INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DESARROLLO DE MEMBRANAS PARA ÓSMOSIS INVERSA Y

SU APLICACIÓN EN LA DESHIDRATACION DE LECHE DE VACA.

TESIS PROFESIONAL

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

PRESENTA: JUAN ARTURO MÉNDEZ MEDINA.

PROFESOR ORIENTADOR: ING. VIDAL FRANCISCO CAMAÑO DOMINGUEZ.

MÉXICO DF. NOVIEMBRE 2007.

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AGRADECIMIENTOS: Al Ing. Vidal Francisco Camaño Domínguez por su invaluable apoyo. Al Ing. Jorge Sánchez Ramos por sus consejos y orientación. Al Ing.Jesús Martínez Guerrero por las facilidades para utilizar las instalaciones de La Comisión de Aprovechamiento de Aguas Salinas y Energía Solar.

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DEDICATORIAS: A quien abrió puertas y allanó caminos para que yo pudiera estudiar… a mi Madre.

Sra. Mercedes Medina Vda. de Méndez. A quien ha enriquecido mi vida… a mi queridísima esposa.

Profesora Rosa Elena Otero y Guadarrama. A quienes son mis riquezas en mi vida… a mis hijos.

Alena, Alejandra, Adriana, Anahí y Arturo. A mi Patria… a mi querido México. A mi institución de quien llevo sus colores en mi alma…

Al INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL. A mí querida escuela… La ESIQIE. A todos mis entrañables maestros… Principalmente al Ing. Mario Gutiérrez Contreras que en paz descanse y al Ing. Pedro Lezama y Noriega que en paz descanse. Al profesor Víctor Fajardo. A mis compañeros que como yo lucharon por ser profesionistas enfrentando muchas dificultades económicas… Al Ing. Francisco Vidal Camaño Domínguez y tantos otros. A mis queridos amigos de la vida y compañeros de la VOCA 4.

Genaro, Sergio, Rogelio, Alfredo, José y Ayalita.

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INDICE RESUMEN i

INTRODUCCION ii

1. GENERALIDADES. 1

1.1 OBJETIVO. 1 1.2 ÓSMOSIS Y ÓSMOSIS INVERSA 1 1.3 TEORÍA DE LAS MEMBRANAS 2 1.3.1 ESTRUCTURA MOLECULAR DE LAS MEMBRANAS 4 1.3.2 ESTRUCTURA MICROSCÓPICA DE LAS MEMBRANAS 5 1.4 MATERIALES 6 1.5 PROCESOS DE MANUFACTURA Y TRATAMIENTOS TÉRMICOS 6 1.6 PRUEBA DE MEMBRANAS 11 1.7 BOMBAS Y BOMBAS DE ALTA PRESIÓN 20 1.8 LECHE FRESCA DE VACA, SUS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS. 21 1.8.1 DESCREMADO Y DESCREMADORAS. 26 1.8.2 LECHE EVAPORADA, CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y NUTRICIONALES, OBTENIDAS POR LOS PROCESOS TRADICIONALES DE CONCENTRACIÓN. 29

2 ESTUDIO EXPERIMENTAL. 36

2.1 DESHIDRATACIÓN POR ÓSMOSIS INVERSA. 36 2.1.1 MEMBRANAS, SUS FÓRMULAS Y CONDICIONES DE FABRICACIÓN. 36 2.1.2 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE PRUEBA. 37 2.1.3 DESCRIPCIÓN DE LAS PRUEBAS. 40 2.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES. 48 2.3 PROPIEDADES DE LA LECHE CONCENTRADA POR OSMOSIS INVERSA Y SU COMPARACIÓN CON LA LECHE CONCENTRADA POR LOS MÉTODOS TRADICIONALES. 51

3 INTERPRETACIÓN MATEMÁTICA DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES 52

3.1 VARIABLES DEL PROCESO Y SU GRAFICACIÓN. 52 3.1.1 GRAFICACIÓN DE LAS DISTINTAS VARIABLES 53 3.2 MODELO MATEMÁTICO Y SU AJUSTE CON LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES. 61 3.2.1 MÉTODO PARA DETERMINAR LAS CONSTANTES. 63

4 APLICACIONES. 65

4.1 INSTALACIÓN DE UNA CONCENTRADORA PILOTO POR ÓSMOSIS INVERSA 65 4.1.1 LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA. 65 4.1.2 CAPACIDAD DE LA PLANTA. 67 4.1.3 DIAGRAMA DE BLOQUES. 69 4.1.4 UNIDADES DEL EQUIPO. 71 4.1.5 CONSIDERACIONES ECONÓMICAS. 84

5 CONCLUSIONES. 85

6 BIBLIOGRAFÍA. 85

Resumen. La investigación de la utilización de membranas de acetato de celulosa para separar los componentes tanto de leche entera y leche descremada como suero, usando un aparato de diseño experimental que permitió la variación de las condiciones del proceso, se obtuvieron resultados que al interpretarse gráfica y matemáticamente conforman el comportamiento de las membranas. Las condiciones de fabricación y las variables de fabricación mostraron tener efecto sobre su comportamiento, que determinaron su eficiencia de flujo, rechazo y el fenómeno de selectividad. Los resultados prometen la reducción de costos del transporte al concentrar la leche, enriquecerla en nutrimentos y aprovechar un contaminante potencial como el suero de quesería, dándole un valor agregado en concentrados proteicos.

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Introducción. La aplicación de membranas de acetato de celulosa que permitan la concentración de leche fresca de vaca permitirían hacerla llegar a los centros de consumo oportuna y adecuadamente, sin deterioro y casi sin demerito de sus características originales, que actualmente es difícil de trasportar por ser un producto altamente delicado en su conservación. Actualmente la leche que se concentra para facilitar, abaratar su manejo y su transporte decae significativamente en sus cualidades nutriólógicas debido a los procesos tradicionales de concentración que implican tratamientos calóricos, es el caso de las leches evaporadas tan usuales actualmente, que se colectan en estaciones distantes de los centros de consumo y de las plantas de procesamiento pero cerca de las zonas de producción primaria. Estas leches se concentran por medio de evaporadores de múltiple efecto y se envían a la planta, donde se formulan, estabilizan, se envasan en latas y se pasteurizan en autoclave, o simplemente son secadas hasta polvo. Por estos tratamientos pierde sus propiedades a cambio de la facilidad en su manejo y conservación. Debido a lo novedoso del método propuesto con el que se logra conservar las características originales de la leche, y a las necesidades de disponibilidad de un producto altamente alimenticio, a la reducción de las dificultades de sus transporte y conservación es imperativo referir los trabajos experimentales, sus condiciones y sus resultados al campo de la práctica, para que el esfuerzo realizado en el desarrollo del presente trabajo, represente una aportación real en la tarea de aprovisionamiento de alimentos para el género humano.

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1 Generalidades.

1.1 Objetivo. El objetivo de este estudio es investigar la viabilidad de la aplicación del principio de ósmosis inversa en la concentración de leche fresca de vaca, estableciendo experimentalmente las condiciones óptimas del proceso, para lo cual se desarrollaron membranas de acetato de celulosa.

1.2 Ósmosis y Ósmosis Inversa Los mecanismos de ósmosis y ósmosis inversa se explican fácilmente cuando se tiene una disolución y un disolvente, o dos disoluciones de diferente concentración y un mismo soluto, separados por una membrana permeable, la tendencia a igualar las concentraciones por medio de un flujo de disolvente de la solución más diluida a la más concentrada, este flujo se denomina osmótico y a tal fenómeno ósmosis. Si se aplica presión en sentido contrario al flujo se verá que éste disminuye en proporción a la presión aplicada. En el punto en el que no hay mas flujo, la presión que lo impide es igual en magnitud y contraria en sentido a la presión que lo promueve (Fig.1) Ésta presión neutralizada se llama presión osmótica, es además una propiedad intrínseca de las soluciones y no depende de las membranas. Si después de alcanzar este punto se sigue aumentando la presión se encontrara que hay un flujo de disolvente puro en sentido inverso al original que apareció en forma natural. Este fenómeno debido a la aplicación de una presión mayor a la presión osmótica se llama ósmosis inversa.

