p.ej. depósitos y ciclones obstruidos.

La temperatura de pegajosidad depende de la composición del suero y de los siguien-tes componentes principales:

• Contenido de ácido láctico y sales�• Contenido de lactosa amorfa�• Contenido de humedad

Contenido de ácido láctico

Se ha observado que la temperatura de pegajosidad en una muestra de suero dulce en polvo fue de 98°C. Agregando gradualmente ácido láctico hasta el 16%, la temperatu-ra de pegajosidad fue reduciéndose paralelamente hasta 57°C. (Las muestras tenían un contenido de humedad de 1,5-3,5%, lo cual también influye en la temperatura de pe-gajosidad, pero no tanto). Una neutralización parcial o completa aumenta otra vez la temperatura, aunque no alcanza el mismo nivel que el del suero dulce, debido a su contenido aumentado de sales.

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HUMEDAD POLVO %

ZONA PEGAJOSA

ZONA NO-PEGAJOSA

Co

Fig. 125 Relaciones entre el contenido de humedad, temperatura del aire, temperatura de la partícula y temperatura de pegajosidad

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Contenido de lactosa amorfa

La conversión de la lactosa amorfa en monohidrato de α-lactosa mediante cristaliza-ción (ver pág. 259) dará lugar a un aumento de la temperatura de pegajosidad. Se ha observado que un suero ácido en polvo con el 80% de lactosa cristalizada tiene una temperatura de pegajosidad de 78°C, mientras que el mismo producto, pre-cristalizado a sólo 45%, tiene una temperatura de pegajosidad de 60°C. Esto permite un aumento del contenido en sólidos de un 18%, siempre que el concentrado haya sido correcta-mente pre-cristalizado dejando sólo una pequeña parte de lactosa amorfa en el produc-to final.

Contenido de humedad

El contenido de humedad de un suero en polvo -también el contenido intermedio de humedad de un producto semi-secado p.ej. en el secador entre la atomización y la sa-lida del polvo- tiene una influencia considerable en la temperatura de pegajosidad. El diagrama de la Fig. 125 muestra la relación entre la temperatura de salida (to) y la temperatura de pegajosidad (ts). Manteniendo los demás parámetros constantes es ob-vio que la humedad del polvo depende de la temperatura de salida. La temperatura de las partículas de producto en el secador es inferior a la temperatura de salida, y esta diferencia en temperatura aumenta con un mayor contenido de humedad. La línea (ts)indica la temperatura de pegajosidad de un determinado polvo de suero bajo la in-fluencia del contenido de humedad. Esta línea cruza la línea de la temperatura del producto en un punto (Tpc), el cual representa el contenido máximo de humedad -y al mismo tiempo la temperatura mínima (crítica) de salida (Toc)- que se puede utilizar para el secado de este tipo de concentrado de suero sin tener problemas de pegajosi-dad.

Se ha observado que una temperatura de salida de 90°C, dando una temperatura del producto de unos 82,5°C y un contenido de humedad del 3%, corresponde a una tem-peratura de pegajosidad de 84,5°C. Bajo tales condiciones el secador trabaja con un margen de seguridad de 2°C por debajo del punto de pegajosidad, correspondiente a una humedad de aprox. 0,2%.

Sin embargo, las condiciones pueden variar un poco durante el proceso dando lugar a un aumento de la temperatura del producto por encima del punto de pegajosidad. Esto podría ocurrir por ejemplo cuando:

• La temperatura de salida desciende 2°C• La concentración aumenta un 1%�

• La humedad absoluta del aire de secado aumenta unos 5 g/ m3

• La acidez del suero tratado aumenta en un 0,02% de ácido láctico

El ejemplo arriba descrito es válido para un tipo de suero dulce, operando a una tem-peratura de entrada de 180°C y con una concentración del 44% en el concentrado pro-cedente directamente del evaporador sin pre-cristalización. Estas condiciones son muy normales para el suero dulce sin pre-cristalización.

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Lactosa

Fig. 126 Molécula de lactosa en las formas y αβ

Lactosa

Fig. 127 Mutarrotación (expresado en % de la transformación obtenible al equilibrio)

β αFig. 128 Transformación de lactosa a lactosa en 1 hora

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Cristalización del concentrado de suero

Una pre-cristalización del concentrado eleva la temperatura de pegajosidad, ya que la cristalización da un concentrado con mucho menos lactosa amorfa a secar, permitien-do así concentraciones y temperaturas de entrada mucho más altas en el concentrado de alimentación.

Para comprender a fondo la teoría del proceso de cristalización, es necesario estudiar las propiedades físico-químicas de la lactosa, la cual forma 3/4 de los sólidos del sue-ro.

La lactosa es un disacárido muy distinto en su comportamiento de otros tipos de azú-cares. Una característica distintiva de la lactosa es su presencia en diferentes formas con interrelaciones físico-químicas determinadas por la temperatura.

En una solución acuosa, la molécula de la lactosa está presente en las formas α y βsegún descrito en la Fig. 126.

Las formas α y β están en un equilibrio reversible, es decir tiene lugar una transfor-mación continua de la forma α en la forma β y viceversa, la llamada mutarrotación, ver Fig. 127. La proporción de la forma α transformada en la forma β es determinada por la temperatura, ver Fig. 128.

En el suero en polvo producido de acuerdo con el proceso antes descrito, y con un sis-tema de transporte neumático, la lactosa está presente en una fase amorfa y vidriosa. Esta forma de la lactosa es sumamente higroscópica y absorbe humedad del aire for-mando monohidrato de α-lactosa.

El monohidrato de α-lactosa no higroscópico se forma también en concentrados de suero líquido mediante una cristalización de la lactosa de soluciones sobresaturadas. La forma α es menos soluble que la forma β a una determinada temperatura, y por eso la forma α alcanza el punto de sobresaturación antes de la forma β formando cristales de monohidrato de α-lactosa. En la Fig. 129 se muestran las propiedades de disolu-ción de la lactosa α y β en relación a la temperatura.

La eliminación de la α-lactosa de la solución debido a la cristalización modifica la proporción entre α- y β-lactosa, dando lugar a que la solución contenga más β-lactosa que lo que corresponde al equilibrio.

Debido a la mutarrotación, la solución de α-lactosa vuelve a su estado supersaturado, y la cristalización continúa. Este proceso continuará mientras la solución esté supersa-turada y no se detiene hasta alcanzarse el punto de saturación.

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Temp.oC

Lactosatotal

Solubilidad en % (expresado como anhídrido)

Solubilidad en 100 ml H2O (expresado como anhídrido)

Fig. 129 Solubilidad de lactosa α y β en agua de distintas temperaturas

Lactosatotal

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La lactosa puede ser supersaturada mediante:

• Un aumento del contenido de lactosa en relación al contenido de agua. Esto se lleva a cabo mediante la evaporación.

• Un enfriamiento de la solución, ya que la lactosa es menos soluble en agua a ba-jas temperaturas.

De esta manera, se obtiene una cristalización rica mediante la concentración del suero hasta un contenido en sólidos lo más alto posible, y mediante el enfriamiento del con-centrado.

El grado de mutarrotación se ve directamente influenciado por la temperatura de la so-lución, y según se observa en la Fig. 128, tiene lugar bastante rápidamente a altas temperaturas, mientras que el proceso es muy lento a temperaturas cerca del punto de congelación. Se desprende claramente que las condiciones que promueven la mutarro-tación son inversas a las que promueven la cristalización.

Esto significa que, al enfriar el concentrado demasiado rápidamente y a una tempera-tura demasiado baja, la proporción de lactosa que cristaliza será baja, incluso si la cristalización procede rápidamente. Esto es debido a que la mutarrotación lenta tiene como resultado que sólo una pequeña cantidad de la β-lactosa se transforme en α-lactosa.

Por lo tanto, para obtener un grado adecuado de cristalización se requiere un equili-brio de temperaturas.

El contenido en sólidos real obtenible depende del tipo de suero, del grado de desna-turalización de las proteínas, del pH y de la capacidad del evaporador.

Aunque no se comprenda a fondo el proceso de cristalización, se sabe que la cristali-zación tiene lugar en la superficie de los cristales ya existentes. Con el fin de promo-ver la cristalización, se siembran cristales de lactosa o suero en polvo bien cristalizado sobre la solución supersaturada. Es el área de superficie del material sembrado que constituye el factor importante, y por consiguiente debe añadirse al concentrado una cantidad suficiente de cristales pequeños. Si se utilizan cristales de lactosa (monohi-drato de α-lactosa) se añadirá aproximadamente el 0,1% en peso al concentrado.

El enfriamiento del concentrado se realiza instantáneamente hasta 30°C en un enfria-dor rápido tipo "flash" conectado al evaporador (ver pág. 57), y luego lentamente (1-3°C/h) hasta unos 15°C en tanques de cristalización de diseño especial con camisa de enfriamiento, ver Fig. 130. Este enfriamiento permite una mutarrotación a veloci-dad adecuada, dando lugar a una cristalización rica del 80% o más de la lactosa. Du-rante todo el período de cristalización, es de gran importancia agitar vigorosa y conti-nuamente el contenido del tanque de cristalización. Esta agitación se efectúa para lle-var la solución supersaturada a la superficie de los cristales y al mismo tiempo reem-plazar la solución saturada. Una agitación también evita que la viscosidad de la

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Concentrado de suero

Sal. agua enfr.

Entr. agua enfr.

Concentrado de suero cristalizado

VISCOSIDADcps

0 t i t o máx Tiempo

de un concentrado de sueroFig. 131 Desarrollo de la viscosidad durante la cristalización

Fig. 130 Tanques de cristalización de suero

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suspensión tixotrópica aumente demasiado. Al mismo tiempo se evita una sedimenta-ción de los cristales de lactosa.

En general, la viscosidad del concentrado de suero cristalizado es influenciada por:

• Tratamiento térmico antes de la evaporación�• Contenido en sólidos en el concentrado�• Tamaño de los cristales de lactosa

Tratamiento térmico antes de la evaporación

El grado de desnaturalización de las proteínas del suero tiene una gran influencia en la viscosidad del concentrado, así como en el grado de cristalización, las propiedades de secado y las características del polvo final. Las propiedades de las proteínas pueden también variar en diferentes tipos de suero, y por consiguiente pueden precisar distin-tos tipos de tratamiento térmico.

Como orientación, la temperatura del precalentamiento debe ser alrededor de 80°C.Normalmente temperaturas más altas producirán una más alta viscosidad y consecuen-te-mente problemas con el bombeo del concentrado cristalizado. Las temperaturas in-feriores a 80°C reducirán la viscosidad, pero al mismo tiempo pueden darse proble-mas de depósitos en la cámara de secado debido a una termo-plasticidad aumentada que necesita temperaturas más altas de las partículas y de salida, y el resultado será un producto inferior.

Por lo tanto, como norma general se mantiene la temperatura de precalentamiento a un nivel que dará una viscosidad alrededor de 2000 cP.


Es obvio que cuanto más alto el contenido en sólidos, más alta la viscosidad del con-centrado. Sin embargo, durante la cristalización, también la viscosidad es sometida a grandes modificaciones, debido a la reducción de la temperatura y también a la crista-lización misma.

Tamaño de los cristales de lactosa

Un desarrollo típico de la viscosidad durante la cristalización se ilustra en la Fig. 131. La máxima viscosidad al tiempo máximo (t0) para una cantidad dada de concentrado es obtenida en poco tiempo (½-1 hora) y puede alcanzar bastantes miles de cP, debido a que el tamaño de los cristales de lactosa es muy pequeño (gran superficie específica) y su solución de aguas madres aún tiene un contenido en sólidos bastante elevado, produciendo así una alta fricción entre los cristales y las aguas madres. Con el paso del tiempo los cristales de lactosa crecen y el contenido en sólidos en las aguas ma-dres disminuye con la consiguiente reducción de la viscosidad.

La viscosidad a t0 máximo puede ser tan grande que una agitación llegue a ser impo-sible. Sin embargo, el contenido en el tanque de cristalización es "diluido" en cuanto

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LACTOSA CRISTALIZADA

Horas

Fig. 132 Cristalización de lactosa como una función del tiempo

25 C, sembrado con 2‰ de lactosa

40 C, sembrado con 1‰ de lactosa

Fig. 133 Evaporador, dos enfriadores 'flash' con tanques de cristalización, y un secador tipo compacto para la producción continua de suero semi-cristalizado en polvo

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a viscosidad, con el concentrado bombeado al tanque al tiempo ti. Por lo tanto la curva

t no-Σ es de gran interés, y bajo condiciones normales la viscosidad no da problemas, si

el tratamiento térmico es controlado. El tamaño de cristal deseado en el concentrado es 20-30µ y el más grande no debe exceder 50µ. De este modo se asegura que todas las partículas atomizadas contengan por lo menos un cristal de lactosa, lo cual permite la con-tinuación del proceso de cristalización durante el secado final. Esto es posible ya que la so-lución de aguas madres vuelve a su estado supersaturado debido a la evaporación.

Bajo condiciones normales, es posible obtener una cristalización del 80-90% de la lac-tosa. El porcentaje se determina muy fácilmente utilizando un refractómetro manual simple, que indica el índice refractorio o bien el porcentaje directo de azúcar en la so-lución.

El índice refractorio o el porcentaje directo de azúcar se mide a intervalos de 15-30 minutos, directamente a la salida del evaporador, y el valor promedio aritmético se calcula = S1. En una muestra normal de concentrado cristalizado de suero se realiza otra lectura refractométrica = S2. Es posible calcular el grado de cristalización aproximadamente utilizando la siguiente fórmula:

)S-(95 x TS x L100 x 9500 x )S-S(=ciónCristaliza%2

21 (27)

donde: S1 = % azúcar (índice ref.) en el concentrado

directamente del evaporador. S2 = % azúcar (índice ref.) en el concentrado cristalizado L = % lactosa (se puede usar el 74%) TS = porcentaje de sólidos totales

Semi-cristalización de concentrado de suero

De la Fig. 132 se desprende que la mayoría de la lactosa se cristaliza después de 3-4 horas. Por lo tanto se ha desarrollado un nuevo proceso continuo de semi-cristalización. El polvo producido manifiesta buenas propiedades físicas.

