Proceso de elaboracin del yogurt en COOLECHERALeidy Ballesteros,
Jeniffer Castro, Liceth Hernndez, Felipe Ortiz, Santiago
Sarmiento.Programa de Ingeniera Qumica. Universidad del Atlntico.
Km 7 Va Puerto Colombia.
L. Ballesteros et al, Diseo de Reactores 2013-2. Avance 3
9
RESUMEN
En el siguiente documento se mostrar detalladamente el proceso
de produccin del yogurt en COOLECHERA, que consta de 3 etapas de
mezclado y preparacin de la leche a procesar, el proceso de
pasteurizacin y posteriormente el proceso de fermentacin, que se
lleva a cabo en un madurador, un biorreactor tipo Batch, en el cual
intervienen los microorganismos, como el Lactobacillus Bulgariccus,
hasta obtener el producto deseado con las propiedades organolpticas
que caracterizan el yogurt. Tambin se mostrar cmo se determin la
cintica de reaccin, y luego de una exhaustiva revisin bibliogrfica
se encontr que la reaccin es de orden, y que sta depende de
concentraciones de los microorganismos.
Conceptos clave: Biorreactor, concentracin, microorganismos,
cintica de reaccin, yogurt, proceso qumico.
1. INTRODUCCINEl yogurt es un producto lcteo fermentado,
levemente cido, de cultivo semislido que es producido por la
homogeneizacin y pasteurizacin de la leche[1]. La leche se compone
en su mayor parte de agua, y el resto de otros componentes slidos,
protenas, entre otros, donde se estiman los siguientes porcentajes,
en su composicin: Agua: 87,5% Lactosa: 4,7% Grasa: 3,7% Protenas:
3,3% Sales minerales: 0,7%[2]En consecuencia, se dice que la leche
es una solucin acuosa de lactosa o iones de calcio; tambin se dice
que es una suspensin coloidal ya que contiene protenas disueltas,
dispersas; as como tambin se puede decir que es una emulsin ya que
es una mezcla homognea de grasa en agua [3]. En la leche, las
partculas de grasa se encuentran en forma de pequeas gotas que
forman una emulsin con el agua; se sabe que una emulsin es una
mezcla ms o menos homognea de dos sustancias inmiscibles[4]. En una
emulsin se pueden distinguir 2 fases: la fase dispersa, que se
encuentra en menor cantidad y se dispersa en la fase de mayor
cantidad, o fase continua. En el caso de la leche, la fase dispersa
es la grasa de la leche y la fase continua es el agua. Los glbulos
grasos, que componen la grasa de la leche, estn recubiertos por una
membrana electrosttica, que determinan la estabilidad de la
emulsin: Si los glbulos grasos se dispersan por toda la fase
continua, la emulsin es estable, en cambio, si se acumulan y son
arrastrados a la superficie, se dice que la emulsin es inestable, y
esto se presenta cuando la leche se encuentra en estado de reposo
[3]:
Figura 1. Estabilidad de la leche con los glbulos grasos1.1.
HomogeneizacinEn la industria lctea, se forza el paso de la leche a
gran velocidad a travs de una ranura muy estrecha. La leche llega
al homogeneizador por un conducto con una velocidad moderada (entre
4 y 6 m/s). En el homogeneizador se provoca unaumento de la
velocidad (entre 100 y 400 m/s) yde la presin (entre 10 y 20 MPa)
que provocan la ruptura de los glbulos de grasa en dos etapas, de
manera que a la salida del homogeneizador la leche contiene glbulos
de grasa de menor tamao.La homogeneizacin se consigue por tres
fenmenos: Fuerzas de rozamiento: La fuerza de rozamiento entre la
vlvula y la leche hace que los lbulos de grasa se deformen y se
rompan Implosin: La leche se ve obligada a pasar por un espacio muy
estrecho, lo queprovoca un aumento de la velocidad y un descenso de
la presin. Eso hace que algunos componentes de la leche se
vaporicen formando pequeas burbujas. Una vez atravesado el espacio
ms estrecho las burbujas implotan, lo que provoca la divisin de los
glbulos de grasa. Fuerzas de impacto: El golpeo de la leche contra
la vlvula provoca la ruptura de los glbulos de grasa[3].El tamao de
los glbulos grasos se reduce aproximadamente a 1/5 del inicial
(unos 5 m). Tambin se destruyen parcialmente las micelas de casena
y los pedazos se adhieren a la superficie de los glbulos
grasos[5].