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Fig.1.- Ósmosis y ósmosis inversa

1.3 Teoría de las membranas El conocimiento del fenómeno de ósmosis data de varios siglos atrás, hace dos, el abate Nollet utilizando membranas animales investigó el fenómeno de difusión en estas y publicó el trabajo en 1748, sin embargo, paso mucho tiempo para que se idearan las membranas artificiales y los trabajos sobre éstas no aparecieron hasta cien años después con las investigaciones de Traube en 1867

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y Pfeffer en 1867 siendo este ultimo quien realizó las primeras mediciones utilizando una membrana de ferrocianuro de cobre precipitado sobre una placa de porcelana porosa. Ese tipo de membranas, se utilizó ampliamente durante el final del siglo XIX y principios del siglo XX. H.N. Morse de la universidad John Hopkins y E.G.J Hartley en Inglaterra perfeccionaron las técnicas de preparación y utilización de la membrana original. Van Hoff usó los resultados obtenidos por Pfeffer como punto de partida para estructurar un concepto de fácil comprensión acerca de las diluciones diluidas. J.W. Gibbs le dio carácter termodinámico al fenómeno osmótico. En 1920 el interés por la ósmosis como campo de investigación decayó y pasó a formar parte de las curiosidades científicas, y tiempo después vino a adquirir una nueva importancia por la aparición de las membranas artificiales que con ayuda de presión aplicado en sentido contrario a flujo osmótico natural, eran capaces de extraer agua pura, del agua de mar y compuestos orgánicos de diferente naturaleza y origen, como jugos, sueros, leches, agua de mar, etc. En esta forma nació la ósmosis inversa con significado práctico que permite amplios campos de aplicación en diferentes áreas de la industria, como la farmacéutica, la medicina, la tecnología de los alimentos, la tecnología de la desalación y la astronáutica. Las membranas para ósmosis inversa, exhiben una propiedad selectiva, hacia uno o varios de los componentes, de una disolución que es forzada a pasar a través de ellas. Este mecanismo de selección permite el paso de un componente (como el disolvente en la solución) y rechaza a los demás, así que cuando la membrana no es enteramente permeable a todos los componentes de una disolución se denomina membrana semipermeable. Martínez, en 1975 trabajando con membranas de acetato de celulosa propuso una explicación al hecho por lo cual membranas trabajan mejor bajo presión. En base a su trabajo experimental, desarrollo una teoría que amplia todos los conocimientos tenidos hasta ahora acerca del comportamiento de las membranas bajo presión, postuló la hipótesis, de la existencia de los centros de

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rechazo, describió un procedimiento que concuerda con la definición clásica del proceso histérico, logro detectar y medir las cargas eléctricas de las membranas bajo presión y dio el primer paso en el estudio del funcionamiento de las membranas bajo presión, y estableció la condición necesaria para la desalinización con membranas de ósmosis inversa, según él es la deformación de la membrana, sin importar la causa de la deformación.

1.3.1 Estructura molecular de las membranas En el desarrollo de la tecnología de desalación, muchos investigadores han aportado sus descubrimientos y sus ideas, por lo que es necesario mencionarlos, en la manufactura, en la composición, en el diseño y en la aplicación de las membranas han aportado parte de lo que hoy tenemos como tecnología de las membranas. En la década de los 70’s Reid y Breton, por una parte, y Yuster Sourirajan y Bernstein por la otra, llevaron a cabo programas de investigación para determinar cual de los materiales que forman películas, exhibían semipermeabilidad. El punto en que casi todos concordaron es que la celulosa es la base fundamental de varias funciones químicas en los compuestos orgánicos de los materiales de las membranas; las funciones son el acetal, el acetato-butirato, el xantato y el propionato, el etilo, y el nitrato etc. Por la forma geométrica que presentan y atendiendo el proceso de fabricación se han hecho membranas tubulares, planas, y en espiral. Sin embargo, con respecto al conocimiento de la estructura molecular de los materiales que están hechas las membranas se ha avanzado poco y la mayoría de las membranas utilizados en procesos de ósmosis inversa para desalar se usa acetato de celulosa variando solamente el grado de acetilación y los aditivos, por esta razón parte del trabajo se concentra exclusivamente a la estructura molecular de acetato de celulosa. (Fig.2)

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Fig. 2.- Celulosa

El acetato de celulosa ha demostrado alto flujo y buena selectividad, en el rechazo de sales, además, cosa muy importante para la realización de esta investigación, es capaz de retener sales orgánicas como lo ha demostrado Reid de la Universidad de Florida.

1.3.2 Estructura microscópica de las membranas Rilley, Gadner y Merten han estudiado la estructura de las membranas usadas por Loeb-Sourirajan. Utilizando técnicas de microscopía tradicional encontraron que las membranas no mostraban a 500 aumentos estructura alguna, mas utilizando técnicas de microscopía electrónica de 8 mil aumentos la membrana mostró una matriz con poros muy finos, además una capa superficial muy fina y densa, del lado en contacto con el aire en el momento de su fabricación, esta capa se estimo en 0.25 micras, cuando el grueso de la membrana era de 100 micras, el tamaño del poro se considero del orden de 0.1 micra, resumiendo esta investigación realizada por Rilley, Gadner y Merten, sobre la estructura de las membranas de acetato de celulosa, en la que encontraron que se componen de una capa muy densa y fina de aprox. 0.25 % del espesor total, la cual se forma en el lado que esta en contacto con el aire al fabricar la membrana y de un sustrato poroso que le sirve de soporte. Anteriormente Loeb y Sourirajan habían sugerido un modelo similar para las membranas que mostraban semipermeabilidad.

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1.4 Materiales Se han ensayado gran número de polímetros de diferentes tipos, para fabricar membranas para ósmosis inversa, obteniéndose buenos resultados con el acetato de celulosa. Reid y Breton en 1963, se abocaron la tarea de encontrar el material que reuniera las características óptimas para la fabricación de membranas. De todos los materiales investigados, consideraron el acetato de celulosa como el mejor al mostrar mayor retención de sales y la posibilidad de que por tratamientos térmicos y aditivos aumentara considerablemente el flujo y la retención, además de la facilidad de fabricación que con solo disolver el polisacárido en acetona, extender esta mezcla sobre una superficie plana, dejar evaporar al aire, parte de la acetona y gelar con agua se obtienen las membranas. Han sido muy variadas las sales utilizadas como aditivos para mejorar las membranas así como los intentos por utilizar otros polímeros, que superen al acetato de celulosa. Algunos ésteres de la celulosa como la etilcelulosa, rechazan sales sin ser un rechazo importante, las mezclas de alcohol polivinílico con una mezcla de partes iguales del copolímero del éter vinilmetílico, y anhídrido maleico, sobre un soporte de celofán dio un buen rechazo. También el alcohol polivinílico muestra algunas propiedades de rechazo, más si es enlazado con almidón dialdehico. Otras resinas como el teflón, modificadas de diferentes formas, el poliestireno, fueron probadas sin que ninguna pueda competir en desalar agua o en concentrar soluciones orgánicas con el acetato de celulosa.

1.5 Procesos de manufactura y tratamientos térmicos Para el propósito de este trabajo, nos referiremos exclusivamente a las técnicas de fabricación de membranas de acetato de celulosa, que se puedan fabricar con recursos y la escala de laboratorio.

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Los procesos de fabricación de membrana de acetato de celulosa, básicamente son los mismos, variando únicamente, la forma física de la membrana, que será la del molde donde se aplique la solución de acetato de celulosa. El molde le conferirá su forma geométrica a la, membrana que puede ser plana, tubular, microtubular, o planas en rollo o espiral. Los pasos de los procesos de fabricación y las variables que intervienen son siempre los mismos, en cada paso es importante controlar las variables ya que de ellas depende el comportamiento de las membranas en operación. Los pasos del proceso de fabricación de las membranas (fig.3) son generalmente, salvo pequeñas variantes, como sigue: El primer paso consiste en la disolución de los componentes de la fórmula, disolviendo el acetato, en acetona, adicionando el aditivo en disolución acuosa y mezclando perfectamente hasta obtener una mezcla homogénea y traslucida. En el segundo paso, se extiende esta mezcla por algún medio o dispositivo en el molde, ya sea plano o tubular, de manera que quede una capa delgada y de espesor uniforme. Como tercer paso, se aerea la película formada, por un espacio de tiempo determinado con el propósito de evaporar parte de la acetona. En el cuarto paso se provoca la gelación de la película para formar la membrana por la acción de un baño de agua fría. En el quinto paso se retira la membrana del molde y del agua fría, se sumerge en un baño de agua caliente de 70 °C a 90 °C. Siendo variables al temperatura y el tiempo de inmersión, en seguida se pasa a un depósito con agua destilada donde se conservará para su clasificación por medio de pruebas de su comportamiento y posteriormente, destinarla a su uso. Si se pretende lograr fabricar membranas de alto flujo y buen rechazo, es necesario vigilar las variables del proceso de fabricación. El primer paso las concentraciones de los componentes, y la temperatura de disolución, ya que la deficiencia o exceso de algunos de ellos

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alteraría la relación de flujo y rechazo, además que tendría significado en la vida útil de la membrana.