El suero es procondensado hasta un contenido en sólidos de 50-52% y a continuación enfriado rápidamente a 30°C. El concentrado se bombea a un tanque normal de pared simple, provisto de agitador. El volumen del tanque corresponde a una producción de 2-3 horas. Se realiza un sembrado del concentrado según descrito anteriormente para empezar el proceso de cristalización.

Cuando el tanque está lleno, se descarga el producto a la misma velocidad que se in-troduce nuevo producto. El concentrado semi-cristalizado es bombeado al enfriador tipo "flash" No 2 donde es enfriado a 15°C y bombeado a un nuevo tanque de un

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Fig

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volumen que corresponde a una producción de 2-3 horas, para completar la cristaliza-ción. Debido al calor producido por la cristalización, la temperatura aumentará en 23°C. Una vez llenado el tanque, se inicia el proceso de secado por atomización. Ver Fig. 133.

Secado por atomización de concentrados de suero

El secado puede realizarse por tres procesos distintos, dependiendo de las especifica-ciones del producto final:

• Secado mediante el proceso de transporte neumático • Secado mediante el proceso de lecho fluido • Secado mediante el proceso de cinta transportadora

Secado mediante el proceso de transporte neumático

Este proceso incluye una alimentación del concentrado al atomizador, que puede ser de tobera a presión o del tipo rotativo. Según se ha descrito ya, el secado se realiza in-troduciendo aire caliente a través del dispersor de aire en la cámara de secado. El aire absorbe el agua evaporada del concentrado y pasa a través de los ciclones, donde son separadas las partículas arrastradas.

La mayoría de las partículas de polvo son descargadas por el fondo cónico de la cáma-ra. De aquí pasan a un sistema de transporte neumático y enfriamiento que también recoge la fracción procedente del ciclón anteriormente mencionado.

Todo el polvo es separado en un ciclón, tamizado y luego ensacado.

La Fig. 134 muestra este tipo de planta que incluye un evaporador de película descen-diente y una instalación de secado por atomización con sistema de transporte neumáti-co. El polvo producido en esta planta tiene las siguientes características:

• se compone de partículas sueltas • tiende a ser pulverulento • alta densidad específica • alta higroscopicidad y tendencia a apelmazarse

Este tipo de producto se usa principalmente para forraje. La tendencia higroscópica se debe a la lactosa en el polvo que se encuentra en estado amorfo, que absorbe agua y se vuelve pegajoso. Por eso debe mantenerse baja la temperatura de salida y un conteni-do bajo de humedad residual. Asimismo es necesario mantener un bajo contenido en sólidos. Las condiciones para este proceso son normalmente las siguientes:

• Pasteurización a 80°C• Evaporación a 42% de sólidos • Secado a una temperatura de 180°C

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El secado por atomización de un concentrado precristalizado de suero puede tener lu-gar bajo unas condiciones de operación mucho más económicas, ya que es posible aumentar la temperatura de secado y el contenido en sólidos. Así pueden reducirse los gastos totales del secado. Como la mayoría de la lactosa está cristalizada, y por lo tan-to puede absorber muy poca agua, el polvo final será de una mejor calidad, ya que se ha reducido la tendencia de apelmazarse. Las condiciones típicas para este tratamiento son:

• Pasteurización a 80°C• Evaporación a 50-55% de sólidos • Cristalización • Secado a una temperatura de 180-200°C

Secado mediante el proceso de lecho fluido

Mediante la instalación de lechos fluidos integrados y/o Vibro-Fluidizadores para el post-secado y el enfriamiento se mejora la economía del secado. El principio consiste en que se opera el secador de modo que el polvo será secado hasta un contenido de humedad del 5-6% en la etapa primaria de secado.

La humedad sobrante es eliminada en el Vibro-Fluidizador mediante una corriente de aire caliente que seca el polvo hasta el contenido final de humedad. Introduciendo aire frío en una sección adicional del Vibro-Fluidizador, se obtiene un enfriamiento del polvo hasta la temperatura deseada. El aire para el post-secado y enfriamiento pasa a través de un ciclón donde el polvo arrastrado es separado y devuelto al atomizador, junto con la fracción del ciclón principal, para su aglomeración. La aglomeración dará un polvo de alta fluidez y una reducción de la superficie específica, con el resultado de que se reducirá aún más la absorción de humedad, y el polvo final no tendrá prácti-camente ninguna tendencia a apelmazarse.

La Fig. 135 muestra un diagrama de flujo del proceso continuo para suero no-apelmazante, con evaporador, tanques de cristalización y planta de secado con sistema de lecho fluido y Vibro-Fluidizadores. Las condiciones típicas para el secado son:

• Pasteurización a 80°C• Evaporación a 50-60% de sólidos • Cristalización • Secado a una temperatura de 185°C

Secado mediante el proceso de cinta transportadora

Otro proceso de secado, el llamado proceso con cinta transportadora, o el proceso húmedo, es especialmente ventajoso cuando se necesitan productos con buenas pro-piedades de aglutinación/higroscopicidad (ver además "Secado de Permeados" pág. 281), o al secar suero de ácido láctico que, debido a su alto contenido de ácido láctico líquido en forma seca, es muy termoplástico, incluso a bajas temperaturas. El suero de

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Fig. 136 Secador con cinta para la post-cristalización

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ácido láctico es sumamente pegajoso durante el proceso de secado. Por eso se requiere una baja temperatura de secado y de las partículas para evitar la formación de depósi-tos en la cámara. Las condiciones típicas de secado son:

• Pasteurización a 80°C• Evaporación a 50% de sólidos�• Cristalización�• Secado a una temperatura de 150°C• Contenido de humedad de 12-15% al salir de la cámara

Para evitar una condensación en los ciclones debido a la baja temperatura de salida (aprox. 55°C) se puede introducir aire caliente en los ciclones, reduciendo así la humedad relativa.

Filtros de mangas -standard y de lavado CIP- no pueden recomendarse debido al alto contenido de humedad/humedad relativa en el aire de salida. En lugar se recomiendan lavadores tipo húmedo para el aire de salida.

El alto contenido de humedad en el polvo significa que la cristalización continuará en el polvo aún más comparado con el proceso con sólos lechos fluidos, estudiado en la pág. 269. Es posible mejorar la cristalización si se mantiene el polvo húmedo con un alto contenido de humedad durante 10-15 minutos. Esto se realiza en una cinta trans-portadora colocada entre la salida de la cámara y el Vibro-Fluidizador, donde tiene lu-gar el secado final, ver Fig. 136. El polvo estará compuesto de grandes aglomerados con una baja densidad específica y con excelentes propiedades instantáneas y no-apelmazantes. Se puede aumentar la densidad mediante un tratamiento con trituradora de martillos.

Secado de concentrados de suero de alta concentración

Con la intención de mejorar la economía del secado, los sólidos en el concentrado se han aumentado experimentalmente hasta 70-75% de sólidos totales. Para evitar la cristalización en el último efecto, donde la lactosa es supersaturada, el evaporador está equipado con un alto concentrador que opera con reciclaje y temperatura de evapora-ción más alta. También la temperatura más alta es necesaria para desminuir la visco-sidad del concentrado y así evitar tubos bloqueados.

Cuando el concentrado obtiene el contenido de sólidos final es enfriado por 'flash', donde la cristalización es instantánea. Tanques normales de cristalización no se nece-sitan, sólo un tanque intermedio con agitación. No obstante, la alta temperatura durante el largo período de recirculación en el evaporador tiene su precio, ya que las proteínas son desnaturalizadas, y se pierden apreciables valores nutritivos. Además, la reacción Maillard arranca, dando lugar a una descolorización pronunciada y un mal sabor en el producto final. Por consiguiente, aunque sea atractiva la economía, el resultado final -el producto seco- no cumple standards internacionales.

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Producción de suero ácido en polvo

No todo el suero procede de la producción tradicional de quesos que da un suero dulce con un pH de mín. 6,3. Los quesos como Cottage cheese, Quark, Fromage Frais, Que-so Fresco, Mozzarella, y otros, producen un suero con un pH de 4,6 debido a la preci-pitación de la leche.

El ácido láctico es muy higroscópico y termo-plástico y por lo tanto difícil de secar. Puede ser necesaria una neutralización (a un pH de 5,2-5,5), y se pueden aplicar los siguientes agentes neutralizantes:

• Mg(OH)2 forma Mg-lactato que es un sal "seco" preferido por los consumidores, ya que no provoca color oscuro en la carne de los animales, típicamente terne-ros, que consumen el producto final.

• Ca(OH)2 puede también usarse, pero como el contenido de Ca++ ya es alto en el suero ácido, los animales podrán tener problemas digestivos.

• NaOH se usa a veces, pero no se recomienda, ya que el Na-lactato es higroscó-pico y termo-plástico. Además descolora la carne de animales que comen este producto.�

El suero ácido procedente de una acidificación por ácidos minerales como son HCl o H2SO4 no necesita una neutralización, pero se debe tomar medidas especiales al elegir el acero inoxidable para la construcción del evaporador y del secador, ya que la corro-sión es un problema, especialmente debido a los iones Cl-.

En general, el suero ácido resulta más difícil de secar que el suero dulce, y se reco-mienda la adición de un 0,1-0,3% de un agente fluidizador, como p.ej. Tixosil, duran-te la operación de secado.

Suero con grasa

Una adición de grasa al concentrado de suero es posible antes del secado. Un 26 al 50% de materia seca es normal. Este producto se usa luego directamente, o en una operación de mezclado en seco para la elaboración de distintos sustitutos de leche pa-ra terneros. La grasa utilizada es normalmente de un tipo barato, como por ejemplo manteca o sebo. Se debe tomar las medidas oportunas contra la presencia de ácidos grasos poliinsaturados, mediante una adición de antioxidantes, para evitar incendios en el secador.

Se puede evitar eficazmente la formación de depósitos en las paredes introduciendo aire caliente a 60°C tangencialmente en la parte cilíndrica de la cámara de secado. La cantidad de aire requerida es alrededor del 5-10% de la cantidad de aire de secado.

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Dominan en el mercado los productos de suero en polvo reengrasados al 40%. La planta más idónea para este producto es el secador Compacto, estudiado en la pág. 147, y a continuación se indican las medidas tecnológicas recomendadas para el pro-ceso:

1. Debe usarse suero dulce de buena calidad con un contenido normal de proteínas de suero, es decir el suero de caseína no se recomienda, ya que el contenido de proteínas de suero es bajo dando lugar a altos niveles de grasa libre y una alta estabilidad de emulsión de grasa.

El pH no debe ser inferior a 6,3-6,4 en el suero crudo. Es posible neutralizar con Mg(OH)2 para mejorar la estabilidad de la emulsión de grasa, y para estabilizar especialmente los sales de citratos, fosfatos y lactatos. No deben hidrolizarse las proteínas del suero y una buena indicación es 150 NH4+/100 g de sólidos máx.

Cuanto más bajo sea el pH del suero crudo, más agente neutralizante hay, y más difícil es el secado. El resultado sería un producto de calidad inferior.

2. Inmediatamente después del proceso de queso se debe pasteurizar el suero a 72°C durante 15 segundos y enfriarlo a 4-5°C para almacenaje.

3. Una pasteurización a 80°C, sin retención, antes de la evaporación al 50% de só-lidos y el enfriamiento "flash" hasta 30°C.

4. Enfriamiento a 25°C durante 5 horas (1°C/h) en tanques de cristalización.

5. Adición de hexametafosfato sódico o polifosfato sódico para ligar los iones de Ca++.

6. Mezclado de grasa y 1-3% de emulsionadores a 60-70°C.

7. Mezclado de grasa/emulsionador con el concentrado de suero.

8. Calentamiento en línea a 65°C mediante un intercambiador de pre-calentamiento del concentrado. El tiempo de retención del concentrado a esta temperatura debe ser el más corto posible, para evitar derretido de los cristales de la lactosa.

9. Homogeneización de dos etapas a 80/50 bar g.

10. Secado por atomización, preferiblemente con filtro de mangas lavado por CIP para evitar problemas de ciclones bloqueados.

11. Adición de agente fluidizador durante el secado.

12. Enfriamiento en un Vibro-Fluidizador y ensacado.

Ver Fig. 137.

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Fig. 138 Secador de cinta integrada tipo FILTERMAT® (FMD)

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Para el secado de suero con un 50% de grasa se recomienda el Secador de Multi-Etapas con filtro de mangas lavado por CIP (ver pág. 151) debido a su diseño espe-cial, donde el concentrado es atomizado sobre la capa de polvo fluidizado, para así evitar depósitos excesivos de producto en la planta. Con contenidos más altos de grasa el producto resulta demasiado difícil de secar a causa de importantes depósitos de polvo en las plantas tradicionales. Para tal fin se elige el secador de cinta integrada, tipo FILTERMAT® (FMD), ver Fig. 138. En esta planta el concentrado es atomizado hacia abajo cayendo sobre una cinta de movimiento lento, en la cual el polvo se acu-mula como una capa (estera) de polvo que se transporta continuamente desde la zona de secado hasta las zonas de post-secado y enfriamiento. El aire de proceso (secado primario, secado secundario, y enfriamiento) sale a través de la capa de polvo y la cin-ta (compuesta de un material poroso sintético para alimentos) pasando a un ciclón. La cantidad de polvo arrastrada en el aire de la cámara de secado es muy baja, por lo que el ciclón está equipado con un cubo para el vaciado manual del polvo fino.

El uso de suero en polvo con o sin grasa es frecuente. Sin embargo, la mayor parte se usa como forraje directamente (hasta el 50%) o bien como ingrediente para una mez-cla.

Aguas madres

En la elaboración de lactosa, el producto residual después de la separación de los cris-tales de lactosa, normalmente mediante decantación (ver pág. 289), se denomina Aguas Madres. Normalmente contiene 1/3 de proteínas, 1/3 de solución de lacto-sa/cristales y 1/3 de sales, y debido a su higroscopicidad creada por las sales y la lac-tosa, resulta difícil de secar, y se forman normalmente depósitos en las paredes.

Sin embargo, es posible solucionar estos problemas aplicando la técnica anteriormente descrita, mediante una introducción tangencial de aire caliente a 60°C en la cámara de secado, lo que reduce los problemas a un mínimo. El secador con lecho fluido inte-grado es una solución muy apropiada para este producto. Antes del secado, pueden añadirse también varios tipos de grasas a las aguas madres. El enfriamiento del polvo tiene lugar en un Vibro-Fluidizador operado con aire frío. El polvo de las aguas ma-dres se utiliza como forraje y es especialmente indicado para los animales que no pue-den asimilar la lactosa, como por ejemplo las aves de corral.