Figura 2. Proceso de homogeneizacin de la leche.
1.3. PasteurizacinEste proceso consiste en el tratamiento trmico
en el cual se somete la sustancia, en este caso la leche, a un
calentamiento para eliminar esporas y microorganismos patgenos
presentes en ella y posterior e instantneamente se somete a un
enfriamiento, para eliminar por completo estos agentes patgenos.
Este proceso se denomina as en honor de Louis Pasteur, quien realiz
los primeros experimentos de dicho proceso [6].
Figura 3. Pasteurizacin de la leche.
1.3. FermentacinEste proceso consiste en y se debe a la
actividad de microorganismos presentes en la sustancia a procesar,
en el caso de la leche se tiene como ejemplo a los Lactobacillus
Bulgariccus y Streptococcus Thermophilus.
Figura 4A. Lactobacillus Bulgariccus
Figura 4B. StreptococcusThermophilus El proceso de fermentacin
es un proceso por tandas, en el cual los microorganismos comienzan
a adaptarse a las condiciones de sustrato, se ajustan a su nuevo
entorno, sintetizando enzimas y se preparan para comenzar a
reproducirse [7]. Este tipo de reacciones suelen tardar un perodo
considerable de tiempo.
Figura 5. Proceso de fermentacin2. DESCRIPCIN DEL PROCESOEl
proceso se basa en la fermentacin lctica de la leche por medio de
cultivos bacterianos para la produccin de yogurt. En la planta de
COOLECHERA se utilizan tres maduradores que se pueden definir como
reactores tipo Batch, para realizar dicho proceso.En la planta de
produccin de yogurt en COOLECHERA se emplean 3 biorreactores o
maduradores, dos de ellos con volmenes de 5000L cada uno, y uno ms
pequeo, de 4000L. Para iniciar, una solucin de leche (del da)
mezclada con azcar, la cual es agregada a razn de 12 bultos de 50Kg
cada uno por cada 1000L de leche; despus, pasa por un pasteurizador
que calienta la mezcla hasta una temperatura de 90C durante 45
minutos para pasar luego a los maduradores. El proceso de
fermentacin de la leche en los maduradores toma un tiempo
aproximado de 6 horas. Antes de introducir el cultivo de
microorganismos, se enfra la mezcla de leche y azcarutilizando como
medio de enfriamiento una chaqueta donde circula agua a temperatura
ambiente, reduciendo la temperatura de la solucin a una temperatura
de 40C, paso seguido, se agrega un sobre de cultivos bacterianos
liofilizados, por cada 1000L de leche, luego se somete a agitacin
por un perodo de 10 a 15 minutos. Se reactivan los microorganismos
y comienzan a fermentar. Luego, se esperan 4 horas para que el
cultivo bacteriano se active y las siguientes 2 horas, los mismos
se encargan de disminuir el pH. Se toman muestras de acidez
estimadas entre 4 y 4,5 para poder cortar el proceso, es decir,
enfriar la leche por medio de las chaquetas y los agitadores que
tienen integrado un sistema de enfriamiento. Al finalizar el
proceso, se lava el reactor durante 20 minutos y luego el reactor
comienza a trabajar de nuevo con una nueva mezcla y un nuevo
cultivo de bacterias liofilizado.