Preparación de la fórmula.

Aplicación de la disolución.

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Inspección de la membrana.

Fig. 3.- Fabricación de membranas.

Se ha visto que los aditivos mejoran el rechazo de sales, por lo que la concentración de estos afectaría directamente el desempeño de la membrana. En los demás pasos de la fabricación de las membranas se tendría que vigilar el espesor de la película, que se supone esta en función directa e indirecta de la presión de trabajo y del flujo, respectivamente. La temperatura del molde y la disolución deben ser tales que favorezcan la evaporación de la acetona en la medida que se requiere para que la formación de la película se lleve a cabo lentamente, dando tiempo a que se forme la estructura asimétrica de la membrana, con su parte esponjosa y la capa densa fina, o callo. Así mismo el tiempo de aeración y la temperatura ambiental influyen en la velocidad de evaporación en la acetona. La temperatura del baño de gelación debe ser fría para lograr homogeneidad en el cuerpo de la membrana. Otra de las variables que revisten especial importancia son las relacionadas en el tratamiento térmico siendo éstas; la temperatura y el tiempo de curado, se cree que el calentamiento por medio de agua caliente, provoca un encogimiento en la membrana y consecuentemente el

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estrechamiento de los poros. Esto encuadra perfectamente en el razonamiento de Martínez en el aspecto de la deformación de la membrana para acercar los centros de rechazo y mejorarlo, no importando el medio para lograr la deformación, en éste caso el medio es el calor. Algunos autores han demostrado experimentalmente la importancia de estas variables, midiendo el comportamiento de las membranas en función de la variación de ellas. En este trabajo el tratamiento térmico consistirá en someter a las membranas a un baño de agua de diferentes temperaturas, a diferentes intervalos de tiempo, las membranas utilizadas en la parte experimental de este trabajo son membranas planas, fabricadas con un dispositivo que consiste en un receptáculo o deposito para la disolución, montada sobre una superficie plana que sirve de corredera a unas placas de vidrio donde se depositara la disolución para formar las membranas. El depósito tiene un tornillo elevador para graduar el espesor de la membrana, que no es otra cosa que la abertura entre las placas de vidrio y los filos del depósito. Al correr los vidrios por encima de la corredera, pero por debajo del depósito este va aplicando una película de espesor controlado. Para la fabricación de membranas planas, se coloca en el aparato (Fig.4) una placa de vidrio previamente enfriada, se mide la temperatura con un termómetro especial para superficies, se llena el deposito con disolución a la temperatura requerida, se coloca otra placa de vidrio detrás de la primera y se empuja con ella, haciéndola pasar por el aplicador, dejando éste una película uniforme y de espesor graduado en el tornillo, se toma el tiempo de aeración, al termino del cual se sumerge la placa en el baño de agua, en donde se realiza la gelación. El ambiente frío se logra metiendo el aparato en un refrigerador horizontal que este a la temperatura deseada.

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Fig. 4.- Aparato para fabricación de membranas planas.

Después de realizada la gelación y la separación de la membrana, se pasa a un baño de agua caliente, de temperatura controlada, esta parte final del proceso de fabricación de membranas es de suma importancia, ya que con ella se resumen todos los detalles para lograr un alto flujo con buen rechazo, en la parte experimental se verían estas condiciones buscando la mejor relación entre flujo y rechazo.

1.6 Prueba de membranas Se adopto una secuela experimental para la clasificación de las membranas producidas, variando las condiciones de fabricación y observando esta variación de función de la mejor relación entre la retención, el flujo y la presión de operación, obteniendo estos datos numéricos, se grafican para ver esquemáticamente esta relación. Entre las principales variables se encuentran; la concentración de los componentes de la fórmula, incluyendo los aditivos, el espesor de la membrana, las temperaturas del molde y la disolución, el tiempo de aeración, la temperatura del baño y el tiempo de tratamiento térmico.

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Para el desarrollo de la parte experimental de este trabajo se diseñó una tren de celdillas superpuestas (fig.5) que se asemejan a un filtro prensa y en realidad es posible prensar a la presión deseada las membranas, para verificar el postulado de las condiciones necesarias y suficientes para el funcionamiento de las membranas de Martínez Que dice “La condición necesaria y suficiente para operar con ósmosis inversa, es la deformación de la membrana, lograda por cualquier medio concebible”. Utilizando este dispositivo se realizó la secuencia experimental (fig.6), para determinar las condiciones óptimas y el modelo matemático que corresponde a un proceso de concentración de la leche realizado bajo los principios y con las membranas para ósmosis inversa.

Fig.5 Tren de celdillas de pruebas.

Con este acervo de datos experimentales se refirió este proceso con todas sus condiciones económicas hacia un modelo piloto.

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Despiece del tren de celdillas.

Equipo probador de membranas.

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Colección de permeado.

Circulación de concentrado.

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Presionado del tren de celdas.

Válvula de retención.

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Medición de la presión de descarga.

Bomba de alta presión.

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Conjunto del equipo concentrador.

Presión sobre membranas.

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Control de presión.

Bomba de alta presión.

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Colección del permeado.

Colección del permeado.

Equipo probador de membranas.

Fig.6.- Prueba de membranas.

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1.7 Bombas y bombas de alta presión Las bombas son el dispositivo mas ampliamente utilizado en la industria, solo superado por el motor eléctrico, existen muchos tipos de clasificaciones tan variadas como el principio que utilizan, sin embargo se distinguen dos grandes ramas en esta clasificación; las cinéticas y las de desplazamiento positivo o simplemente positivas, las primeras imprimen gran velocidad al líquido al entrar por el centro del impulsor y lo impulsan a la periferia donde la carcasa forma el ducto de la descarga. Las bombas positivas logran mover los líquidos forzándolos, de la succión a la descarga, a través de huecos formados por un mecanismo rotatorio o reciprocante En las bombas reciprocantes que utilizan un buzo, un pistón o un diafragma para desplazar el líquido que estén manejando, las velocidades de los líquidos son bajas, sin embargo, producen altas presiones y producen flujos pequeños relativamente, son durables, teniendo como desventaja principal la producción de flujo con pulsaciones, las bombas anteriormente descritas son susceptibles de fabricarse con diseño sanitario, el cual permite su fácil desarmado, para hacer la limpieza necesaria, requisito indispensable en la industria lechera y alimentaría general, las normas sanitarias para el diseño de equipos señalan que: todas las partes en contacto con el producto deberán construirse con un material, no toxico, no absorbente, resistente a la corrosión, con superficies completamente lisas, pudiendo ser acero inoxidable, alguna aleación de níquel, neopreno, teflón y algunos otros plásticos, todos los equipos deberán diseñarse de manera que se desarmen y armen fácilmente, los soportes o patas, en caso de existir, serán redondeados en los extremos y completamente lisos, se evitaran grietas, ranuras, esquinas cuadradas, donde pueda depositarse material, que será foco de contaminación microbiana, todas las esquinas serán redondas. Los empaques y sellos serán de algún material que no permita la absorción de los líquidos, que presente superficies lisas y que sean desechables o fácilmente lavables.

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1.8 Leche fresca de vaca, sus características físicas y químicas.

La leche es la secreción de las glándulas mamarias, generalmente de los mamíferos hembras, las que utilizan para nutrir a sus crías. Es un líquido blanco opaco, amarillento según su contenido de grasa, y doblemente viscoso que el agua, de sabor dulzón característico. Reúne a sus componentes bajo las formas simultáneas de solución, emulsión y dispersión coloidal. Todas las leches de todas las especies de mamíferos, tiene como componentes; grasas, proteínas, azucares, minerales, vitaminas, pigmentos, enzimas, células, gases y agua, variando solamente la composición para cada especie. Según B.H. Webb y A.H. Johnson, lo consignan en la siguiente tabla Tabla 1.7.1 Composición promedio de leches para diferentes especies.