Debe prestarse una atención especial al alto contenido de sal en el producto, el cual puede provocar problemas de digestión en algunos animales. Otro factor es la ausen-cia del aminoácido Metionina, que sólo está presente de manera limitada en las pro-teínas de suero. Se debe, por lo tanto, considerar la adición de una Mitionina sintética (harina de pescado o proteínas de soja).

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TEMPERATURA POLVO Co

INDICEINSOLUBILIDAD EN ML

Fig. 139 Solubilidad del producto final WPC como una función de la temperatura del aire de salida desde el secador

Fig. 140 Secador tipo alto para productos de proteínas de suero (TFD)

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Proteínas de suero (WPC)

Según mencionado anteriormente el suero contiene un 0,8% de proteínas correspon-diente a un 13% de la materia seca, que se denominan proteínas de suero. El valor nu-tritivo se considera muy alto, y como la leche materna contiene más proteínas de suero que la leche de vaca, se han hecho numerosos esfuerzos para separar dichas proteínas del suero, especialmente para uso en alimentos infantiles.

El proceso más aceptado y extendido es la ultrafiltración. Este proceso es bien cono-cido por los lectores, por lo que aquí no se comenta.

Para cumplir con las especificaciones del producto final, puede variarse el contenido en sólidos y la composición del concentrado, también conocido como el retentado de ultrafiltración.

Para uso comercial, las proteínas de suero se venden con tres distintos contenidos de proteínas: WPC al 35%, al 60% y al 80%.

Si se usan 100 kg de suero dulce normal con un 6% de sólidos, se descargan aprox. 20 kg de WPC al 35% del módulo de ultrafiltración con un contenido en sólidos alrede-dor del 10%, el cual se aumenta mediante evaporación al 45% antes del secado por atomización. Se descargan aprox. 8 kg de WPC al 60% con un contenido en sólidos alrededor del 15%, y es evaporado al 42% antes del secado por atomización. Una alta concentración de proteínas dará una alta viscosidad, y si se produce un WPC al 80% resulta necesario añadir agua (diafiltración) durante la filtración final. Se descargan 3 kg de WPC al 80% con un contenido en sólidos alrededor del 28-30%. Debido a su al-to contenido de proteínas puede ser secado directamente.

Los concentrados de proteína de suero pueden usarse directamente en fórmulas para alimentos infantiles junto con concentrados de leche normal, obteniendo así un pro-ducto con una composición similar a la de la leche materna. Los concentrados de pro-teína de suero pueden usarse también en la elaboración de quesos blandos o como carga (absorbedor de agua) en salchichas como sustituto de carne.

El secado de concentrados de proteína de suero es fácil, pero para mantener una buena solubilidad del producto, es imprescindible aplicar bajas temperaturas del aire de sali-da para evitar así una desnaturalización, ver Fig. 139. Por lo tanto se recomienda el secado de dos etapas.

El contenido en sólidos en el concentrado es bajo debido al alto contenido de proteí-nas, por lo que la planta de secado siempre se equipa con filtros de mangas después de los ciclones. Sin embargo, como la fracción del filtro no siempre tiene la misma cali-dad que el producto principal, se elige muy a menudo el secador tipo Torre Alta, ya que la salida de aire de diseño especial reduce al mínimo la fracción del ciclón, y por consiguiente también la fracción del filtro. Ver pág. 73 y Fig. 140.

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La tendencia actualmente es la producción de proteínas de suero en polvo aglomerado y instantáneo. Debido a la falta de lactosa como agente aglutinante, especialmente en el WPC al 80%, la aglomeración es difícil. No obstante, eligiendo el secador de Mul-ti-Etapas, ver pág. 151, Fig. 85, es posible obtener una aglomeración suficiente. Como las proteínas son muy hidrofílicas, absorberán el agua instantáneamente a su primer contacto con agua, haciendo difícil la dispersión. Mediante una aglomeración y leciti-nación se puede detener la absorción del agua justo lo suficiente para permitir la dis-persión del polvo en el agua antes de la disolución final.

El polvo tiene las mismas aplicaciones que los concentrados, pero además tiene la enorme ventaja de una conservación casi indefinida.

Permeado

El otro producto procedente de la ultrafiltración es el permeado, que normalmente contiene un 4,5% de lactosa. El permeado puede ser usado para fermentación, produc-ción de glucosa-galactosa o lactylurea, o puede ser concentrado, cristalizado y final-mente secado.

La concentración tiene lugar en una planta de hiperfiltración y un evaporador, o solamente en un evaporador hasta un contenido en sólidos del 60%. Sin embargo, de-be prestarse una atención especial al complejo de Ca3(PO4)2, ya que este producto precipitará a altas temperaturas, especialmente si la concentración es alta y el pH es correcto.

Si el Ca++ no es inactivado, la precipitación tendrá lugar como depósitos en la superfi-cie caliente del evaporador, especialmente del primer efecto. Por eso es necesario rea-lizar una limpieza intermedia del evaporador con ácido después de 6-8 horas.

En la industria el Ca-fosfato se precipita en el suero/permeado ajustando el pH hasta 7,2 por una adición de cáustico (Mg(OH)2 o NaOH, ver también pág. 275), seguido de un calentamiento a ≈80°C. El Ca-fosfato precipitado luego puede eliminarse mediante una centrifugación o una filtración por membranas. El producto descargado puede se-carse y venderse como "calcio de leche".

Después del proceso de decalcificación el producto puede evaporarse y secarse direc-tamente, sin embargo se recomienda "neutralizarlo" añadiendo ácido cítrico o ácido acético, para evitar problemas con depósitos en la cámara de secado.

Debido a la tendencia higroscópica del producto final no es posible secar el concen-trado directamente; una cristalización resulta necesaria. Esta se realiza exactamente como descrito para la cristalización de concentrados de suero, y también el secado es igual al secado de suero. No obstante, a continuación se mencionan tres distintos pro-cesos de secado por atomización:

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1. El Proceso Seco

2. El Proceso Húmedo

3. El Proceso TIXOTHERM™

El Proceso Seco

En el llamado "Proceso Seco" el concentrado del permeado pre-cristalizado es secado en un secador tipo Compacto (ver Fig. 140a). Una atomización rotativa es preferida, ya que la rueda centrífuga puede manejar productos con cristales sin gastarse y por lo tanto ofrece la mejor alternativa Además, la atomización centrífuga es ideal para con-centrados de alta viscosidad.

Sin embargo, el contenido de humedad en el lecho fluido integrado resulta demasiado bajo (≈5% humedad libre) para permitir una cristalización ulterior de la lactosa. La movilidad del agua, necesaria para formar los cristales de lactosa, simplemente no es-tá presente. Un contenido más alto de humedad del producto en el lecho fluido, nece-sario para promover la cristalización (posiblemente a causa de la supersaturación de la lactosa durante el proceso de secado) hará imposible la fluidización del polvo en el le-cho fluido. Cualquier esfuerzo para lograr esto resultará en un secado del agua, haciendo imposible una post-cristalización.

No obstante, el producto final ofrece normales y buenas tendencias higroscópicas y aglutinantes, y la economía del secado será aceptable. Como siempre, se debe enfocar atención a la emisión de polvos. Ciclones pueden aplicarse seguido de lavadores tipo húmedo que usan agua como medio de lavado, o filtros normales de mangas. Debido al contenido relativamente bajo de humedad en el aire de salida, necesario para que el proceso en sí funcione, el aire puede pasar a través de un filtro de mangas lavado por CIP (ver pág. 109). Así se obtiene que el producto seco en total pueda recogerse como un producto de primera clase, y se evita una emisión de polvo.

Proceso Húmedo

El permeado en polvo se usa por todo el mundo, incluso en países con clima húmedo, y por eso el polvo absorberá humedad del ambiente, si la lactosa no es totalmente cris-talizada. Como explicado bajo el "proceso seco" la lactosa no puede obtener un 100% de cristalización debido a la falta de "agua móvil" durante el proceso. Por consiguien-te, la lactosa amorfa restante absorberá humedad del aire, cuando se abra la bolsa, si el aire ambiente contiene suficiente humedad. El polvo se aglutina, dando lugar a gru-mos y dejando un producto no atractivo para el consumidor.

Por eso se usa muy a menudo el proceso con cinta transportadora, o el proceso húme-do, ver pág. 269, para el secado de permeados. El permeado es evaporado en un eva-porador de multi-efectos, preferiblemente incluyendo un proceso de precipitación / separación de fosfato de calcio para permitir la operación de 20 horas sin limpieza in-termedia (ver pág. 253).Típicamente el concentrado obtiene un 60-65% TS antes de

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un enfriamiento 'flash' a 30°C seguido de otro enfriamiento y cristalización en tanques de cristalización durante 16-24 horas previo el secado por atomización.

El secado mismo se hace típicamente en una planta de secado de Torre Alta aplicando temperaturas de entrada del aire de 150-160°C, dependiendo de las condiciones am-biente, y una temperatura de salida de ≈55°C, cerca del punto de rocío (i.e. alto conte-nido de humedad) en el aire de salida. La baja temperatura del aire de salida resulta en un contenido de humedad tan alto como un 8-10% en el polvo que abandona la cáma-ra de secado. El polvo húmedo y relativamente frío es descargado a una cinta o disco que mueve lentamente dando un período de residencia del polvo de 10-20 min.

A medida que el concentrado con la solución de lactosa saturada es secado, se con-vierte otra vez supersaturado. Sin embargo, la lactosa no se cristaliza durante el pro-ceso de secado por atomización. Simplemente no hay suficiente tiempo, pero cuando el polvo con un contenido alto de humedad sea descargado a la cinta, el polvo relati-vamente frío con lactosa supersaturada empieza a cristalizar, ya que hay suficiente "agua móvil" y tiempo para promover el proceso de cristalización.

Una vez terminado el proceso de cristalización del polvo en la cinta o el disco, es des-cargado en un Vibro-Fluidizador para el secado y enfriamiento final.

El aire de salida de la cámara de secado, de ≈55°C, contiene un alto contenido de húmeda en g H2O/kg aire seco, por lo que se debe prestar atención especial al sistema de salida.

La salida del aire a través de ciclones y lavadores tipo húmedo es una alternativa que se usa a menudo, dependiendo del tipo de secador y el diseño de aspiración de aire. No obstante, se debe prestar atención especial a la salida de polvo desde los ciclones, ya que las partículas finas y húmedas son pegajosas, y válvulas rotativas normales no funcionan aquí, por lo que se debe establecer venturis al fondo del ciclón con una ex-tracción positiva de aire/polvo. Además es posible llevar el aire por un filtro de man-gas lavado por CIP, siempre que el diseño del secador permita una regulación de la cantidad de finos, para evitar una obstrucción de las mangas del filtro.

Aunque se ha argumentado antes que productos con cristales se atomizan mejor con un atomizador rotativo, se selecciona un secador de toberas para el "proceso húmedo", ver Fig. 140b, la razón siendo que el polvo húmedo de permeado es muy pegajoso, y cualquier obstrucción al movimiento del aire/polvo en una cámara tradicional de se-cado donde el conducto de aire de salida penetra en la cámara dará lugar a depósitos de polvo. El flujo laminar del aire hacia abajo en el secador en combinación con la atomización por toberas es elegido a pesar del costo de desgaste de las toberas.

El Proceso TIXOTHERM™

Tomando en cuenta el precio bajo del permeado en polvo, se han hecho muchas tenta-tivas para desarrollar un proceso de inversión baja, bajo consumo de energía y reque-rimientos reducidos de espacio.

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El proceso TIXOTHERM™, desarrollado por Niro (pendiente de patente) ofrece las ventajas mencionadas, sin embargo, hasta hoy ha sido probado solamente en una plan-ta piloto; Niro está en el proceso de diseñar plantas industriales. Ver Fig. 140c.

El proceso es simple y requiere los siguientes equipos:

Evaporador: (para aumentar el contenido de sólidos de 6% al 60% - sin enfriamiento 'flash' o pre-cristalización)

Se puede seleccionar soluciones de RTV de multi-efectos ó de RMV. Para ase-gurar una producción de 20 horas se debe incluir un proceso de descalcificación.

Secador de paletas/Evaporador: (para aumentar el contenido de sólidos al 85%)

Para tal fin se selecciona un secador de paletas de ROSINAIRE™. Consiste de un cuerpo cilíndrico horizontal, de camisa doble, calentado por vapor. Un eje cen-tral con paletas mueve el concentrado lentamente hacia adelante, mientras que la evaporación ocurre. Para eliminar los vahos se establece un flujo de aire en co-ntra-corriente. El aire pasa por un lavador húmedo para limpieza, y ese proceso, junto con la evaporación misma, mantiene una temperatura baja del producto, evitando la decoloración del producto. La lactosa es super-saturada, por lo que se produce una cristalización espontánea.

La viscosidad aumenta debido en parte al aumento de los sólidos y en parte a la cristalización debido a la naturaleza tixotrópica del producto, el tratamiento vi-goroso mecánico en el ROSINAIRE™ mantiene la fluidez del producto.

Al descargarse el producto contiene 85% de sólidos y es como una pasta.

Transportador a tornillo/Enfriador:

La próxima etapa es una etapa de retención/curado en un transportador helicoi-dal de dos tornillos. El transportador es de dos camisas entre las cuales se circu-la agua fría para enfriar el producto. El proceso permite lo siguiente:

• La lactosa se convierte otra vez super-saturada y se obtiene una cristaliza-ción ulterior, ya que el tiempo de retención es suficiente para obtener casi un 100% de cristalización.

• Se evita la decoloración de café.

• La viscosidad aumenta permitiendo una fácil desintegración del producto en el lecho fluido.

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Secado en lecho fluido:

A la descarga del enfriador el producto tiene una textura apropiada para un se-cado en un lecho fluido. Por eso el producto es llevado a un lecho fluido combi-nado de retro-mezclado/flujo puntual, similar al lecho fluido para lactosa, ver abajo.

Se recomienda un molido del producto final.

El resultado del proceso arriba descrito es ahorros de energía en un 30% y de la construcción civil de un 50%.