Figura 6. Diagrama de flujo del proceso
Diagrama 1. Descripcin del proceso
3. CARACTERSTICAS DEL REACTOR
Los tres maduradores estn elaborados en acero inoxidable con
mirillas para observar el estado del proceso, poseen forma
cilndrica y, la parte superior en forma de domo, que tiene unas
tapas que permiten agregar, inocular los cultivos bacterianos
manualmente y tomar muestras del producto. Se trabaja con la presin
atmosfrica ya que no estn presurizados. Uno de los maduradores
tiene 3,5m de alto para un volumen de 4000L y los otros dos de 4m
de alto para un volumen de 5000L cada uno. Cada madurador tiene una
chaqueta de enfriamiento y un agitador de paletas que adems de
homogeneizar el producto, posee un sistema de enfriamiento que
ayuda al proceso.Se cuenta con un sistema de tuberas, de las cuales
se usan dos tuberas para alimentar los maduradores y pasan por la
parte superior del reactor; otra tubera que tambin pasa por la
parte de arriba que se encarga de circular el agua de enfriamiento
a las chaquetas, y una tubera que pasa por la parte inferior, que
sirve para retirar el producto por gravedad y se comunica a una
envasadora.
Figura 7. Madurador 4. JUSTIFICACIN DEL DISEO DEL REACTORSe
atribuye el uso de un reactor tipo Batch en ste proceso, al tiempo
que toma llevar a cabo los cambios de temperatura, la agitacin y el
proceso de fermentacin es s mismo, ya que el tiempo de activacin de
los cultivos bacterianos es largo, 4 horas aproximadamente, adems
de la disminucin del pH que toma 2 horas ms.Otro aspecto importante
es que los cultivos bacterianos y algunos aditivos que pudieran ser
agregados, se dosifican en sobres que se adicionan manualmente al
reactor, ya que estos son slidos y se dificultara su transporte por
tubera, a menos que se transportaran en una suspensin lquida, pero
esto podra afectar seriamente el proceso. El hecho de agregar los
aditivos por medio de unas tapas ubicadas en la parte de arriba de
los reactores, sugiere que el proceso est en contacto con la
presinatmosfrica, lo que se justica tambin como parte importante
del diseo ya que, la reaccin de fermentacin podra liberar gases
como CO2que generaran presin adicional en el reactor y debido al
largo tiempo del proceso, podran afectar la calidad del producto,
llegando incluso daarlo.
Figura 8. Biorreactor tipo Batch. Diseo del madurador.5.
CARACTERSTICAS Y CONDICIONES DE REACCIN La fermentacin lctica es
una ruta metablica anaerbica que ocurre en el citosol de las
clulas, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener
energa y donde el producto de desecho es el cido lctico.En
condiciones de ausencia de oxgeno (anaerobias), la fermentacin
responde a la necesidad de la clula de generar la molcula de NAD+
(Nicotinamide adenine dinucleotide (C21H27N7O14P2)), que ha sido
consumida en el proceso energtico de la gluclisis. En la gluclisis
la clula transforma y oxida la glucosa en un compuesto de tres
tomos de carbono, el cido pirvico, obteniendo dos molculas de ATP;
sin embargo, en este proceso se emplean dos molculas de NAD+ que
actan como receptores de electrones y se reducen a NADH. Para que
puedan tener lugar las reacciones de la gluclisis productoras de
energa es necesario re-oxidar el NADH; esto se consigue mediante la
cesin de dos electrones del NADH al cido pirvico, que se reduce a
cido lctico [1].Tenindose como sustrato a la lactosa (C12H22O11)y
la enzima lactasa, involucrada en la hidrlisis de la lactosa,
aportada por bacterias del tipo Lactobacillus, las cuales son las
encargadas de ejecutar la degradacin de carbohidratos. Las
reacciones relacionadas a la produccin de cido lctico son:
Hidrlisis:
Gluclisis:
Fermentacin lctica:
En una ecuacin general, el cido lctico se forma al reducir cido
pirvico [4].