*Sólidos no grasos. **Sólidos totales.

Especie Agua (%)

Grasa (%)

Proteína (%)

Lactosa (%)

Ceniza (%)

S.N.G.* (%)

S.T.** (%)

Humano 87.43 3.75 1.63 6.98 0.21 8.82 12.57 Vaca 87.20 3.70 3.50 4.90 0.70 9.10 12.80 Cabra 87.00 4.25 3.52 4.27 0.86 8.75 13.00 Oveja 80.71 7.90 5.23 4.81 0.90 11.39 19.29 Búfalo Egipcio

82.09 7.96 4.16 4.86 0.78 9.75 17.94

Búfalo Chino

76.80 12.60 6.04 3.70 0.86 10.60 23.20

Asno 89.03 2.53 2.01 6.07 0.41 8.44 10.97

Debido a que la leche de vaca es un alimento universalmente conocido, por convención cuando se habla de leche, se refiere a la leche de vaca, en caso de otra leche, se deberá mencionar la especie de que se trate. Para efectos de ese trabajo, se adoptará esta consideración.

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La leche normal sin descremar tiene un PH de 6.5-6.7 y una densidad de 1.029 a 1.032 a 15.5°C. La viscosidad depende de la temperatura y del estado de dispersión de los componentes sólidos y aproximadamente es el doble de la viscosidad del agua, es decir 2 cp ; tiene una tensión superficial de 50 dinas/cm a 20°C, comparada contra agua. Las propiedades de actividad de superficie están en función del contenido de proteínas, grasas, fosfolípidos y ácidos grasos libres. Cuando la temperatura de leche entera o descremada se eleva en el intervalo de 0°C a 60°C, la tensión superficial disminuye en forma semejante a la caída de tensión superficial del agua cuando es sometida al mismo cambio de temperatura y que es del orden de 10 dinas/cm2. También los ácidos grasos liberados por lipólisis de la grasa butírica contribuyen en abatir la tensión superficial. La homogenización y la esterilización calórica por lo contrario la aumentan. El punto de congelación de la leche, usualmente se encuentra de -0.530°C a 0.570°C, con un valor regular de -0.540°C. los contenidos de lactosa y cloruros en la leche, influyen en el abatimiento del punto crioscópico, otros factores como el funcionamiento fisiológico de la glándula mamaria, la estación del año, la alimentación y la raza también influyen. Una de las pruebas del grado de adulteración de la leche está basada precisamente en el aumento del punto crioscópico por la dilución de las sales por la adición de agua. La leche tiene un índice de refracción de 1.3420-1.3485 a 20°C. la leche tiene una conductividad eléctrica especifica promedio de 0.005 ohm-1(cm-1) a 25°C, la mayoría de las muestras normales caen dentro del rango de 0.0040-0.0055 ohm-1(cm-1), valores mas altos casi siempre son indicativos de infecciones como la mastitis, la cual aumenta las concentraciones de sodio y cloruro. La conductividad en la leche entera, es menor que en la leche descremada, ya que los glóbulos grasos impiden el flujo de los iones, el aumento de la acidez en la leche es proporcional a la conductividad. La leche descremada, tiene una capacidad calórica de 0.933 a 0.954 calorías/g°C, dentro del rango de temperaturas de 0°C a 50°C.

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Los valores de la conductividad térmica de la leche descremada y entera son solo ligeramente menores que los del agua (-0.00139 calorías/seg-cm2). La grasa butírica ocupa del 3.2 % al 5.3% del peso de la leche, dependiendo de la raza de la vaca, y el tipo de alimentación, de la estación, de la edad y muchos otros factores. Esta constituida de triglicéridos de los ácidos grasos casi en su totalidad (de 97% a 98%) y en la menor parte de diglicéridos, monoglicéridos, ácidos grasos libres, fosfolípidos, cerebrosidos, esteroles, escualeno, carotenoides, vitaminas; A, D, E y K, y muchos otros constituyentes menores, que van creciendo en número a medida que se perfeccionan técnicas y equipo analítico. Parece ser que la grasa butírica proviene en parte de los triglicéridos de la sangre, donde se encuentran ácidos grasos de cadena larga, y de la acción sintetizadora de las glándulas mamarias, donde los acetatos y butiratos, pueden actuar como base para la formación de ácidos grasos y para la glicerina, el hecho de que en la grasa butírica no se encuentran ácidos de cadena larga, sugiere que se forma en las glándulas mamarias perdiendo dos unidades de carbono. La grasa butírica es un sólido a la temperatura ambiente, su temperatura de fusión es de 30°C a 32°C aparece en forma de pequeños globulillos de 2.4 a 7.2 micras de diámetro, cubiertos por una membrana proteica. La cual se fija por absorción o atracción superficial, esta estructura es la que hace establecer la emulsión. El tamaño del glóbulo representa un papel muy importante en la operación del descremado, ya que entre más grandes sean, son mas influenciados por las fuerzas que actúan en las descremadoras. La leche es rica en proteínas de alto valor biológico, dónde la casi perfecta distribución de los aminoácidos esenciales la hacen uno de los alimentos más completos. La caseína es la fracción de las proteínas mas importante en la leche y esta a su vez constituida por diferentes proteínas con propiedades diferentes, las cuales también se consideran por fracciones y pueden separarse por precipitación en medio acido, adicionando posteriormente hidróxido de sodio. Bajo control de PH y temperatura, algunas fracciones permanecen en solución y otras

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precipitan, así se ha logrado aislar alfacaseína, betacaseína, gamacaseína, y deltacaseína. La alfacaseína también se fracciona. La caseína en todas sus fracciones esta constituida por un complejo micelar de caseínato de calcio y fosfato cuya estabilidad dependen de la carga eléctrica y los grupos hidrófilos. La parte líquida que se obtiene al precipitar y separar la caseína se conoce como suero y contiene proteínas separables en dos fracciones, la lactoalbúmina y lactoglobulina. Las cuales a su vez se fraccionan en alfalactoalbúmina, betalactoglobulina, albúmina de suero sanguíneo. La primera en euglobulina, seudoglobulina e inmunoglobulinas la segunda. La leche prácticamente solo contiene una azúcar y es exclusivo de esta, la lactosa. La lactosa es un disacárido compuesto por unidades de glucosa y galactosa. Presente normalmente en la leche, de 4.4% hasta 5.2% como lactosa anhidra, la cual tiene su origen en la D-glucosa de la sangre. Aunque es 6 veces menos dulce que la sucrosa le inflige a la leche, su sabor, olor, color y otras características, además de la porte de su valor nutritivo (Fig. 7).

Fig.7.-Fórmula estructural para Alfa Lactosa.

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La leche contiene en forma natural, las más importantes y necesarias de las vitaminas (tabla 1.7.2), para lograr una buena nutrición variando los contenidos, con la alimentación del ganado, siendo deficientes en vitamina D, C y otros nutrientes como el hierro. Las vitaminas presentes en la leche y en la proporción que se encuentran se consignan en la tabla siguiente Tabla 1.7.2.-Vitaminas en la leche de vaca

VITAMINA A U.I. 1560 TIAMINA mg/l 0.42 RIBOFLABINA mg/l 1.57 ACIDO NICOTINICO mg/l 0.85 VITAMINA B6 mg/l 0.48 ACIDO PANTOTENICO mg/l 3.50 BIOTINA mg/l 0.035 ACIDO FOLICO mg/l 0.0023 VITAMINA B12 mg/l 0.0056

El contenido aproximado de sales inorgánicas en la leche es de 0.9O % dando por calcinación 0.70% de cenizas, compuestas por cloruros, fosfatos y citratos, de potasio, sodio, y magnesio. Aunque contiene cantidades de hierro insuficientes para la dieta humana, en cambio aporta cantidades importantes de calcio, contiene algunas enzimas como la lipasa, galactasa, catalasa, reductasa, fosfatasa, lactasa etc. Que son producidas por las células de las glándulas mamarias y que promueven las reacciones para la metabolización de los componentes de la leche. Por su gran poder de absorción la leche contiene ocluidos o disueltos gran variedad de gases, estos son generalmente el dióxido de carbono, nitrógeno, oxigeno, los ésteres que en estado gaseoso, producen los olores o aromas. El mas importante de los componentes de la leche es el agua, sin la ayuda de este excelente disolvente el aprovechamiento de las

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sustancias nutritivas seria imposible ya que es el vehículo y ocupa aproximadamente el 87% del peso de la leche.