No se necesitan tanques de pre-cristalización, la etapa de alta concentración ocu-rre a presión atmosférica, tampoco es necesario un secado por atomización.

Lactosa

El concentrado de suero o permeado de los tanques de cristalización, también puede pasarse por un decantador para separar la mayoría de los cristales de lactosa. A conti-nuación los cristales son lavados para quitar las aguas madres residuales, antes del se-cado en un lecho fluido, ver Fig. 141. El lecho fluido está dividido en tres secciones. La primera sección es un lecho de retromezclado ("back-mix"), en el cual se alimen-tan los cristales con una humedad del 8% por medio de un disco rotativo. Para evitar la formación de grumos esta sección cuenta con un rastrillo rotativo. Desde esta sec-ción, el polvo pasa a la segunda sección del lecho, que funciona de acuerdo con el principio de flujo puntual ("plug-flow"), para su secado final. Se usa aire caliente a unos 100°C.

El tamaño promedio de los cristales es 200-250µ e importante para la velocidad de fluidización, y así influye en la operación del lecho fluido, ya que cristales más pe-queños necesitarían menos velocidad de fluidización para evitar demasiada transfe-rencia del producto al filtro de mangas. Por eso se usa una pre-cristalización durante 48 horas para que el tamaño de los cristales de lactosa crezca.

Desde la segunda sección de secado, el polvo pasa a la sección de enfriamiento cons-truida también como un lecho fluido tipo "plug-flow". El aire usado para el enfria-miento debe ser deshumectado. Todo el aire de salida pasa por un filtro de mangas pa-ra separación de finos, los que son retornados a la sección de retromezclado. Este tipo de lactosa se denomina lactosa cruda. Un tipo más refinado -la lactosa farmacéutica- se obtiene redisolviendo los cristales lavados procedentes del decantador arriba men-cionado y luego cristalizarlos otra vez mediante un enfriamiento, seguido por otra de-cantación/lavado, antes del secado final en el lecho fluido.

La lactosa en polvo es clasificada muy a menudo con distintos tamaños de cristales. Por eso se aplica un molido del polvo después del lecho fluido y un tamizado final del producto.

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Suero desmineralizado

Durante el producción de queso se añaden frecuentemente ciertas cantidades de NaCl y CaCl2. Algunas de estas sales se contendrán en el suero, y en algunos casos no se desea si, por ejemplo, se usa el suero para la producción de alimentos infantiles, don-de se desea un bajo contenido de sal.

Se han desarrollado varios procesos, como por ejemplo:

• Filtración por membranas�• Intercambio iónico�• Electrodiálisis

Filtración por membranas

En la nanofiltración se elimina hasta un 50% de las sales (dependiendo de la permea-bilidad de la lactosa seleccionada in la membrana) junto con agua en la planta de na-nofiltración.

La nanofiltración es un proceso de osmosis inversa (RO) con una estructura relativa-mente abierta de la membrana, la que permite el pasaje por la membrana particular-mente de los iones monovalentes pequeños, como son Na+ y Cl÷.

El proceso usa una presión más baja (20-30 bar) que la aplicada en una planta de os-mosis inversa normal, para asegurar para asegurar que la mayor parte de las sales y la menor parte de lactosa posible traviesen la membrana.. Cifras típicas para la penetra-ción molecular de distintas membranas son:

Caso 1 Caso 2

Penetración de lactosa en el permeado % 1 4 Penetración de NaCl en el permeado % 50 73

La eliminación simultánea de agua i iones monovalentes sin perder los componentes mayores orgánicos, como lactosa y proteínas, hace que la nanofiltración sea un ins-trumento importante para combinar el proceso de concentración y de desmineraliza-ción.

Cambio iónico

Para visualizar este proceso se usan dos partidas de resinas con distintas característi-cas, ver Fig. 142. Normalmente, las resinas se componen de poliestirena y bencina de divinilo en forma de pequeñas esferas de un diámetro de 0,4-0,8 mm que tienen ligado en su superficie un gran número de enlaces que pueden absorber (reversiblemente) un tipo específico de iones. Los iones se dividen en cationes (H+, Na+, K+, Ca++, etc.) y aniones (OH-, Cl-, SO4

--, etc.). Cuando el suero pasa a través de la primera partida de resinas, el intercambiador catiónico, todos los cationes son reemplazados por H+,

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Fig. 142 Diagrama de flujo. Intercambio de iones

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mientras que todos los aniones pasan a través del cambiador de cationes sin ser afec-tados. Durante el pasaje subsiguiente del suero descationizado a través de la segunda partida de resinas en el intercambiador aniónico, todos los aniones son reemplazados por OH-. El paso del suero a través de los lechos de resinas continúa, hasta que las re-sinas se hayan saturado con cationes y aniones. Este punto del proceso se controla mediante un medidor de conductividad, después de lo cual los lechos de resina son limpiados de suero, lavados con agua y regenerados mediante soluciones de ácido y álcali. Dichas soluciones deben estar lo suficientemente concentradas para eliminar los cationes y aniones absorbidos y reemplazarlos por H+ y OH-, así devolviéndolos a su estado previo. Al mismo tiempo, el tratamiento con ácido y alcalina da una limpie-za suficiente. Después de la regeneración las resinas son lavadas con agua pura -preferiblemente condensados del evaporador- quedando listas para otra carga. Un ci-clo típico sería una producción de dos horas y una regeneración de cuatro horas. El suero procesado en una planta de intercambio iónico será desmineralizado al 90-98%. El tiempo de procesamiento/retención es de 20 minutos, y con una temperatura de proceso de < 10°C, no tiene lugar desarrollo bacteriológico alguno.

Electrodiálisis

En una planta de electrodiálisis se aplica, en forma de células, un número de membra-nas ion-selectivas, compuestas de casi el mismo material que las resinas. Cada célula -consistiendo en una membrana catiónica y una aniónica- está dispuesta en una co-lumna análoga al intercambiador de calor a placas. El espacio entre las membranas es alrededor de 1 mm. Entre cada célula fluye una solución diluente de sal.

Toda la columna está colocada entre una serie de electrodos DC (corriente continua) formando así un campo eléctrico. Bajo la influencia del campo eléctrico, tiene lugar una migración de los cationes en la dirección a la corriente eléctrica -es decir hacia el polo negativo, y pasarán por la membrana catiónica entrando en la solución limpiado-ra de sal que está recirculando durante la operación. La migración de los aniones ten-drá lugar en la dirección opuesta a la corriente eléctrica -es decir hacia el polo positi-vo, y pasarán por la membrana aniónica entrando en la solución limpiadora de sal. Igual que la solución de sal, el suero es recirculado durante la operación a través de un tanque intermedio provisto de un medidor de la conductividad. Para obtener la con-ductividad suficiente del suero a procesar, es necesaria una pre-concentración hasta 20-28% de sólidos, así como una temperatura del proceso de 30-45°C. El tiempo de recirculación depende del nivel necesario de desmineralización y puede tardar 6 horas, si se desea una desmineralización del 90%. Por supuesto, esto dará lugar a un desarro-llo bacteriológico. Para evitar esto, se puede bajar la temperatura, pero esto requeriría un tamaño mayor de la planta (y así una inversión mayor), o bien se puede añadir formaldehido. A medida que disminuye el contenido de sal en el suero, se reduce la conductividad, y para compensar esto hay que aumentar el voltaje aplicado. Para man-tener a un nivel óptimo el contenido de sal en el agua limpiadora, se hace una dilución a lo largo del proceso. El exceso de la solución de sal pasa al desagüe. La limpieza de las membranas se efectúa pasando ácido y alcalina a través de la planta, una operación que dura 2 a 6 horas dependiendo de la construcción de la planta.

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Techo del secador tipo alto (Tall-Form TFD),unidad de toberas en el dispersor de aire

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El secado por atomización de suero desmineralizado se realiza igual que para suero dulce normal, como se describe en la pág. 267. Sin embargo, debido al contenido más bajo de sal, el secado resulta más fácil.

Productos Especiales

Alimentos Infantiles

Se ha reconocido siempre que el mejor alimento para bebés menores de 6 meses es la leche materna, debido a su composición y contenido de varias vitaminas y aminoáci-dos esenciales. No obstante, muchos bebés se alimentan de leche normal de vaca con la adición de agua y azúcar.

Con respecto a la conservabilidad, el volumen y la comodidad del producto, compañí-as multinacionales han desarrollado alimentos infantiles en polvo de distintas compo-siciones para ser disueltos en agua antes el uso, en un esfuerzo de imitar la leche ma-terna. Los alimentos infantiles han ganado una aceptación cada día más extensa du-rante los últimos años, incluso formulaciones especiales para bebés hiperalérgicos.

La composición de la leche materna y de vaca es como sigue:

Leche materna g/l Leche de vaca g/l

Caseína 6,0 27,8 Lactalbumina 9,0 4,7 Proteínas totales 15,0 32,5 Grasa 41,0 37,5 Carbohidratos 69,0 48,5 Sales minerales 2,0 8,0 Sólidos totales 127,0 126,5

La tabla muestra claramente que no es suficiente añadir agua y azúcar a la leche entera de vaca. En la elaboración moderna de alimentos infantiles en polvo, cada componen-te de la leche entera de vaca es estandarizado para estar lo más cerca posible a la composición de la leche materna. Algunas formulaciones ni incluye ninguna leche.

Los alimentos infantiles en polvo actualmente en el mercado comprenden un gran número de productos de distintas composiciones, que pueden clasificarse en los si-guientes grupos:

• Leche entera normal en polvo�• Leche entera en polvo con adición de carbohidratos�• Leche fermentada�• Leche maternizada�• Productos con almidón

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Leche entera normal en polvo

La forma más simple de alimentos infantiles es la leche entera en polvo con un conte-nido del 25 a 28% de grasa en los sólidos, o leche semi-descremada en polvo con un contenido del 14% de grasa. Normalmente se añaden algunas vitaminas, por ejemplo A, B1 y D2, para compensar las variaciones estacionales en el contenido natural de vi-taminas en la leche, y para mantener el producto siempre a un nivel óptimo para con-sumo infantil.

En general, estos productos no requieren tratamiento especial antes de procesarse, pe-ro su proceso de elaboración es continuo desde el evaporador al secador. Las vitami-nas son añadidas a la leche líquida o bien dosificadas en continuo al concentrado me-diante una bomba dosificadora. Para asegurar una distribución uniforme de las vita-minas, especialmente aquellas solubles en grasa, una homogeneización del concentra-do es necesaria.

Leche entera en polvo con adición de carbohidratos

Este grupo de alimentos infantiles está también basado en la leche entera o semi-descremada con adición de sucrosa y maltodextrinas. La sucrosa se añade a la leche previa a la evaporación. Esto permite una pasteurización también de la sucrosa, y se obtiene un producto final con un recuento de placas aceptable. Actualmente, se pue-den comprar maltodextrinas industriales listas para uso. La maltodextrina se mezcla con la leche parcialmente concentrada. Frecuentemente se añaden vitaminas también. Es necesario homogeneizar toda la mezcla antes del secado. Si la preparación del con-centrado se realiza mediante un proceso de etapas, habrá un almacenaje y una demora entre el evaporador y el secador.

Leche fermentada

El próximo grupo consiste en leche fermentada, normalmente semi-descremada, obte-nida mediante cultivos especiales. En este caso la leche pre-concentrada -normalmente hasta un contenido en sólidos del 22-25% como máximo- es inoculada por un cultivo (normalmente una mezcla de estreptococos y lactobacilo) y luego fer-mentada a una temperatura un poco más elevada durante 6 a 10 horas. Una vez obte-nida la acidez necesaria, el concentrado fermentado es homogeneizado, enfriado y se-cado.

Leche maternizada

El grupo principal de los alimentos infantiles es la llamada leche maternizada. La le-che materna tiene una composición muy distinta a la de la leche de vaca, ya que con-tiene más lactosa, menos proteínas con una composición diferente de proteínas (al ser una leche de albúmina en lugar de una leche de caseína) así como una composición diferente de grasa (al contener mucho más ácidos grasos no-saturados) y un contenido más bajo de minerales.

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Hay diferentes procesos de maternización. El método más simple consiste en aumen-tar el contenido de lactosa y añadir grasa vegetal para aumentar la cantidad de ácidos grasos no-saturados. Se utilizan también otros aditivos, como por ejemplo vitaminas, iones férricos o lactulosa (galactosido-fructoso) con el fin de convertir la leche de va-ca en una composición lo más similar posible a la leche materna.

Dos grupos principales de alimentos infantiles maternizados dominan el mercado:

Composición Alimento Infantil Edad del bebé:

0-6 meses 6-12 meses

Proteína:- Caseína - Proteínas suero

6%10%

17%4%

Grasa: - Animal - Vegetal

6%20%

5%16%

Carbohidrato:- Lactosa - Maltodextrina

56%-

40%14%

Cenizas: 2% 4%

Como se ve en la pág. 295, la leche de vaca, en comparación con la leche materna, contiene casi doble la cantidad de proteínas, menos carbohidratos y casi la misma can-tidad de grasa. El tipo predominante de proteínas no es el mismo en los dos tipos. Es-to significa que la cuajada formada por la leche materna es blanda y floculente en el estómago del bebé, mientras que la de la leche de vaca es más tenaz y elástica. Ade-más la leche de vaca contiene más sales minerales (especialmente Ca++) y menos vi-taminas.

Estudiando la proteína encontramos que una dilución de la leche de vaca hasta un contenido de proteínas de 15 g/l no es suficiente, ya que la composición de las proteí-nas difiere mucho en los dos tipos de leche. El WPC, ver pág. 279, se usa extensiva-mente en la producción de alimentos infantiles para ajustar el contenido de proteínas.

Muy a menudo, para la estandardización se usa suero de queso cuyo contenido de pro-teínas consiste en prácticamente sólo lactalbúmina y betaglobulina. Sin embargo, no se recomienda utilizarlo directamente, ya que el contenido de minerales en el producto final resultaría demasiado alto.

Por lo tanto, actualmente la eliminación de parte de la lactosa se realiza cada vez más mediante filtración por membranas o desmineralización por intercambio iónico o elec-trodiálisis, ver pág. 293.

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Con respecto al contenido de grasa, la leche materna contiene más que la leche de va-ca, y además contiene más de los ácidos grasos no saturados, como por ejemplo áci-dos linoléico y araquidónico, los cuales son necesarios para un mejor aprovechamien-to de la energía aplicada. Por lo tanto, es necesario añadir grasa después de la estan-dardización de las proteínas.