6. EXPRESIN CINTICA DE LA REACCIN
Para las reacciones donde intervienen microorganismos, como la
que ocurre en la fermentacin de la leche para la obtencin del
yogurt, la expresin cintica de reaccin est expresada bsicamente de
la siguiente manera:(1)Esta ecuacin es conocida con la ecuacin de
Monod, donde es la velocidad de crecimiento de la clula, expresada
en g/dm3s, es la velocidad de crecimiento especfico, medida en
(s-1), y es la concentracin de las clulas en el sustrato
(g/dm3)[7].La velocidad de crecimiento especfico de la clula (o
microorganismo) se puede expresar como:(2)Donde es la velocidad
mxima de reaccin especifica de crecimiento, Ks es la constante de
Monod (g/dm3) y Cs es la concentracin del sustrato, expresado en
g/dm3. Reemplazando (2) en (1)(3)
Para esta reaccin, la constante de Monod es mucho menor que
entonces la ecuacin se reduce a:
Dado a que el proceso de fermentacin no es en estado
estacionario en todo momento, se tiene que:
Donde representa la velocidad de muerte celular, que es debida a
las fuerzas de corte en el mezclado, a los entornos difciles,
agotamiento local de nutrimentos y presencia de sustancias txicas
[7], y se define matemticamente como:
Velocidad de consumo del sustrato:
En la literatura se pudo encontrar, para el Lactobacillus
Bulgariccusun valor estimado para la concentracin celular, as como
otros datos cinticos generales para reacciones de fermentacin, como
las constantes de muerte natural y de muerte por sustancia txica y
de mantenimiento celular (m):
De la ecuacin (7) se tiene el trmino de rendimiento, que se
calcula por medio de la siguiente relacin:
Calculando :
Se puede calcular por medio del mtodo de vida media o tiempo de
duplicacin:
Aplicando variable separable:
Integrando con los lmites de concentracin celular (), y los
lmites de tiempo de (tiempo de duplicacin), se tiene:
Teniendo valores de duplicacin para el Lactobacillus tomado de
la literatura, se puede estimar un tiempo de duplicacin de 45
minutos:Desarrollando la integral se tiene:
Reemplazando el valor estimado de :
Como , entonces:
Calculando , con los valores estimados, reemplazando en la
ecuacin (6):
Donde es la concentracin de la sustancia txica para los
microorganismos, o sea, de cido lctico, producto de la sntesis de
la lactosa por medio de los microorganismos. En la literatura se
pudo encontrar que una concentracin tolerada y aceptada de cido
lctico en el yogurt es de 1,1%, sin embargo, cuando la concentracin
de cido lctico alcanza un porcentaje de 1,4% cesa toda actividad
metablica [7], es decir, la concentracin de clulas es cero
(0).Entonces, la concentracin de la sustancia txica para el
microorganismo se puede estimar como 1,4% de cido lctico en el
yogurt, es decir (1,4g/100L) o 0,014g/L, reemplazando en la ecuacin
(6):
Reemplazando y en la ecuacin cintica, ecuacin (5)
Hay que tener en cuenta que la leche posee mltiples nutrimentos,
sin embargo la concentracin de sustrato que se tiene en cuenta es
la del nutrimento limitante, en este caso, la lactosa.
El crecimiento microbiano se puede resumir en 4 etapas:1.
Retraso (I): el cultivo de microorganismos entra a un proceso de
adaptacin en el sustrato en que es inoculado y para adaptarse
empiezan a sintetizar enzimas y a prepararse para su reproduccin.
Hay poco aumento en la concentracin de microorganismos.2.