1.8.1 Descremado y Descremadoras. Descremado es la acción de retirar crema de la leche, generalmente por medios mecánicos, utilizando la diferencia de densidades entre la crema y la leche descremada, 0.9 g/ml y 1.036 g/ml respectivamente. Cuando se descrema leche por medios naturales, los glóbulos grasos, en el seno de del líquido, se comportan como pequeñas esferas, sujetas a la acción de la gravedad y de la fuerza ascensional. Aunque el fenómeno de ascensión de estas esferitas se ve afectado por la densidad, la viscosidad, la temperatura, por la presencia de aglutininas en la superficie de cada glóbulo, la conjugación de estas fuerzas en la separación en la separación natural, tiene una resultante que es la fuerza ascensional real de separación de los glóbulos grasos y leche descremada. Al someter al líquido a la acción de una fuerza centrifuga, la fuerza de ascensión se ve transformada a fuerza centrífuga, e incrementada en función del radio de rotación y la velocidad de rotación. En cualquiera de los dos procedimientos, el natural y el mecánico los glóbulos grasos están sujetos a un sistema de fuerzas que interpreta correctamente la ley de Stokes. Los glóbulos grasos ascenderán con una velocidad que esta en función del radio del glóbulo, de la viscosidad de la leche descremada, de las densidades de la grasa y de la leche descremada, de la acción de la gravedad.

2r2(DLD-DG)gV= 9ηLD

Donde: V es la velocidad de separación de los glóbulos grasos en cm/seg.

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R es el Radio del glóbulo graso. ηLD es la viscosidad de la leche descremada DLD es la densidad de la leche descremada. DG es la densidad de la grasa. g es la aceleración de la gravedad que es igual a 980 dinas. Cuando se usa una descremadora que utiliza la fuerza centrífuga, la fuerza gravitacional, cambia por la aceleración que produce la fuerza y la ecuación anterior queda como sigue:

(2Πn)2 R a=

(60)2

Donde: n es la velocidad del tazón en r.p.m. r es la distancia del glóbulo graso al eje de rotación. Sustituyendo en la ecuación de la velocidad de separación natural la aceleración por la gravedad.

2r2 (DLD-DG) 4Π2 η2 R 0.0024 (DLD-DG) r2 η2 R V= 9η 3600 = η Interpretando la ecuación la ecuación anterior se tiene que: La velocidad de separación esta en función directa de la diferencia de densidades, del número de r.p.m. del radio del glóbulo, de la distancia glóbulo-centro rotacional. Al incrementar cualquiera de estos factores, aumentará la velocidad, así también está en función inversa proporcional con la viscosidad.

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Hay tres tipos principales de descremadoras, que son: El tipo de alimentación a presión o hermético, el alimentado por gravedad o bajo ligera presión y el alimentado por gravedad. Las descremadoras de más uso en la industria son las de tipos centrífugo-herméticas, en las que al no permitir el paso de aire, los productos (leche descremada y crema) salen libres de espuma, que cuya presencia es un grave inconveniente para su manejo. Generalmente están constituidas de un bastidor, un colector para crema, un tazón, un número variable de platillos o discos, etc. Las descremadoras centrífugas aprovechan la fuerza rotatoria infligida a la leche por los platos del tazón, para que por medio de la diferencia de densidades entre la grasa y la leche descremada se realice la separación. Los platos están en contacto con la leche, la impulsan en movimiento rotatorio, al estar superpuestos dejando muy poco espacio entre sí, le proporcionan a la leche un flujo laminar por medio de sus paredes, estratificándose los componentes, según sus densidades. Unos orificios en los platos, localizados cerca de su eje de rotación son los puntos donde se separan crema y leche, yendo la crema al centro de rotación, por medio del colector es sacada al exterior, mientras que la leche descremada va a la periferia del tazón y por la parte superior del conjunto de platos asciende hasta el colector, finalmente es sacada. En las descremadoras herméticas, la leche se introduce a presión directamente al centro del tazón por una canalización del árbol. La alimentación puede ser por arriba o por abajo, según los modelos, la riqueza de la crema se controla por una válvula a la salida.

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1.8.2 Leche evaporada, características físicas, químicas y nutricionales, obtenidas por los procesos tradicionales de concentración.

Para efectos del presente trabajo, se considerará como leche concentrada a toda aquella a la que se le haya retirado parte de su agua de composición, no importando el método ni el uso al que se destine, ni la adición de otros materiales ni la designación comercial con que se le conozca. El término de leche concentrada para este trabajo incluye: leche condensada, leche evaporada, leche concentrada propiamente, leche semicondensada, leche semievaporada, leche condensada azucarada, etc. El Código Sanitario Mexicano, clasifica las leches concentradas utilizando los términos de leche condensada azucarada, leche evaporada, leche evaporada para uso industrial. Considerando más bien al uso comercial para el que se ha destinado. Debido a motivos de comercialización, conservación y fabricación, las leches concentradas en el mundo han recibido diferentes nombres pero todos relacionan en alguna forma la acción de concentrar. Inspirado en los trabajos de Luis Pasteur quien demostró que la descomposición de líquidos orgánicos era de origen bacteriano principalmente y que el calor lograba destruir la causa de dicha descomposición. Nicolás Appert en Francia, en 1796 envasó en botellas de vidrio leche que había sido concentrada por evaporación a presión atmosférica, las cuales después de taparlas herméticamente sometió al calor de agua en ebullición, por dos horas, con enfriamiento posterior, observó que la leche se conservaba por largo tiempo sin alteración. Appert ofreció sus investigaciones a la marina francesa, las que utilizó para proveer de un alimento sano a sus embarcaciones en sus travesías, que en otra forma hubiese sido imposible abastecer. Gail Borden posteriormente en Estados Unidos inició el desarrollo de la industria de la leche concentrada, cuando en 1856 aplicó el vacío para la concentración por evaporación. Conocedor de las ventajas que representa tanto el manejo como en conservación y valor biológico el hecho de reducir el volumen de la leche fresca a un

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tercio por evaporación al vacío, en donde el proceso se realiza a temperatura relativamente baja, sin casi destruir los componentes nutritivos principales. La visión de Borden, le permitió ver el futuro de la industria e inició los métodos de producción y comercialización de la leche concentrada, esterilizada y envasada en latas. Una serie de nuevos intentos por mejorar procesos, equipos y métodos fueron llevando la industria al grado de desarrollo que hoy en nuestros días ha alcanzado. La leche evaporada se produce evaporando leche bajo vacío, mediante este proceso se retira parte del agua, con el consecuente aumento en la concentración de los sólidos. Sin embargo, sólo en países que tienen excedentes en la producción de leche fresca, esta se utiliza como única materia prima y mediante un proceso de evaporación, envasado en latas y esterilización en autoclave se obtiene el producto conocido como leche evaporada. México, desafortunadamente es un país insuficiente en producción de leche fresca y tiene que importar leche en diferentes formas para medio cubrir sus necesidades, por esta razón la leche evaporada que se produce en México, en realidad no lo es, ya que se obtiene por concentración de leche fresca por adición de leche descremada en polvo de importación o rehidratando esta ultima. En ambos casos se adiciona aceite de mantequilla, se homogeniza, envasa y esteriliza en autoclave. El código Sanitario Mexicano*establece que la leche evaporada es el producto líquido obtenido mediante evaporación de leche fresca, cuya concentración debe alcanzar un punto, en que contenga no menos de 7.9 % de grasa butírica y no menos de 25.9 % de sólidos totales de leche, admite la adición de fosfato disódico o citrato de sodio o los dos, o cloruro de calcio hasta 0.1 % en peso del producto terminado. También establece la adición de vitamina D a no menos de 25 UI por cada 100 g, señala también que sea estéril. En términos generales, los principios utilizados en la concentración de leche, desde los días de Borden a la fecha son los mismos. Solo la necesidad de mejorar el producto en cuanto a valor biológico ha promovido la investigación de otros métodos, procesos y equipos,