Por eso se añade una grasa vegetal (a menudo aceite de maíz, palma o girasol) que contiene los ácidos grasos no saturados arriba mencionados. Se ha estudiado la posibi-lidad de reemplazar la grasa animal enteramente, pero en tal caso faltará en el produc-to final el ácido oleico que está presente en la grasa animal.

El contenido de minerales en la leche de vaca es aproximadamente cuatro veces ma-yor que el de la leche materna. Durante la estandardización, especialmente con proteí-nas de suero (suero desmineralizado), pero también con grasa y posiblemente con lac-tosa, el contenido mineral será reducido a un nivel aceptable. Sin embargo, muy fre-cuentemente el contenido de hierro resulta demasiado bajo, por lo que se añade lacta-to, sacarato o sulfato de hierro.

La concentración de vitaminas en la leche de vaca es normalmente inferior a la de le-che materna. Por lo demás, hay variaciones estacionales, y por eso se añaden siempre vitaminas a los alimentos infantiles, también por que el tratamiento destruye algunas vitaminas.

Para bebés alérgicos se producen productos especiales, en los que las proteínas de soja reemplazan las proteínas de leche. Debido a las proteínas de soja el concentrado ten-drá una viscosidad alta, por lo que hay que reducir el contenido en sólidos al 40-45%.

Productos con almidón

Otro gran grupo de alimentos infantiles, para bebés de > 9 meses, es el que contiene almidón, típicamente con la siguiente composición aproximada:

40-50% concentrado de leche entera 35-45% almidón 10-15% sacarosa 2,5% vitaminas + minerales

La adición de almidón al proceso puede realizarse mediante una dosificación en seco o en forma líquida junto con los demás componentes:

• Dosificación en seco - se mezclan y se pasteurizan leche entera y sucrosa, y lue-go la mezcla es evaporada hasta un 45% de sólidos totales y secado por atomi-zación aplicando una temperatura de entrada de 180°C. El almidón en polvo es dosificado mediante el sistema de retorno de finos en el secador donde es aglo-merado con las partículas del concentrado. La aglomeración del almidón es muy importante para prevenir una separación en las latas durante el almacenaje. El almidón en polvo muy a menudo contiene bacterias, por lo que puede ser nece-saria una radiación gamma para asegurar un producto final aceptable.

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• Un mezclado de líquidos seguido de una pasteurización ofrece la ventaja de una pasteurización del almidón. Si se mantiene la temperatura de pasteurización bajo 60°C, el almidón no será precocinado, y la mezcla puede secarse desde un con-centrado del 45% de sólidos y una temperatura de secado de 180°C. Si la tempe-ratura de pasteurización excede 72°C, el almidón será precocinado dando lugar a un aumento de la viscosidad. Por eso hay que reducir el contenido en sólidos al 20-25%. Las temperaturas de secado serán de 180°C. Deben preverse filtros de mangas para el aire de salida, para prevenir una pérdida de polvo demasiado al-ta.

Elaboración de alimentos infantiles en polvo

La estandardización puede naturalmente realizarse en forma seca, es decir mediante una simple mezcla de los componentes secos. Sin embargo, un factor muy importante en la producción de alimentos infantiles es la calidad bacteriológica del producto fi-nal.

Es mucho más fácil pasteurizar el producto en forma líquida que mantener los produc-tos secos libres de infecciones durante el proceso (incluso es posible que algunos pro-ductos contienen un nivel inaceptable de bacterias), y por eso es preferible mezclar todos los ingredientes en forma líquida antes de la pasteurización y secado.

El mezclado se realiza hasta un contenido en sólidos del 40-45% utilizando como ba-se leche pre-evaporada de un contenido en sólidos del 20-30%. Se mezclan los com-ponentes del suero en polvo desmineralizado y/o ultrafiltrado. Si es necesario, se aña-den también carbohidratos y grasa. El mezclado tiene lugar en grandes tanques provis-tos de indicadores de volumen o de peso. La mezcla es pasteurizada y evaporada hasta un contenido en sólidos del 50-55%, dependiendo de su composición, y a continua-ción el concentrado es homogeneizado y finalmente secado. Es importante evitar una contaminación después de la pasteurización. Por eso no se debe usar tanques interme-dios abiertos.

El concentrado para alimentos infantiles puede secarse en una instalación de secado de tipo normal para la industria láctea.

No obstante, debido a su composición, los productos no se comportan como leche normal en el secador. Esto se debe al mayor contenido de carbohidratos y grasa. El polvo se vuelve termo-plástico y pegajoso, dando lugar a la formación de depósitos en la cámara y problemas en los ciclones, y finalmente pérdida de producto y riesgo de contaminaciones.

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Entrada aire

Condensados

Salida aire

Entrada concentrado

Salida concentrado

Vapor

Fig. 144 Planta UHT para alimentos infantiles

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Las condiciones normales de operación son:

Sólidos en el concentrado: 50-55%

Temperatura del concentrado: 70-80°C

Temperatura de secado: 180-190°C

Si se desea un producto con muy alto contenido de carbohidratos, puede ser necesario aplicar una temperatura de secado más baja que antes descrita.

Aplicando un retorno de las partículas finas se obtiene un producto aglomerado, ins-tantáneo y de alta fluidez. La humedad excesiva es evaporada en el Vibro-Fluidizador, en el que también tiene lugar el enfriamiento del polvo. A veces se añade lecitina al polvo, para así mejorar las propiedades instantáneas.

Sin embargo, las instalaciones de secado más utilizadas para alimentos infantiles son el secador tipo alto o el secador de multi-etapas, si se desea un producto con grandes aglomerados. Estos dos secadores ofrecen muchas ventajas para este tipo de producto:

• Operación con toberas dando un producto final de mayor fluidez,�

• La corriente puntual del aire ('plug-flow') reduce al mínimo los depósitos en las paredes, permitiendo así más largos períodos de operación entre limpiezas,�

• El diseño especial del secador tipo alto para la salida del aire reduce la fracción del ciclón reduciendo los problemas en los ciclones. Esta planta puede producir productos aglomerados y no-aglomerados.

• El diseño especial del secador de multi-etapas ofrece una aglomeración óptima del polvo.

La Fig. 143 muestra como se conecta el evaporador y el secador para evitar una con-taminación. El evaporador trabaja como "esclava" del secador y está provisto debajo de la calandria de un tanque intermedio encerrado con control del nivel. Mediante la-zos de control se asegura un contenido constante de sólidos en el concentrado alimen-tado al secador.

En algunos casos el producto final puede contener un número no aceptable de bacte-rias que proceden de la materia prima utilizada en las fórmulas. Ahora es posible apli-car un tratamiento UHT a la pre-mezcla previa la evaporación. La alta temperatura (120-140°C) se obtiene mediante una inyección directa de vapor en la pre-mezcla. La temperatura se reduce rápidamente a 80°C en un pre-calentador 'flash' regenerativo justo antes del secado. Ver Fig. 144.

El polvo debe ser envasado en latas de 1-2 libras. Para mejorar su conservación, se re-comienda una inyección de gas con N2. El contenido de oxígeno no debe exceder un 2%.

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Caseinatos

Los caseinatos se obtienen mediante la disolución de caseína precipitada con hidróxi-do sódico, fosfato sódico o hidróxido cálcico.

Típicamente los caseinatos se usan como fuente de proteínas en los alimentos infanti-les, como emulsificador y estabilizante de espuma en helados y postres, y como emul-sio-nador/absorbedor de agua en productos de carne.

La cuajada de caseína ácida, recién precipitada, es el mejor material de partida para la producción de caseinatos en polvo. No importa el tipo de ácido para la precipitación de la caseína (la caseína precipita al punto isoeléctrico correspondiente a un pH de 4,6); sin embargo, si se quiere usar el producto final para consumo animal o para con-sumo humano, es preferible una leche descremada fermentada/precipitada con ácido láctico.

Las soluciones de caseína sódica contienen prácticamente sólo proteínas, que da una viscosidad alta. La viscosidad aumentará con el aumento del contenido en sólidos, pe-ro también siempre que se mantenga el concentrado a una alta temperatura durante largo tiempo. El pH también desempeña su papel, y la viscosidad resulta más baja con un pH de 6,6-7.

Debido a la alta viscosidad, el contenido en sólidos en el concentrado redisuelto debe mantenerse bajo, normalmente alrededor del 18-24% dependiendo del tipo de proceso.

La disolución de caseína mediante álcali puede realizarse según dos métodos distin-tos:

• El proceso discontinuo�• El proceso continuo�

�

El proceso discontinuo

Por el proceso discontinuo la cuajada de caseína sale de la prensa de caseína con un contenido en sólidos del 48-50%. La cuajada es dispersada en agua caliente en un re-cipiente con camisa de vapor. La dispersión se calienta lentamente hasta 70°C con una agitación continua y la adición de solución de NaOH hasta obtener un pH de 6,6-7.

Como la reacción entre la caseína y el NaOH ó (Ca(OH)2) tarda algún tiempo (10-15 min. con una temperatura de 70°C) el aumento de la viscosidad (espesamiento por en-vejecimiento) es considerable. Asimismo la viscosidad va aumentando durante el tiempo que dura el secado de una partida. Durante este tiempo se presenta otro pro-blema, ya que es imposible evitar una decoloración debido a la reacción Maillard en-tre la lactosa residual y los amino-ácidos. El producto final se vuelve amarillo, incluso con sabor a pegamento.

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Agua

Caseína

Caseinato

Fig. 145 Diagrama para una planta de conversión continua, para la producción de Na-caseinato

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El proceso continuo

Con el creciente interés del mercado en un caseinato sódico o de calcio de alta cali-dad, se hace muy atractivo el desarrollo de una técnica mejorada para producción. In-vestigaciones realizadas han resultado en la construcción de una línea continua de proceso para la disolución de suspensiones de caseína ácida en soluciones de caseina-to.

Desde un punto de vista técnico, el proyecto resulta sencillo; lo difícil es encontrar el equipo apropiado para operar satisfactoriamente con un material viscoso.

De acuerdo con la información disponible en literatura acerca del proceso disconti-nuo, el proceso continuo puede dividirse en las siguientes etapas:

1. Desintegración de las partículas de caseína 2. Dosificación de alcalina 3. Mezclado

Aparte de dichos procesos, hay que controlar la viscosidad y la temperatura de la so-lución.

Las etapas de un proceso continuo de disolución de caseína se ilustran en la Fig. 145.

La cuajada de caseína recién precipitada es conducida con agua al recipiente 1 que va provisto de agitador. Se efectúa un control de la cantidad de agua para asegurar el va-lor deseado del contenido en sólidos en la suspensión de caseína.

Del recipiente 1 la suspensión de caseína es bombeada por la bomba 2 hasta el molino coloidal 3, en el cual la suspensión de partículas de caseína en agua se transforma en una pasta espesa. El tamaño de las partículas de caseína se reduce tanto que se acelera considerablemente el siguiente proceso de disolución.

Desde el molino coloidal 3, la pasta de caseína pasa al mezclador 4, y al mismo tiem-po se añade una solución de hidróxido sódico de una concentración apropiada proce-dente del equipo dosificador 5. La adición de NaOH ó (Ca(OH)2) se regula mediante un controlador automático del pH.

La solución de caseinato sódico que sale del mezclador pasa a equipos que miden y controlan el pH (6), la temperatura (7), y la viscosidad (8) de la solución. A continua-ción la solución de caseinato entra el tanque de alimentación de la planta de secado.

El intervalo, en que la dispersión de la caseína durante el proceso de disolución tiene un pH bajo y por lo tanto una viscosidad muy alta, pasa muy rápidamente. Así el cam-po de pH de 6,6-7,0 es alcanzado cuando la viscosidad de la solución está a su míni-mo (dependiendo del contenido en sólidos y de la temperatura puede alcanzar varios miles de cps).

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Utilizando una línea continua de proceso resulta posible reducir el tiempo de reacción, desde el momento en que la caseína es dosificada con la solución de hidróxido hasta que el caseinato final está disponible en forma seca, hasta un 1-2 por ciento del tiem-po requerido para el proceso discontinuo.

Con este método es posible evitar parcialmente defectos de sabor, y además aprove-char la relación entre la temperatura y la viscosidad de las soluciones de caseinato só-dico. Cuanto más alta es la temperatura (en un tiempo más corto) a la que es posible calentar la solución durante el proceso de disolución, y especialmente inmediatamente antes del secado, más alto será el contenido en sólidos en la solución.

Debido al corto tiempo de permanencia es posible en el proceso continuo trabajar con concentrados con un contenido en sólidos tan alto como un 24%, dependiendo del tipo de alcalina.

Secado por atomización de caseinatos

El secado de caseinatos se realiza sin dificultad y normalmente se efectúa con altas temperaturas de secado.

El problema principal es el contenido en sólidos que es bajo, dando una baja densidad de partículas y una baja densidad específica. Por eso debe prestarse atención especial al sistema de recuperación del polvo y los filtros de mangas usados.

Para aumentar la densidad de las partículas, se recomienda la atomización por toberas y un secado en dos etapas. El contenido de humedad en el polvo que sale de la cámara puede ser tan alto como un 10-12%, por que los caseinatos absorben el agua bien. El contenido de humedad residual es evaporado en los Vibro-Fluidizadores, cuya veloci-dad de fluidización debe mantenerse baja para evitar que el polvo se arrastre con el ai-re de secado.

Las condiciones típicas de secado son:

Caseinato sódico Caseinato de calcio Temperatura de secado: 200-230°C 200-250°C Contenido en sólidos: 20-24% 22-22% Temperatura del concentrado: 80-90°C 80-90°C Humedad en la cámara: 10-12% 7-9%

Debido a la falta de carbohidratos (lactosa) como aglutinante, es casi imposible aglo-merar los caseinatos, si son secados en secadores convencionales, incluso usando un equipo de retorno de finos. Solamente es posible en el Secador de Multi-Etapas (ver pág. 151, Fig. 85), y si se desea un producto instantáneo, hay que usar la lecitinación por razones como las estudiadas para el WPC al 80% en polvo, ver pág. 279.