Crecimiento exponencial (II): Aqu se comienza a notar un aumento
considerable, de carcter exponencial de microorganismos y este
crecimiento es proporcional a la concentracin celular, dividindose
al mximo.3. Fase estacionaria (III): en esta etapa los
microorganismos alcanzan un nivel de crecimiento tan grande, que su
espacio biolgico se ve muy reducido, por lo que la concentracin de
estos microorganismos se mantiene constante.4. Muerte (IV): En esta
ltima etapa se nota la carencia de nutrimentos y metabolitos
esenciales en el entorno de los microorganismos, ya que han
sintetizado todo lo que haba en el sustrato. Con un nivel bajo de
los requerimientos de nutrientes esenciales para la vida de los
microorganismos, estos comienzan a reducir su poblacin,
disminuyendo as su concentracin [7].
Grfico 1. Concentracin celular vs tiempo. Grfica de crecimiento
exponencial
Si se conociera con exactitud los datos experimentales de tiempo
vs concentracin celular, se podra calcular sin problemas la
velocidad de reaccin, ya que esta depende fundamentalmente de la
accin de los microorganismos en el sustrato. Sin embargo, la
empresa no brind suficiente informacin para calcular la cintica y
velocidad de reaccin.Sin embargo, en la literatura se pudo
encontrar un dato estimado de concentracin celular en este tipo de
procesos, con un valor de:
7. USOS E IMPORTANCIAComo se mencion anteriormente, la
importancia de introducir cultivos de microorganismos en un reactor
es para favorecer la reaccin, ya que en estos se presentan
reacciones qumicas dentro de sus cuerpos, se puede decir que cada
uno de los microorganismos es un mini-reactor, donde cada uno
comienza su proceso de adaptacin en el sustrato, luego de la
adaptacin del microorganismo al sustrato viene su proceso de
crecimiento y reproduccin, hasta que ya finaliza su ciclo. En la
industria de alimentos es frecuente el uso de estos microorganismos
y tiene sus beneficios, en el caso del yogurt, las bacterias
cido-lcticas, mencionadas anteriormente, proveen al producto de un
sabor agradable, de gusto suave y delicado, promueve la cuajada,
mejora la digestin y absorcin y contribuye a promover la salud
humana, entre los cuales se pueden destacar los siguientes
beneficios: Mantenimiento de la flora intestinal y tratamiento de
problemas digestivos Modulacin del sistema inmunolgico Reduccin de
cncer de colon Usos en intolerancia a la lactosa Disminucin del
colesterol srico Usos en hipertensin [10]
8. CONCLUSIONES
La velocidad de crecimiento celular es de La velocidad de muerte
celular es de AYDAME CON OTRAS!!!
9. AGRADECIMIENTOS
Al Ingeniero Jos Domingo Martnez Julio por hacer posible la
visita industrial. Al Ingeniero Clemente Jimnez Moreno por guiarnos
en el recorrido de la empresa y brindarnos la informacin necesaria.
A la profesora Leda Pernett, por hacer posible la realizacin de
estos proyectos, en base a los conocimientos transmitidos en la
clase de Diseo de reactores, y formndonos en nuestro trayecto como
futuros ingenieros.
10. BIBLIOGRAFA
http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=074&fdname=FOOD+MANUFACTURING&pagename=Planta+de+produccion+de+yogurtDoc
del yogurt
pdfhttp://www.gominolasdepetroleo.com/2011/10/que-es-la-leche-homogeneizada.htmlhttp://www.monografias.com/trabajos82/guia-quimica-organica/guia-quimica-organica.shtmlhttp://ingalimentos.wordpress.com/2007/11/17/homogenizacion-de-la-leche/http://www.slideshare.net/omarrn/pasteurizacion-7159548#btnNextFoglerALFA
LAVAL, Manual de Industrias Lcteas, 2 Edicin, Iragra S.A. Madrid,
Espaa, p 169-174.Miguel Jakymec, Hctor Morn, Gisela Pez, Jos R.
Ferrer, Zulay Mrmol, Eduardo Ramones. Cintica de la produccin de
acido lctico por fermentacin sumergida con lactosuero como
sustrato. REVISTA CIENTIFICA FCV-LUZ, Vol XI, N1, 53-59, Ao
2001.http://fuente.uan.edu.mx/publicaciones/03-07/1.pdf