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además del mejoramiento de existentes. Actualmente la industria utiliza varios tipos de equipos para la concentración tales como evaporadores a presión, pailas al vacío, evaporadores de efecto múltiple y los evaporadores de película descendente con múltiple efecto. Los evaporadores a presión atmosférica están constituidos por un tanque cilíndrico que tiene una chaqueta de vapor y dentro del cual gira una o varias aspas a gran velocidad. La leche se alimenta en el centro de estas aspas, que la esparcen sobre las paredes calientes del tanque, en forma de una película muy delgada provocando la rápida evaporación. El vapor se envía a la atmósfera, por un extractor y el concentrado va al fondo del donde puede ser retirado o recirculado. Como el equipo trabaja a presión atmosférica, la temperatura de ebullición es aproximadamente de 100 °C. El evaporador de película descendente consiste de de un dispositivo por medio del cual se logra una película muy delgada de leche, que baja por las paredes interiores de unos tubos verticales, los cuales se calientan con vapor que va por el exterior de dichos tubos. La leche se evapora a baja temperatura por la acción del vacío existente en el interior del equipo. Si se desea mayor concentración, se recircula el producto. El equipo consiste de un tanque, unos tubos verticales con su chaqueta y un condensador. El evaporador de efectos múltiples que se usa en la industria lechera, consiste de un cambiador de calor o calandria de tubos verticales largos, una cámara de vapor, un separador, una bomba de condensados, etc. Por cada efecto, además como complemento para todo el equipo de cualquier número de efectos; un condensador, un eyector de aire y una bomba extractora del condensado. Es muy común en la industria de la leche concentrada el evaporador de doble efecto, pudiendo usar el flujo de la leche alimentada en paralelo o en contracorriente con el vapor y el flujo intermitente o continuo según se desee. En los evaporadores de doble efecto, la leche entra al cambiador de calor de tubos verticales por el fondo y es calentada por vapor que va por fuera de los tubos, el producto sube por dentro y se va calentando a medida que sube, antes de llegar a la cámara ya va a

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la temperatura de ebullición; al llegar se completa la separación por una evaporación espontánea, el vapor acompañado por gotas de leche pasa al separador del primer efecto, donde la leche cae al fondo y el vapor pasa al cambiador del segundo efecto. La leche concentrada puede retirarse o recircularse. El vapor por encontrarse a una presión mayor que la del segundo efecto y a una temperatura mayor que la leche en la calandria se utiliza para hacerla hervir y repetir el ciclo anterior, solo que en esta ocasión, al salir el vapor del separador, pasa al condensador en donde por acción de una lluvia de agua fría y unos deflectores es condensado y extraído por una bomba, otra bomba ayuda a mantener el vacío y a la eliminación de otros gases no condensables. La leche evaporada varía en sus contenidos de grasa y sólidos no grasos, dependiendo de las características comerciales que se deseen ofrecer. En México tenemos dos tipos a saber: Entera con 7.8% de grasa y 25.9% de sólidos totales y semidescremada con 4% de grasa y 24% de sólidos totales, recomendándose añadir una cantidad igual de agua para diluirla. Los tratamientos de concentración, homogenización, esterilización y estabilización a que es sometida la leche fresca de vaca, la modifican grandemente variando muchas de sus características Físico-Químicas ya casi todos los procesos involucran la aplicación de calor. Entre los tratamientos térmicos más usuales se tienen los siguientes: Precalentamiento para iniciar algún proceso, calentamiento en evaporadores, pasteurización rápida, pasteurización lenta, pasteurización en autoclave, homogenización los cuales provocan modificaciones en la leche ya sean significativas o no, tales como la desnaturalización de las proteínas, cambios en sabor, olor y apariencia, cambios en la acidez y el PH, en la viscosidad y la rotación óptica, producción de compuestos volátiles, destrucción de compuestos termolábiles y útiles, como las vitaminas, promueven también cambios químicos como la caramelización de la lactosa, la condensación entre ésta y algunos y algunos aminoácidos, incremento en la acidez por la precipitación

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del Calcio y la formación de ácidos como el Fórmico. Estas modificaciones permiten valorar la inconveniencia de los efectos promovidos por los tratamientos térmicos. En México, la leche evaporada existente en el mercado ha sido sometida a diferentes procesos hasta llegar al producto terminado en latas de 410g y 170g netos de leche, con los inconvenientes antes expuestos. El promedio de este producto presenta el siguiente análisis:

Nombre en el Mercado: Leche Evaporada Vitaminada Presentación: 410 g y 170 g Sólidos Totales: 26.81 % Grasa: 7.92 % Sólidos no Grasos: 18.89 % Proteínas (N x 6.38 ): 7.05 % Lactosa: 9.64 % Densidad: 1.065

Existen dos formas principales de esterilizar, con respecto al envasado una, esterilizando y envasando en condiciones asépticas y la otra envasando y esterilizando en envase, teniendo en cuenta lo anterior en términos generales el recorrido de la leche para su procesamiento es como sigue: primeramente se recibe la leche fresca del productor, se clarifica y se enfría a 4°C aproximadamente se pasa a un tanque, donde se estandariza el contenido de grasa y sólidos no grasos, 3,3% y 8.1 % respectivamente. Se procede a su concentración a un tercio del volumen original, en cuyo producto final las proporciones de grasa y sólidos serán de 9.9 % y 24.3 %, que al diluir tres veces su volumen con agua se obtendrá 3.3 % y 8.1% de grasa y sólidos no grasos respectivamente, concentraciones semejantes a las que tiene la leche fresca. Del tanque de estandarización, se bombea a la sección de precalentamiento de un pasteurizador de placas, que tiene como función estabilizar el producto, para que pueda ser esterilizado y concentrado, además de inactivar algunas enzimas lácteas como la lipasa, la peroxidasa, la fosfatasa, la catalasa y la proteasa. Se puede efectuar en forma intermitente o continua. En el primer caso, la leche se sostiene en tanques especiales a una temperatura

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de 73 °C a 74 °C durante 30 minutos. En el segundo caso se pasa por un cambiador de calor de placas, ajustando flujo y temperatura de manera que la leche permanezca 15 segundos a 130 °C aprox., si se trata de un proceso rápido o de 2 a 5 min., de 110 °C a 121 °C si de un proceso lento. La leche así precalentada pasa al concentrador o evaporador, donde el volumen se reduce a un tercio y a unos sólidos totales de 35 % aproximadamente, de una bomba positiva hace pasar al líquido por un refrigerante, pudiendo ser este tubular o de placas donde la temperatura del producto desciende a 4.4 °C aproximadamente. Así la leche se puede conservar mejor mientras se estandariza en grandes tanques mientras espera a ser envasada, en este punto del proceso, se añaden los aditivos como el hexametafosfato de sodio, el carbonato de sodio y la vitamina D, además del agua necesaria para llevar los sólidos, a la concentración deseada. Después del normalizado se utiliza una bomba centrífuga para alimentar una bomba de alta presión, teniendo la primera un filtro de tela, que impide el paso de partículas sólidas, la segunda alimenta con flujo constante de concentrado al equipo de esterilización, que consiste de una sección de precalentamiento, donde el concentrado eleva su temperatura de 4.4 ° C a una más alta comprendida en el intervalo de 66°C a 71°C. Otra sección de pasterización a 146°C durante 2 segundos y una sección final de enfriamiento a 66°C. Es común que estos equipos sean tubos en espiral concéntricos y aislados. Donde por la parte anular pasa el vapor o el refrigerante, según el caso. El flujo debe estar regulado de manera que desde la entrada a la salida no invierta más de 10 segundos. Después de ser esterilizado el producto, se homogeniza a una presión de 422 kg/cm2. El diseño del homogenizador no permite contaminaciones microbianas. Como el trabajo mecánico realizado por el homogenizador, desarrolla calor, es necesario enfriar el concentrado homogenizado y estabilizado. Por medio de un refrigerante, que hace descender la temperatura A 12°C, de aquí pasa al envasado aséptico, en las latas de fabricación sanitaria. Este proceso de elaboración de leche concentrada es muy común en EE.UU. Pero no en México, aquí se hace su descripción por motivos de comparación.