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La mayoría de los caseinatos se utilizan en alimentos, como por ejemplo embutidos y jamón, en los cuales actúa como un emulsificador de grasa y absorbedor de agua así evitando la desecación del producto y manteniéndolo fresco. Al mismo tiempo el pro-ducto es enriquecido con proteínas.

El efecto emulsificante de los caseinatos se utiliza extensamente en sustitutos de pro-ductos lácteos, como son leche reengrasada, sustituto de leche, blanqueador de café, crema batida, helados, etc.

El alto valor nutritivo del caseinato lo hace utilizable también en otros alimentos para enriquecer el producto con proteínas, como p.ej. en spaghetti y macarrones.

Productos con bacterias

El secado de un producto conteniendo bacterias no presenta problemas - sin embargo, si no se toman medidas especiales, el polvo final contendrá pocas bacterias vivas.

Mediante ensayos llevados a cabo en el laboratorio de Niro con el secado de un culti-vo normal (es decir una leche cultivada/acidificada con estreptococos, betacocos, y otras cepas de lactobacilos bien conocidas en la industria láctea) y con un contenido en sólidos de 10-12% se ha demostrado que el polvo final contenía un reducido núme-ro de bacterias vivas. Incluso temperaturas de secado tan bajas como 140°C bastaron para inactivar la mayoría de las bacterias, y también el cultivo fue secado durante el crecimiento constante (el aumento logarítmico), donde las bacterias normalmente son más resistentes a un cambio súbito en las condiciones del crecimiento. Durante la misma serie de ensayos el secador fue operado para que la humedad en el polvo sa-liendo de la cámara fuese de un 15-20%, lo que corresponde a una temperatura del ai-re de salida de un 50°C. Esto quiere decir que las partículas nunca han sido calentadas a temperaturas superiores a 35°C. A pesar de este hecho, la cantidad de bacterias vi-vas en el polvo final resultó muy baja, lo cual significa que no es solamente la tempe-ratura que hace que las bacterias no sobrevivan el secado. Aunque no se ha compro-bado, parece lógico que el cambio súbito en la presión osmótica (debido a la evapora-ción de agua) tenga alguna influencia.

Cuando se secan cultivos de yogur, se toman varias medidas en el proceso para evitar estos inconvenientes. Si se realiza una fermentación parcial, se puede producir un de-terminado tipo de polvo deteniendo la fermentación antes de alcanzar un pH de 5,9, por lo que una coagulación de la caseína puede evitarse, y el bajo contenido de ácido láctico también facilitará el secado.

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Las etapas del proceso son:

Estandardización hasta el contenido de grasa deseado, pasteurización a 100°C,evaporación hasta aproximadamente 35% TS, enfriamiento hasta 42°C, inocula-ción con un 5% de cultivo, fermentación hasta un pH de 5,9-6,0, homogeneiza-ción a 100 bar, enfriamiento hasta 15°C, secado a 120-150°C, humedad saliendo de la cámara la máxima posible, es decir un 10%. Secado en Vibro-Fluidizador a 50°C a una humedad del 2%. Supervivencia 1-10 x 107 por g de polvo, corres-pondiente a un 5-10%.

El polvo producido se usa cuando se prepara yogur reconstituyéndolo en agua y inocu-lándolo a la temperatura óptima (38°C) durante un día.

Recientemente la literatura ha descrito un método selectivo que produce cepas de bac-terias apropiadas para el secado. El polvo de yogur descrito anteriormente es inocula-do y secado repetidas veces, y después de la cuarta generación prácticamente todas las bacterias serán viables. Sin embargo, cabe la pregunta si así se producen cepas con un sistema normal de enzimas característico para el yogur.

Sustituto de leche

El sustituto de leche o leche re-engrasada es un sustituto de leche entera, en el cual la grasa de mantequilla ha sido reemplazada por una grasa animal o vegetal más econó-mica.

El sustituto de leche se usa como forraje para terneros, pollos y cerdos. Para los terne-ros se usa tanto para cría como engorde. Se producen dos calidades de leche entera, una para cada fin.

No obstante, la composición de la mezcla final de forraje no es fija. La proporción de los ingredientes puede variar como sigue:

Grasa: 15 - 20% Sólidos de leche descremada (MSNF): 65 - 80% Dextrosa, lactosa, tal vez sólidos de suero: 0 - 10% Agentes emulsificantes *): 0 - 2% Harina: 0 - 7% Minerales, vitaminas: 0 - 0,5%

*) Los agentes emulsificantes incluyen: lecitina, mono-glicéridos, sucro-glicéridos Minerales: Ca, Na, Mg, Cu, PO4, Cl, HCO3

Vitaminas: A, D, E, (B, C) Antibióticos: Terramicina o aureomicina

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La leche descremada en polvo enriquecida con grasa puede producirse de dos mane-ras:

• Mezclado en seco de leche descremada en polvo y grasa�• Secado de una emulsión de concentrado de leche descremada y grasa

Mezclado en seco de leche descremada y grasa

Inicialmente el proceso de mezclado en seco fue la técnica más aplicada. La leche descremada enriquecida con grasa se producía rociando grasa sobre un polvo de leche descremada transportado en una cinta pasando por una tobera.

Sin embargo, la solubilidad del producto no fue buena, tampoco su conservación.

Más tarde se desarrolló otro método, por el cual la grasa es rociada en una cámara en la cual es introducida la leche descremada en polvo en una corriente de aire. Esto da como resultado un producto cuyos glóbulos de grasa están cubiertos con partículas de leche descremada.

En muchos aspectos este producto es muy bueno, aunque no apropiado para cualquier fin. Por supuesto, es la estructura de la grasa que no es ideal, ya que toda la grasa está presente en forma de grasa libre, y los glóbulos de grasa son demasiado grandes. Esto provoca una deterioración de la conservación, y también problemas de indigestión pa-ra los terneros.

Secado de una emulsión de concentrado de leche descremada y grasa

Con este método se produce normalmente una pre-mezcla que contiene un contenido más alto de grasa (hasta el 60% de grasa del contenido total de sólidos) que lo que se desea en la mezcla final de forraje.

La pre-mezcla es mezclada con otros componentes de acuerdo con las especificacio-nes del comprador.

Los productos brutos deben estar compuestos de: (a) leche descremada tratada nor-malmente (pasteurizada) con una acidez de máx. 14° Dornic (0,14% de ácido láctico) y (b) grasa de la primera calidad con un contenido de ácido grasoso libre inferior al 0,4% (como ácido oleico) que tiene un contenido muy bajo de impurezas y agua.

La leche descremada se evapora hasta un 40-45% de sólidos y se calienta a 65°C.

Las grasas son derretidas y calentadas a unos 55°C. Se puede utilizar tanto grasa vege-tal como animal. Si la grasa se entrega en camiones-cisternas, normalmente tendrá una temperatura de 50-55°C y no se necesitarán equipos para fundir.

A la grasa derretida se puede añadir anti-oxidantes (p.ej. butilo-hidroxitolueno). Si se quiere añadir agentes emulsificantes, esto tiene lugar en esta etapa del proceso.

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A continuación la grasa es calentada a aprox. 65°C y mezclada con el concentrado de leche descremada. La mezcla de concentrados de grasa y leche descremada pasa a un homogeneizador, y la emulsión está lista para el secado.

El proceso de mezclado puede realizarse en un:

• Proceso discontinuo • Proceso continuo

Proceso discontinuo

El concentrado de leche descremada es bombeado desde el evaporador a través de un tanque intermedio al tanque de mezclado. En éste el volumen (o el peso), la densidad y la temperatura de la partida son determinadas. A partir de aquí se puede calcular la cantidad de sólidos en la leche descremada y así la cantidad correspondiente de grasa.

La grasa, almacenada en un tanque a 50-55°C, se bombea a través de un precalentador al tanque de mezclado, en el cual se añade la cantidad especificada de grasa al concen-trado de leche descremada.

En este caso se necesitan normalmente tres tanques de mezclado. Uno se está vacian-do mientras que el segundo se está llenando, y el mezclado tiene lugar en el tercero.

El objeto de la homogeneización es desintegrar los glóbulos de grasa para hacerlos más fácilmente digeribles para los animales, con el fin de dar un tamaño máximo de los glóbulos de grasa de 3 micras y un mínimo de 90% inferior a una micra.

La homogeneización provoca un aumento de la viscosidad. Un concentrado demasia-do viscoso dará una atomización gruesa del atomizador, unas condiciones difíciles pa-ra el secado y un producto pobre. La adición de emulsificadores puede reducir este aumento de la viscosidad. Por otro lado se experimentarán normalmente dificultades con una mayor tendencia a depósitos en la cámara de secado, y por lo tanto, siempre que sea posible, se evita la adición de emulsificadores.

Proceso continuo

Para el mezclado continuo de concentrados de grasa y leche descremada los equipos comprenden:

1. Un evaporador provisto de control automático de la capacidad evaporativa de agua y el contenido en sólidos en el concentrado

2. Un tanque de almacenaje para la grasa derretida

3. Bombas centrífugas para bombear el concentrado de leche descremada y la gra-sa a:

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Fig. 146 Planta de secado para sustitutos de leche para terneros (CDI/C)

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4. Una bomba de pistones de capacidad variable, que permite la dosificación de concentrado de leche descremada, grasa, y posiblemente emulsificadores en una proporción constante a:

5. Un "combinador" para calentar y mezclar los concentrados de grasa y leche des-cremada. La proporción entre la grasa y el concentrado de leche descremada puede ajustarse mediante el cambio de embolada de la bomba, punto 4

6. Desde el "combinador" la mezcla es conducida a un homogeneizador que actúa también como bomba de alimentación a la planta de secado. La velocidad es va-riable para regular la alimentación al secador mediante la temperatura de salida.

El secador por atomización es de diseño especial para evitar al máximo la formación de depósitos y para dar un enfriamiento eficaz del polvo producido.

El parámetro más importante es la temperatura del aire de salida, que debe ser lo sufi-cientemente baja para que las propiedades del producto no sean afectadas en sentido negativo. En las plantas modernas de secado por atomización, la temperatura para este tipo de producto es de 160-190°C en el aire de entrada.

Cuando se secan productos con un alto contenido de grasa, la formación de depósitos en la planta de secado es inevitable. Los depósitos dificultan la limpieza de la planta y provocan una pérdida aumentada de producto. Asimismo los depósitos pueden que-marse con el tiempo y caer sobre el polvo mezclándose con éste, dando un polvo de calidad inferior. Por último, los depósitos pueden provocar un incendio como resulta-do de un proceso exotérmico de auto-oxidación. Con las medidas mencionadas a con-tinuación es posible mantener los depósitos al mínimo:

• Una homogeneización adecuada dará un bajo contenido de grasa libre.�

• Siempre que sea posible, debe evitarse el uso de emulsificadores.�

• Un diseño de la planta para evitar depósitos - Tipo Compacto o MSD�

• Puede añadirse leche descremada en polvo o un agente anti-apelmazante para obtener un polvo menos pegajoso y de mayor fluidez, y al mismo tiempo se mantienen limpios los ciclones y la cámara.

• Entrada tangencial del aire de enfriamiento secundario en la cámara de secado.�

La mayoría del polvo procedente de la cámara es conducida directamente a un Vibro-Fluidizador que actúa como lecho de enfriamiento, en el cual el polvo es enfriado por aire que puede ser ambiente o frío y deshumectado.

El polvo procedente de los ciclones principales es conducido por transportadores vi-brantes a la cámara para su aglomeración, o al lecho fluido para de enfriamiento. Todo el polvo puede ser ensacado a la salida del lecho de enfriamiento, o bien después de haber sido tamizado. Ver Fig. 146.

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Fig. 147 Secador de multi-etapas para la producción de leche entera en polvo con contenido alto de grasa libre (MSD)

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La producción de leche reengrasada en polvo para consumo humano se usa cada día más. La composición es igual a la de leche entera en polvo, es decir con un contenido en grasa del 26-28%. Se usan varios tipos de aceite vegetal, y normalmente la produc-ción está basada en una mezcla con una fusión característica como la de la grasa de mantequilla. Se añaden también varios tipos de vitaminas (principalmente A, D, y E).

El mezclado de la leche descremada y el aceite se realiza de acuerdo con el proceso continuo antes descrito. El secado se lleva a cabo en una planta con retorno de finos para aglomeración y un equipo dosificador de lecitina para producir un polvo instan-táneo. El polvo encuentra su uso principal en grandes instituciones, como p.ej. canti-nas, hoteles, hospitales, etc.

La producción de este tipo de polvo tiene principalmente lugar en países con una limi-tada producción propia de leche. Está basada en la importación de leche descremada en polvo que se reconstituye y se mezcla con grasas producidas localmente.

Leche entera en polvo con alto contenido de grasa libre

En el tratamiento de la leche entera en polvo se aspira siempre a obtener un producto con un contenido de grasa libre lo más bajo posible, para prolongar su conservabili-dad.

No obstante, en la fabricación de chocolate se precisa una leche entera en polvo con un contenido de grasa libre lo más alto posible, con el fin de reducir la viscosidad de la pasta de chocolate. Así se permite usar menos mantequilla de cacao, un producto bastante costoso.

El producto se obtiene mediante una pre-cristalización de la lactosa en el concentrado de leche entera, o de leche descremada, que luego se mezcla con crema en la propor-ción correcta. La planta elegida para este producto es el Secador de Multi-Etapas, ver Fig. 147. Este tipo de planta ofrece muchas ventajas, ya que su diseño permite la ob-tención de productos con un alto contenido de grasa, normalmente difíciles de secar. Otra ventaja de esta planta es su lecho fluido integrado, en el cual el producto es flui-dizado a un alto contenido de humedad. Debido al secado la lactosa se ha convertido otra vez en supersaturada, ver Cristalización de Suero, pág. 259, y la cristalización puede continuar aún más dando un alto contenido de grasa libre, ya que los cristales de lactosa "crecen" y destruyen la membrana de proteínas que protege los glóbules de grasa. Con la adición de hasta un 20% de lactosa, basada en sólidos, a la leche antes de la evaporación se mejora la cristalización (hasta un 90% de la grasa total).

Por supuesto, el alto contenido de grasa libre provoca más problemas en los ciclones en comparación con el secado de leche entera en polvo normal, pero el problema se supera en parte, ya que la planta tipo MSD está provista de un pre-ciclón especial,

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Fondo de un secador tipo MSD con Vibro-Fluidizadoresconectados para el secado/enfriamiento final

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o un filtro de mangas lavable por CIP. El secado final y el enfriamiento se realiza en el Vibro-Fluidizador. Es importante que la humedad del producto final sea inferior al 2% para mantener un buen color del chocolate.

Productos en polvo para la elaboración de quesos

Leche descremada

Durante los últimos años se ha dedicado grandes esfuerzos para producir leche des-cremada en polvo para la posterior elaboración de quesos, con el fin de compensar las fluctuaciones estacionales del suministro de leche cruda para la producción de quesos. Sin embargo, este desarrollo también ofrece la posibilidad de enviar el polvo a países sin producción propia de leche para la fabricación de quesos especiales de una con-servabilidad reducida, o bien para almacenaje, si los precios del queso son bajos, con el fin de realizar la producción de queso más adelante, ya que la conservabilidad de un polvo es superior a la de un queso.

Antes de entrar en descripciones detalladas, cabe destacar que es absolutamente im-prescindible usar una leche cruda de la mejor calidad con respecto al higiene para ob-tener un polvo apropiado para la fabricación de quesos.

Es bien conocido que la temperatura de pasteurización durante la elaboración de un queso normal del tipo Gouda debe mantenerse a un máximo de 72°C en 15 seg., y muy a menudo son preferibles temperaturas tan bajas como 60°C para no interferir en el proceso enzimático normal en la leche. Puede darse el caso de que con temperaturas más altas se produzcan mayores rendimientos en la cuba de queso, ya que las proteí-nas se precipitarán y seguirán a la caseína en la cuajada de queso, pero debido a la composición de los amino-ácidos en las proteínas del suero, el resultado será un sabor amargo y desagradable. Los nuevos tipos de queso con bacterias de aroma no predo-minantes y con un tiempo de maduración más breve, no parecen comportarse de la misma manera. Una leche con un alto recuento de bacterias -especialmente las termo-resistentes- no puede aceptarse en la producción convencional de queso, ya que las ba-jas temperaturas no afectan estas bacterias.

Los criterios arriba expuestos también valen para la leche destinada a secado y pro-ducción posterior de queso. Por lo tanto no es posible usar leche descremada normal en polvo, ya que normalmente está expuesta a un tratamiento térmico bastante fuerte. Hay que utilizar una leche en polvo que haya sido producida especialmente con este fin, el llamado polvo de baja temperatura "low heat powder".

El polvo de leche descremada puede clasificarse como sigue:

WPNI mg/g de polvo Polvo "Low Heat" (de baja temperatura): 6 y mayor Polvo "Medium Heat" (de temperatura mediana): sup. a 1,5, pero inf. a 6 Polvo "High Heat" (de alta temperatura): inferior a 1,5

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El WPNI ("Whey Protein Nitrogen Index": Indice de nitrógeno en proteínas de suero) expresa la cantidad de proteínas de suero no desnaturalizadas en el polvo, y sirve co-mo índice del tratamiento térmico que ha recibido la leche durante la producción. Ya que el interés radica en la cantidad de proteínas de suero desnaturalizadas, y dado que no existe ningún método de análisis práctico para determinar el grado de desnaturali-zación, es necesario determinar la cantidad total de proteínas de suero no desnaturali-zadas en la leche cruda. Sin embargo, las variaciones estacionales y la naturaleza de las proteínas de suero en la leche cruda hace necesario controlar y determinar esta cantidad cada siete días por lo menos, pero solamente el conocimiento local de la es-tabilidad térmica de las proteínas de suero en períodos determinados del año, puede asegurar una combinación correcta de tiempo y calor para cumplir con una clasifica-ción térmica específica.

Por otra parte, debe recordarse que la cantidad de proteínas generalmente fluctúa entre 6-13 mg/g (normalmente: 8-9 mg/g), y por consiguiente será insuficiente obtener un WPNI de 6 mg/g, ya que puede implicar una desnaturalización de las proteínas de sue-ro de hasta 7 mg/g de leche descremada en polvo, con el riesgo de producir un sabor amargo en el queso. Es preciso, por lo tanto, obtener unos valores de WPNI lo más al-to posible en el polvo (lo cual significa bajas temperaturas de pasteurización).

Como se ha mencionado, se requiere una leche de la primera calidad, pero existe la posibilidad de una pasteurización mediante la inyección directa de vapor en la leche inmediatamente antes de entrar en el primer efecto, donde la leche es enfriada rápida-mente ("flash-cooling") a la temperatura de la calandria. Este tratamiento térmico no tiene gran influencia en las proteínas de suero, mientras que el efecto de destrucción de las bacterias resistentes al calor resulta mayor.

Por consiguiente, se debe prestar atención especial al contenido de bacterias formado-ras de esporas, ya que la "baja" temperatura de pasteurización no destruye dichas bac-terias. Incluso pueden empezar desarrollarse en el sistema de pre-calentamineto des-pués de 14-16 horas, si no se considera un diseño especial del evaporador. Ver pág. 47.

Pero qué ocurre con las proteínas de suero en el evaporador o el secador por atomiza-ción? - En la planta de evaporación no son afectadas, y, siempre que no sean demasia-do elevadas las temperaturas, casi tampoco en el secador. Por lo tanto cuanto mayor sea la concentración mayor es la protección de las proteínas de suero contra una des-naturalización por calor.

Datos típicos de producción son:

Precalentamiento a 65-70°C - sin tiempo de retención (posible pasteurización a 90°C con enfriamiento tipo "flash" a 65-70°C antes de la entrada a la primera calandria, pero cuidado a las bacterias termófilas y especialmente sus esporas)

Evaporación hasta 44-46% TS (temperatura en la primera etapa inferior a 65°C) (posible almacenaje a 40°C durante 1-2 horas)

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Secado por atomización a 180°C o incluso hasta 200°C

Se recomienda el uso de evaporadores de un solo paso, junto con el secado en dos etapas, lo cual producirá un secado más suave, porque la temperatura de la partícula es muy baja, especialmente durante el período crítico de secado, desde 20 a 10% de humedad, lo que da un polvo sin desnaturalización de las proteínas. La fracción de fi-nos vuelve a los Vibro-Fluidizadores, donde esta fracción junto con la de la cámara es secada hasta obtenerse el contenido final de humedad previo al enfriamiento y al en-sacado.

El proceso suave de secado y post-secado significa una reducción en el grado de hidratación, es decir el tiempo de la disolución completa al reconstituirse.

Este procedimiento no sólo asegura una mejor calidad del producto, sino que a la vez proporciona una reducción en los costos del secado y un aumento de la capacidad evaporativa, lo cual es ventajoso a causa del bajo contenido recomendado de sólidos en el concentrado procedente del evaporador, y así se transfiere una mayor parte de la evaporación a la planta de secado.

La literatura sobre la utilización de leche descremada en polvo en la producción de queso tradicional ha sido bastante extensa durante los últimos años, y los comentarios han sido muchísimos. No es posible estudiar todos los aspectos aquí, pero se pueden resumir como sigue:

El mejor resultado se obtuvo utilizando una temperatura de pasteurización baja previa a la evaporación, aunque fue comprobado que aquella temperatura no tenía efecto en la coagulabilidad. Uno de los autores afirma que el almacenaje del concentrado duran-te 1-2 horas a 40°C da como resultado una mejor calidad de la cuajada, efecto que se mejora de todas formas con adición de 0,02% p/v CaCl4 a la leche. La cantidad de polvo de leche descremada que se puede utilizar depende del tipo de queso, así que cuanto mayor es la humedad en el queso final, más puede añadirse (hasta el 50% so-bre materia seca). Para queso del tipo Gouda o Cheddar se considera normal hasta el 20-25% de materia seca. Antes de su aplicación en la cuba de queso, el polvo es re-constituido hasta un 9-12% de sólidos, es conservado unas doce horas y luego es utili-zado para estandardizar leche entera con un 12,5% de sólidos hasta obtenerse el con-tenido deseado de grasa. Un artículo describe el uso de leche descremada en polvo (de leche de vaca) para la estandardización de leche de búfalo hasta una relación de caseí-na:grasa de 0,7:1 para la producción de queso tipo Cheddar y Edam.

Se prefiere el polvo producido durante el verano, ya que un mal sabor de la leche en el invierno puede presentar problemas.

Otra posibilidad es una producción de queso utilizando polvo recombinado y aceite de mantequilla producido mediante la precipitación de crema. Después de la recombina-ción es importante evitar la formación de espuma, ya que el queso producido no ten-drá un aspecto normal. Es aconsejable una relación entre grasa y caseína de 0,78:1 con una homogeneización de la mezcla a una presión máxima de 30 bar. Presiones más

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altas dañarán los glóbulos de grasa, y los ácidos grasos libres pueden dar un mal sabor al queso. Es conveniente homogeneizar la menor cantidad posible, y se recomienda preparar una crema con 25-30% de grasa y mezclarla con la leche descremada recons-tituida restante.

La mayoría de los artículos sobre el tema mencionan el uso de la leche descremada en polvo como un método ventajoso para compensar las variaciones estacionales en el suministro de leche, obteniéndose así un mejor aprovechamiento de los equipos de producción de queso.

Retentado

La ultrafiltración de leche entera constituye una técnica bien conocida en la produc-ción de queso, donde el retentado, ahora con un reducido contenido de lactosa, se usa directamente en la cuba de queso, dando lugar a una capacidad aumentada, o bien el retentado se pasa a equipos de coagulación directa para quesos blandos. También es posible secar retentado directamente después de los equipos de ultrafiltración hasta un contenido en sólidos del 35-40%. Más tarde es posible reconstituir el polvo, para así compensar las variaciones estacionales. Esto se practica especialmente con leche de oveja o cabra.

Queso en polvo

Para poder secar queso es necesario convertirlo en forma líquida, operación que se realiza mediante un proceso normal de fusión, donde se quita la corteza (o se usa que-so sin corteza), el queso es desintegrado, y durante el calentamiento y agitación se añaden sales fundentes tales como fosfatos y citratos junto con agua, para facilitar la fusión.

El fin que se persigue, es conseguir un contenido en sólidos de un 35% y una tempera-tura de 75°C para obtener un concentrado que no sea demasiado viscoso para la ato-mización. Para el secado se usa una temperatura de 180-190°C. El enfriamiento del polvo se realiza en un Vibro-Fluidizador alimentado con aire ambiente en la primera sección y aire frío deshumectado en la última sección.

El secador de cinta integrada tipo FMD, ver Fig. 148, ha demostrado ser especialmen-te ventajoso para queso en polvo, ya que el producto se descarga en forma aglomera-da. Además, la fracción del ciclón es prácticamente cero, y por lo tanto no presenta problemas en la operación de la planta.

El queso en polvo se usa principalmente en salsas, aliños, galletas, "crisps", o direc-tamente como condimento en platos calientes como spaghetti y sopas.

Se recomienda utilizar queso viejo en el proceso, ya que cierta cantidad del aroma se pierde durante el secado. Para evitar problemas de olor de los gases de escape se pue-den instalar filtros de carbón activo.

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Techo del secador tipo FILTERMAT®

con unidad de toberas y dispersor de aire

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Mezclas de cacao-leche-azúcar

Este tipo de polvo tiene su uso principal en máquinas automáticas de venta para la preparación de bebidas calientes de chocolate, pero el polvo se usa también para con-sumo doméstico.

La composición normal del polvo es:

Cacao: 15-35% Sólidos de leche descremada: 40-60% Azúcar: 20-40%

Si la cantidad de cacao y azúcar no excede el 15 y 20% respectivamente, los compo-nentes individuales pueden ser secados como una mezcla (que se homogeneiza) pro-cedente de una alimentación con el 45% de sólidos y aplicando una temperatura de secado de 170-180°C. Para obtener un polvo de alta fluidez apropiado para las máqui-nas automáticas la fracción del ciclón vuelve a la zona de atomización para su aglo-meración. El post-secado y enfriamiento del polvo tiene lugar en un Vibro-Fluidizador como en el proceso de secado mediante aglomeración descrito en la pág. 157.

Si la cantidad de cacao y azúcar es superior a las antes mencionadas, se recomienda agregar la cantidad en exceso en forma seca. Esto se realiza con el sistema de retorno de finos utilizando una válvula adicional tipo "blow-through" y un equipo dosificador de polvo para el cacao y azúcar pre-mezclados que se almacena en un silo. Finalmente debe tenerse en cuenta que el azúcar debe ser de una granulometría fina para obtener una aglomeración máxima.

Blanqueadores de café

Los blanqueadores de café -nata sintética con aceite vegetal- constituyen otro impor-tante grupo de productos recombinados que son secados por atomización.

La composición típica de un blanqueador de café es como sigue:

Jarabe de glucosa y maltodextrina de un DE de 25-30: 60-65% Grasa vegetal hidrogenada con punto de fusión de 35-40°C: 30-32% Na-caseinato: 3-5% Sabor artificial de crema, color y emulsificadores: 1-3% Fosfatos: 1-3%

Los ingredientes arriba mencionados se recombinan a 60-70°C en grandes tanques a un contenido en sólidos de hasta el 65-70%. La mezcla se homogeneiza en dos etapas y luego es secado por atomización.

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Se puede aplicar atomizadores rotativos, o bien por toberas, sin embargo, normalmen-te se prefieren toberas, dando éstas un producto final de mayor fluidez libre. El polvo debe ser instantáneamente soluble en bebidas calientes, como p.ej. café o té, por lo que un producto aglomerado es necesario.

Se aplica una temperatura de secado de 165-170°C en secadores convencionales pro-vistos de Vibro-Fluidizadores y sistema de retorno de finos. El producto final se des-carga de la cámara de secado con una humedad máxima de 3,5% para evitar depósitos de polvo debido al alto contenido de jarabe de glucosa que es termo-plástico y tiende a adherirse a la cámara de secado, si la humedad es demasiado alta.

El secado y enfriamiento final se realiza en un Vibro-Fluidizador. Si se usa un Seca-dor de Multi-Etapas se permite usar temperaturas de secado más altas (180-200°C) sin tener problemas de depósitos de producto en las paredes.

Cappuccino en polvo

En principio el Cappuccino en polvo se usa como el blanqueador de café para "blan-quear" el café, sin embargo, con la intención principal de obtener una capa de espuma gorda y estable en la superficie del café después de la reconstitución. Gran parte del Cappuccino en polvo ya se vende como una mezcla de Cappuccino, café instantáneo soluble y azúcar - lista para usarse.