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En México el proceso utilizado para producir leche evaporada, esterilizada y envasada en latas de lámina se describe a continuación. La leche fresca, se recibe en botes de 40 litros, o en pipas en ambos casos se toma una muestra que se divide en dos partes, en la primera se realizan los análisis previos y son los que deciden la aceptación o rechazo, con la segunda se realizan los análisis complementarios, que sirven para valorar la calidad de la leche en contenido de grasa y sólidos, aguado y calidad microbiológica, una vez aceptada se pesa en una tina pesadora en el caso de que se reciba en botes y en una bascula para camiones en el caso de que la recepción sea de pipas, de aquí se pasa a un clarificador para retirar las impurezas sólidas. A continuación es enfriada por un enfriador de placas, de aquí se pasa a los tanques de almacenamiento, que están aislados y agitados, en donde se conserva hasta iniciar la elaboración de leche evaporada, aquí la leche se normaliza y estabiliza por una adición de aditivos, para pasar a los precalentadores y al calentador y enseguida a los evaporadores donde se concentra a 25.9 % de sólidos totales, se filtra para remover los coágulos que llegan a producirse en los puntos anteriores del proceso. Por medio de una bomba centrífuga se alimenta a un homogenizador para homogenizarla e inmediatamente se enfría utilizando un enfriador de placas para pasar al tanque de almacenamiento de donde se abastece a la maquina llenadora y cerradora de latas, de aquí pasa a una maquina detectora de latas mal cerradas, que las elimina. Las latas que han sido cerradas correctamente pasan a una autoclave rotatoria donde son esterilizadas por calentamiento a 115°C por 20 minutos, inmediatamente son enfriadas a 20°C en 15 minutos, generalmente con agua fría. El la leche en latas así producida se almacena a 27°C durante 30 días con el propósito de provocar la proliferación de gérmenes que pudieran haber sobrevivido y al producir gases y coagulación se hacen fácilmente detectables. Lo que sigue es etiquetado, embalaje y comercialización.

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2 Estudio experimental.

2.1 Deshidratación por Ósmosis Inversa.

2.1.1 Membranas, sus fórmulas y condiciones de fabricación. Las fórmulas investigadas fueron cuatro y se identificaron con las primeras letras del alfabeto, según se detallan en el cuadro siguiente:

FORMULA % EN PESO A B C D ACETATO DE CELULOSA 25.00 25.00 37.00 24.50 ACETONA 50.00 50.00 50.00 50.00 FORMAMIDA 24.25 25.00 12.00 24.50 PERCLORATO DE MAGNESIO 0.75 1.00 0.70 AGUA DESTILADA 0.30

Las condiciones de fabricación que se consideraron por cada lote de membranas fueron:

• % Acetilación de la Celulosa. • Tiempo de aereado. • Temperatura de curado. • Tiempo de curado. • Espesor. • Temperatura del baño de gelación.

Tomando en cuenta estas condiciones para cada caso se formó la denominación o clave de cada membrana bajo los siguientes lineamientos.

1.-Las dos primeras cifras fueron el grado de acetilación del acetato de celulosa. 2.-La letra fue la fórmula usada. 3.-La primera cifra después de la letra, el tiempo de aereado en decenas de segundos. 4.-Las segundas y terceras cifras, la temperatura de curado en grados centígrados. 5.-La cuarta, el tiempo de curados en minutos. 6.-La quinta y sexta, el espesor en centésimas de milímetro. 7.-La séptima, la temperatura del baño de gelación.

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Ejemplo:

50A2905124 Condiciones:

Acetilación del acetato de celulosa: 50 %. Fórmula: A. Tiempo de aereado: 20 segundos. Temperatura de curado: 5 minutos. Espesor: 0.12 milímetros. Temperatura del baño de gelación: 4° C.

2.1.2 Descripción del equipo de prueba.

El equipo de prueba estuvo constituido de:

• Un tren de celdillas que contienen las membranas. • Una bomba positiva de diafragma con motor de ½ HP. • Un amortiguador de impulsos. • Un depósito de concentrado (leche o suero). • Un depósito de extracto. • Un armazón soporte de los aparatos. • Un gato hidráulico con manómetro de 350 kg/cm2 con

graduaciones de 0.35 kg/cm2 • Armazón soporte de las celdillas. • Válvula reguladora de flujo con manómetro de 42 kg/cm2 y

graduaciones de 0.7 kg/cm2.

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Tren de celdillas. Este dispositivo está constituido por cinco pequeños discos de acero inoxidable 304 de acabado sanitario, los cuales tienen en cada cara (excepto las dos celdas extremas), un hueco central que forma un círculo donde se aloja el medio poroso, que son fibras de acero inoxidable aglomeradas mediante un proceso especial de sinterizado que le da rigidez y resistencia al material manteniendo sus características de porosidad. El piso de la cavidad donde se aloja el medio poroso esta surcada por pequeñas venas en círculos concéntricos y estas a su vez contienen pequeñas perforaciones que comunican perpendicularmente con una mayor que es el ducto de salida del extracto o el paso del líquido a concentrar, según el caso y la función de las celdilla, tiene un hueco periférico donde se aloja un arosello de neopreno. El tren consta de dos celdillas en los extremos, una central y dos intermedias, cinco en total. Por las dos intermedias pasa el líquido a concentrar a presión impulsado por una bomba, la presión es controlada por una válvula de aguja y registrada por un manómetro de 42 kg/cm2 de capacidad, por las celdillas de los extremos y por la del centro sale el líquido extraído, la figura 5 describe en detalle el tren de celdillas. Entre las caras interiores de las celdillas va colocada una membrana flanqueada por dos papeles filtro formando así un emparedado múltiple, dando la cara del callo a la celdilla por donde pasa el líquido a concentrar. Bomba de diafragma. La bomba utilizada en el sistema fue una bomba de alta presión de diafragma accionada por un motor de ¼ hp y 7000 r.p.m. Especificaciones de la bomba:

Marca: Yarway. Fabricante: Yarway Corporation. Modelo: B Simplex. Potencia del motor: 1/4 hp. Diámetro del émbolo: 3.20 cm. Capacidad mínima,( a 7 kg/cm2): 15.7 l/h. Capacidad máxima (a 7 kg/cm2): 62.4 l/h.

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Presión máxima: 140 kg /cm2

No. de carreras mínimo: 58/minuto. No. de carreras máximo: 233/minuto.

En la descarga de la bomba se instaló un amortiguador para absorber las pulsaciones y uniformizar la presión que mantenga un flujo constante. El amortiguador fue el de tipo de gas o aire, que consiste de un cuerpo de acero dentro del cual va un globo de hule resistente, provisto de un pivote por donde se llena de gas o de aire. La base del cuerpo de acero conecta con la línea de flujo de de la leche, al entrar esta es amortiguada por el globo. El depósito del concentrado es una botella de vidrio con capacidad de cinco litros, en cuya boca se instaló una línea de alimentación de leche al sistema y un tubo para compensación atmosférica, controlada por una válvula de paso. El depósito del extracto consistió en una probeta de vidrio de 50 ml graduada en ml en la que descargaba el líquido extraído, proveniente de los tubos de salida de las celdillas, la probeta se taraba previamente, volviéndose a pesar después de llena obteniéndose así peso, volumen, densidad, tiempo y flujo del extracto. El sistema estuvo soportado por un armazón hecho de perfil tubular y provisto de un tablero de control, con sus accesorios eléctricos. Para mantener presionadas las membranas entre las celdillas se utilizó un gato hidráulico con manómetro. Las celdillas se soportaron por medio de un aparato consistente en una base circular de placa de acero de 15 mm de espesor en la cual se soldaron cuatro barras espaciadas en el perímetro y en el centro se atornilló un gato hidráulico. Se colocaron otras dos ruedas de acero corredizas sobre las cuatro barras, las que sirvieron para prensar el tren de celdillas por acción del gato sobre una de las ruedas y la reacción de la otra que estaba detenida por cuatro tuercas, una en cada barra.

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Válvula reguladora de flujo. Las celdillas intermedias por donde circula el líquido a concentrar a presión estaban conectadas por tubing de acero inoxidable a manera de múltiple que en la entrada estaba alimentada por un tubo flexible de hule de alta presión y por conexiones rápidas. En la salida se unían por una conexión “T” a una válvula de globo de acero inoxidable.

2.1.3 Descripción de las pruebas. Las pruebas consistieron en hacer pasar el líquido a través de las membranas soportadas por el tren de celdillas, en circuito que permitió la circulación del líquido a concentrar además de poder medir y analizar tanto el concentrado como el extracto o permeado, se variaron y anotaron todas las condiciones para obtener la representación gráfica del comportamiento de las membranas mediante los datos que conformaron la información. (Fig. 8)

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Fig.8.-Diagrama de flujo para las pruebas de membranas 1.-Presión externa en las membranas. 2.-Presión interior en las membranas. 3.-Espesor inicial de las membranas. 4.-Espesor final de las membranas. 5.-Duración de la prueba. 6.-Sólidos totales en el concentrado. 7.-Sólidos grasos en el concentrado. 8.-Proteínas en el concentrado. 9.-Lactosa en el concentrado. 10.-Volumen del concentrado. 11.-Temperatura del concentrado. 12.-Gasto del concentrado. 13.-Sólidos totales en el extracto. 14.-Sólidos grasos en el extracto. 15.-Proteínas en el extracto.