La capacidad de espumar se obtiene cuando el polvo quita los gases arrastrados en el polvo:

• Gas ocluido en forma de aire y CO2; el último ha sido inyectado deliberadamen-te en el concentrado antes del secado

• Aire intersticial, debido a la aglomeración del producto.

La composición del concentrado difiere un poco de la del blanqueador de café, para mejorar la capacidad de formar una capa de espuma estable. La composición típica es:

Jarabe de glucosa o maltodextrina con un DE de 25-30: 40-45% Grasa vegetal con punto de fundición 35-40°C: 20-25% Leche descremada en polvo tipo "LowHeat": 30-35% Aroma artificial de crema, color y emulsificador: 1-3% Fosfatos: 1-3%

Cuando se mezclan los ingredientes a 60-65°C a un contenido total de sólidos de 50-55% es importante evitar una incorporación de aire en el concentrado, ya que el aire ocupa el "espacio" para CO2 - por eso se debe realizar el mezclado bajo vacío. Ade-más es importante evitar largos períodos de retención a 60-65°C debido a un espesa-miento.

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Después del mezclado el concentrado es homogeneizado en dos etapas a 150/50 bar g, seguido de una pasteurización a 70-75°C en 15 seg. Luego es enfriado a 50-55°C.

Se realiza una inyección de CO2 líquido mediante la unidad LSI, ver pág. 85, permi-tiendo la mejor disolución del CO2 en el concentrado. La cantidad de CO2 líquido que puede disolverse en el concentrado depende de la temperatura y la presión del concen-trado. Una baja temperatura y una alta presión permiten más CO2 disuelto.

El secado del concentrado se realiza en una planta de secado de Multi-Etapas median-te toberas, ver pág. 151, ya que esta planta permite la mejor aglomeración para au-mentar el contenido de aire intersticial. La temperatura del aire de secado es típica-mente 200-210°C dependiendo de las condiciones del ambiente. La densidad específi-ca del producto final es típicamente 0,15 g/ccm, y la altura de la capa de espuma es un 10 mm, con una estabilidad de ½-1 hora.

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Lista de FigurasFig. 1 Evaporador de recirculación forzada

Fig. 2 Evaporador de película descendente de recirculación

Fig. 3 Evaporación en un tubo de un evaporador de película descendente

Fig. 3a Calandria en un evaporador

Fig. 4 Evaporador de una etapa. Definición de distintas cantidades específicas y el correspondiente diagrama de flujo de calor

Fig. 5 Los principios de la evaporación de agua en dos etapas

Fig. 6 Termo-Compresor

Fig. 7 Evaporador de dos etapas con compresión térmica

Fig. 8 Diagrama del flujo de calor. Evaporador de dos etapascon termo-compresor

Fig. 9 Compresión mono-térmica. Evaporador RTV de 7 efectos

Fig. 10 Compresión poli-térmica. Evaporador RTV de 7 efectos

Fig. 11 Evaporador RMV de una etapa

Fig. 12 Diagrama de flujo térmico. Evaporador RMV

Fig. 13 Ciclo de operación de un compresor mecánico

Fig. 14 Evaporador combinado RMV/RTV

Fig. 15 Evaporador combinado RMV/RMV

Fig. 16: Evaporador de película descendente de recirculación

Fig. 17 Calandria de evaporador dividida en dos secciones

Fig. 17a Separador con entrada tangencial

Fig. 17b Separador Wrap-Around

Fig. 18 Sistema dinámico de distribución de producto

Fig. 19 Sistema estático de distribución de producto

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Fig. 20 Precalentadores de tubos en espiral

Fig. 21 Precalentadores de tubos rectos

Fig. 22 mg WPNI/g de polvo como una función de la intensidad de pasteurización, una relación entre temperatura y tiempo

Fig. 22a % desnaturalización de β-lactoglobulina

Fig. 23 Desarrollo de grupos libre de -SH, como una función de la temperatura de pasteurización

Fig. 24 Intercambiadores de calor tipo indirecto, cambiables

Fig. 25 Intercambiador de calor de tubos en espiral, indirecto, trabajando en serie, calentado por vapor y vahos 'flash'

Fig. 26 Sistema de pasteurización directa con sistema regenerativo 'flash' de contacto directo

Fig. 26a Condiciones óptimas para el crecimiento de bacterias

Fig. 26b Precalentador Duplex

Fig. 26c Precalentamiento de contacto directo con cámara flash

Fig. 27 Condensador de mezcla

Fig. 28 Condensador de superficie

Fig. 29 Torres de enfriamiento

Fig. 30 Concentrador alto y sistema de alimentación

Fig. 31 Control de la densidad mediante el flujo de concentrado

Fig. 32 Control de densidad mediante presión/caudal de vapor

Fig. 33 Control de densidad mediante retromezclado de leche líquida pasteurizada o condensados

Fig. 34 Control de vacío, regulando la cantidad de agua enfriamiento en un condensador de mezcla

Fig. 35 Control de vacío, 'sistema de sangrado' en un condensador de mezcla

Fig. 36 Envejecimiento como una función de la temperatura (leche descremada 48,5% de sólidos)

Fig. 37 Envejecimiento como una función del contenido de sólidos(leche descremada 55°C)

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Fig. 38 Planta de secado por atomización

Fig. 39 Distintos tipos de cámaras de secado

Fig. 40 Paneles desmontables de aislamiento para cámaras de secado

Fig. 40a Estándares de filtros

Fig. 41 Calentador de aire tipo indirecto a base de fuel

Fig. 42 Dispersor del aire, secador tipo horizontal

Fig. 43 Dispersor de aire con aletas de guía ajustables

Fig. 44 Dispersor de aire puntial 'plug-flow'

Fig. 45 Sistema de alimentación

Fig. 46 Intercambiador de calor Tipo HIPEX

Fig. 47 Intercambiador de calor de superficie raspada

Fig. 47a Viscosidad de concentrados de leche entera como una función de lapresión de homogeneización y el contenido de sólidos en el concentrado

Fig. 47b NanoValve®

Fig. 48 Tobera de alta presión, "Delavan"

Fig. 49 Tobera de alta presión, "Spraying System"

Fig. 50 Tobera de dos fluidos

Fig. 51 Ciclón central

Fig. 52 Ciclón

Fig. 53 Batería de ciclones con colector central

Fig. 54 Válvula rotativa con rotor cónico

Fig. 55 Curvas del diámetro crítico de la partícula y del grado de eficiencia de un ciclón

Fig. 56 Filtro de mangas

Fig. 57 Secador con filtro de mangas

Fig. 58 Lavador vía húmeda, sanitario

Fig. 59 Lavador vía húmeda, reciclado con agua

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Fig. 59a Lavador vía húmeda, reciclado con leche

Fig. 60 Principios del filtro de mangas lavado por CIP

Fig. 60a Tobera de chorro de aire invertido

Fig. 61 Sistema inclinado para pre-enfriamiento del polvo

Fig. 62 Sistema de transporte neumático

Fig. 63 Vibro-Fluidizador VIBRO-FLUIDIZER®

Fig. 64 Placa perforada (BUBBLE PLATE™)

Fig. 65 Sala de control

Fig. 66 Arquitectura IT para el sistema de control

Fig. 67 Secador convencional con sistema de transporte neumático (SDP)

Fig. 68 Reducción en el peso, volumen y diámetro de una gotita bajo condiciones óptimas de secado

Fig. 69 Rueda con canales curvos para polvo de una alta densidad

Fig. 70 Rueda barrida por vapor

Fig. 71 Capacidad de formar espuma de leche descremada concentrada

Fig. 72 Desarrollo de la temperatura

Fig. 73 Partícula típica del secado de una etapa

Fig. 74 Partícula atomizada. Secado de una etapa

Fig. 75 Partícula sobrecalentada. Secado de una etapa

Fig. 76 Micro-foto de leche descremada en polvo producido en una planta con sistema de transporte neumático

Fig. 77 Vibro-Fluidizador de diseño sanitario

Fig. 77a BUBBLE PLATE™

Fig. 78 Secador con Vibro-Fluidizador para secado en dos etapas

Fig. 79 Partícula típica del secado de dos etapas

Fig. 80 Sistema de transporte a presión desde el Vibro-Fluidizador hasta el sistema de silos

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Fig. 81 Consumo de energía por kg agua evaporada, como una función del contenido de humedad residual

Fig. 82 Placa perforada para caudal direccional del aire (BUBBLE PLATE™)

Fig. 83 Secador tipo compacto con sistema de transporte neumático (CDP)

Fig. 84 Secador tipo compacto con Vibro-Fluidizador para aglomeración/instantaneización (CDI)

Fig. 85 Secador de multi-etapas (MSD)

Fig. 85a Secador con filtros integrados (IFD)

Fig. 85b Tobera de chorro de aire invertido

Fig. 86 Definición de distintos procesos de aglomeración

Fig. 86a Aglomeración primaria espontánea

Fig. 86b Aglomeración primaria forzada

Fig. 86c Aglomeración secundaria espontánea

Fig. 86d Aglomeración secundaria forzada

Fig. 87 Atomizador rotativo de retorno de finos "tipo viejo"

Fig. 88 Retorno de finos forzado secundario para atomizador rotativo FRAD

Fig. 89 Retorno de finos forzado secundario para atomizador de toberas

Fig. 90 Planta completa para producción de productos aglomerados (MSD™)

Fig. 90a Estructura del aglomerado / Relación entre propiedades del polvo

Fig. 90b Aglomerado de estructura de 'cebolla'

Fig. 90c Aglomerado de estructura de 'uvas compactas'

Fig. 91 Instantaneizador de Peebles

Fig. 92 Planta de aglomeración por rehumectación (Nestlé)

Fig. 93 Sistema de alimentación para planta de rehumectación (mediante agua caliente atomizada en un atomizador)

Fig. 94 Sistema de alimentación para planta de rehumectación. Humectación mediante aire húmedo caliente

Fig. 95 Planta Niro de aglomeración por rehumectación de multi-propósitos

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Fig. 96 Precalentamiento mediante condensados

Fig. 97 Diagrama de humedad para aire-agua (juego de curvas adiabáticas basadas en agua de 45°C)

Fig. 98 Recuperador de calor, tipo aire-a-aire

Fig. 99 Secador de una etapa con recuperador de calor tipo aire-a-aire

Fig. 100 Recuperador de calor tipo aire-líquido-aire

Fig. 100a Secador de una etapa con recuperador de calor tipo aire-líquido-aire

Fig. 101 Comparación de acidez titulable basada sólo en el consumo de álcali

Fig. 102 Equipo de laboratorio para medir "Aire en el concentrado de leche"

Fig. 103 Determinación de humedad

Fig. 104 Determinación de la densidad específica del polvo

Fig. 105 La densidad bajo influencia de la temperatura de pasteurización (expresada en mg WPNI/g de leche descremada en polvo)

Fig. 106 Aparato para medir la fluidez

Fig. 107 Determinación del Indice de Insolubilidad

Fig. 108 Determinación de partículas quemadas

Fig. 109 Determinación de grasa libre en superficie

Fig. 110 Determinación de la humectabilidad

Fig. 111 Determinación de dispersibilidad

Fig. 112 Determinación de la higroscopicidad

Fig. 113 Secador para secado de una etapa (SDP)

Fig. 114 Secador con Vibro-Fluidizador como post-secador (SDI)

Fig. 115 Secador con Vibro-Fluidizador como aglomerador/instantaneizador (SDI)

Fig. 116 Aglomeración mediante retorno de finos(aglomeración secundaria forzada)

Fig. 117 Diagrama del proceso. Leche entera en polvo instantáneo

Fig. 118 Planta de lecitinación en dos etapas

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Fig. 119 Equipos de dosificación de lecitina

Fig. 120 Planta completa para producción de leche entera enpolvo instantáneo (MSD)

Fig. 121 Varios procesos para el tratamiento de suero

Fig. 122 Preservación de suero por formaldehido y peróxido

Fig. 123 Grado de evaporación: C como una función del flujo de masas y capacidad evaporativa

Fig. 124 Preconcentración de suero previo al transporte a una instalación de secado centralmente ubicada.

Fig. 125 Relaciones entre el contenido de humedad, temperatura del aire,temperatura de la partícula y temperatura de pegajosidad

Fig. 126 Molécula de lactosa en las formas β y α

Fig. 127 Mutarrotación

Fig. 128 Transformación de lactosa β a lactosa α en 1 hora (expresado en % de la transformación obtenible al equilibrio)

Fig. 129 Solubilidad de lactosa α y β en agua de distintas temperaturas

Fig. 130 Tanques de cristalización de suero

Fig. 131 Desarrollo de la viscosidad durante la cristalización de un concentrado de suero

Fig. 132 Cristalización de lactosa como una función del tiempo

Fig. 133 Evaporador, dos enfriadores 'flash' con tanques de cristalización, y un secador tipo compacto para la producción continua de suero semi-cristalizado en polvo

Fig. 134 Evaporador, tanques de cristalización y secador con sistema de transporte neumático

Fig. 135 Evaporador, tanques de cristalización y secador con Vibro-Fluidizador

Fig. 136 Secador con cinta para la post-cristalización

Fig. 137 Procesamiento de suero engrasado en polvo


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Fig. 139 Solubilidad del producto final WPC como una función de latemperatura del aire de salida desde el secador

Fig. 140 Secador tipo alto para productos de proteínas de suero (TFD)

Fig. 140a Secador compacto para permeado - Proceso seco

Fig. 140b Secador alto para permeado - Proceso húmedo

Fig. 140c El proceso TIXOTHERM™

Fig. 141 Combinación de 'back-mix'/'plug-flow'. Lecho fluido para el secado de lactosa

Fig. 142 Diagrama de flujo. Intercambio de iones

Fig. 143 Diagrama de flujo de una planta para alimentos infantiles, conmezclado en húmedo y concentrador alto para preparar la alimentación

Fig. 144 Planta UHT para alimentos infantiles

Fig. 145 Diagrama para una planta de conversión continua,para la producción de Na-caseinato

Fig. 146 Planta de secado para sustitutos de leche para terneros (CDI/C)

Fig. 147 Secador de multi-etapas para la producción de leche enteraen polvo con contenido alto de grasa libre (MSD)


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