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16.-Lactosa en el extracto. 17.-Volumen del extracto. 18.-Temperatura del extracto. Notas: El líquido a concentrar se designó en todos los casos como concentrado. Para efectos de este trabajo, se designó como presión externa en las membranas a la presión que ejerció el gato hidráulico que las comprimió en el bastidor de las celdillas (fig. 6), y se designó como presión interna a la que ejerció el líquido dentro de las celdillas por acción de la bomba. Las temperaturas del extracto y concentrado se mantuvieron constantes mediante un baño de agua fría en el que se metió el depósito del concentrado. Las muestras del concentrado y el extracto fueron analizadas en cada prueba utilizando los métodos analíticos que a continuación se refieren: DETERMINACION METODO NORMA

Sólidos totales Evaporación AOAC 1975 Inc 16.032

Grasa Roese-Gottlieb Milko Tester

AOAC 1975 Inc 16.05FIL-IDF 20 1962

Proteínas Kieldal AOAC 1975 Inc16.036 2046

Lactosa Folin-Wu Modificado por Ibarra.

Clinical Chemistry II 1977 P. 82-83

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Descripción y fundamentos de los métodos. Sólidos totales Fundamento Cuantificación gravimétrica del residuo obtenido después de eliminar la humedad de la muestra a temperatura de ebullición del agua. Aplicación. Leche fluida, evaporada, suero de quesería. Técnica. Pesar con precisión de 2.5-3g de la muestra mezclada perfectamente a 20 °C, dentro de una cápsula de fondo plano de aluminio o platino , calentar sobre baño de vapor de 10 a 15 minutos de manera que el vapor caliente el fondo de la cápsula, continuar hasta la completa evaporación del líquido, seguir el calentamiento en una estufa a 98° -100 °C, enfriar en desecador, pesar rápidamente, repetir esto hasta peso constante, el peso del residuo dividido entre el peso de la muestra multiplicado por cien, dará el porciento de sólidos totales. Grasa. Fundamento. Disolución de las proteínas por acción de hidróxido de amonio, extracción de la grasa por disolución en solventes orgánicos. Aplicación. Leche fluida, evaporada, en polvo, suero, crema, queso. Técnica.

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Poner 10 g de la muestra mezclada perfectamente y a 20 °C al miligramo, dentro de un matraz de extracción, añadir 1.25 ml de hidróxido de amonio, mezclar bien, añadir 10 ml de alcohol, mezclar bien, añadir 25 ml de éter (libre de peróxido) tapar con un tapón hermético y de material inerte a los solventes , agitar vigorosamente un minuto, enfriar si fuera necesario; añadir 25 ml de éter de petróleo ( rango de ebullición de 30° -60° C) volver agitar vigorosamente, centrifugar el matraz a 600 r.p.m aproximadamente o dejar reposar hasta que el líquido sobrenadante esté completamente claro, decantar, la disolución de los éteres dentro de una cápsula metálica tarada y adecuada. Lavar los labios el tapón del matraz con una mezcla de partes iguales de los éteres y añadir estos lavados a la cápsula, repetir la extracción del líquido remanente dos veces, usando 15 ml cada vez, añadiendo agua si fuera necesario, evaporar los solventes en una parrilla o baño de vapor, a una temperatura que no cause proyecciones , secar a peso constante en una estufa a 100° C aproximadamente, o al vacío a 70 -75° C bajo un presión inferior a 50 mmhg, pesar la cápsula fría. El peso de la grasa dividido entre el peso de la muestra y multiplicado por cien dará el porcentaje de grasa, se puede corregir con una determinación en blanco si se desea mayor exactitud. Proteínas. Método Kieldal. Fundamento. Valoración del nitrógeno liberado por hidróxido de sodio, de la muestra que ha sido digerida con ácido sulfúrico y oxido mercúrico como catalizador y aplicando el factor N x 6.38. Aplicación. Leche, lácteos, cereales, cárnicos. Técnica. Reactivos.

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Sulfato de potasio R.A. Oxido rojo de mercurio R.A. Ácido sulfúrico,( D= 1.84 a 20°C) Sosa cáustica (500 g NaOH más 12 g de Na2SO4.9H2O en un litro de solución). Solución de ácido bórico 40 g en un litro de agua. Ácido clorhídrico N/|10. Indicador (2 g de rojo de metilo ± 1 g de azul de metileno en un litro de alcohol metílico de 95%) Llevar la muestra a 20 ± 2° C y mezclar cuidadosamente, si no se logra dispersión homogénea de la grasa, calentar lentamente la muestra a 40°C mezclar y dejar enfriar lentamente la muestra hasta 20° C ± 2 °C . En un matraz Kieldal se colocan sucesivamente perlas de vidrio ,10 g de sulfato de potasio, 0.05 g de oxido rojo de mercurio y 5 g de muestra pesados con aproximación de miligramo, 20 ml de ácido sulfúrico y mezclar, calentar hasta que el líquido quede claro e incoloro, calentar por media hora más, dejar enfriar. Colocar en un matraz Erlenmeyer en el que ha de recogerse el destilado 50 ml de solución de ácido bórico y cuatro gotas de indicador de rojo de metilo y azul de metileno en alcohol metilico, colocarlo de manera que el extremo del tubo de destilado quede sumergido en el líquido , disolver en 50 ml de agua destilada el residuo del kieldal y 80 ml de hidróxido de sodio, sulfato de sodio ,dejar caer suavemente esta solución por la pared del matraz kieldal con el fin de que los líquidos no se mezclen. Montarlo en el aparato para destilar y calentar cuidando de no formar espuma y que la ebullición no sea muy vigorosa y dure cuando menos 20 minutos. Escurrir y lavar el extremo del destilador con agua destilada, recibiendo los lavados en el Erlenmayer, finalmente titular con ácido clorhídrico N/10, correr un blanco. Cálculos:

1.40 x N (v-v’) Nitrógeno total =

p N=Normalidad del ácido.

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V= Volumen gastado en la prueba. V’= Volumen gastado en el blanco. P=Peso de la muestra. Proteína cruda = N x 6.38 Proteínas. Método cualitativo Labstix. Fundamento. Cinta impregnadas de un reactivo que en presencia de proteínas da una reacción colorida que cambia el color de la cinta. Aplicación. Determinación inmediata de presencia o ausencia de proteínas en el líquido extraído. Lactosa. Método. Folin-Wu Modificado por Ibarra. Fundamento. La acción reductora de la lactosa, reduce el cobre hasta oxido cuproso, el que se disuelve con ácido fosfomolíbdico dando un compuesto colorido que obedece la ley de Beer, y se mide espectrofotométricamente. Aplicación.

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El método es tradicional para la determinación de glucosa en sangre, pero debido a la rapidez requerida y a la cantidad relativamente pequeña de muestra necesaria, su aplicación permitió contar con un instrumento rápido de control para lo cual fue modificado por Ibarra, consistiendo dicha modificación en la hidrólisis de la lactosa y el cuanteo de glucosa, esto permitió variar las condiciones de la prueba de inmediato en función de la rapidez con que se obtenían los resultados analíticos. Técnica. Reactivos. a) Solución alcalina de sulfato de cobre (solución alcalina de tartrato

de cobre). Disolver 40 g de carbonato de sodio anhídro R.A. en 400 ml de agua destilada en un matraz volumétrico de 1000 ml, al que se le añaden 7.5 g de ácido tartarico R.A mas 4.5 g de sulfato de cobre R.A. se lleva esta solución a volumen con agua destilada, en caso de algún precipitado que aparezca con el tiempo filtrar. b) Solución de ácido benzoico al 0.25 %. Disolver 2.5 g de ácido benzoico R.A. en 1000 ml de agua destilada por ebullición, enfriar y reponer las pérdidas por evaporación. c) Solución patrón de lactosa (1 mg/ml). Disolver 1.000 g de lactosa anhídra R.A. en 100 ml de la solución de ácido benzoico en un matraz volumétrico de 1000 ml y llevar a volumen con la misma solución de ácido benzoico. d) Solución de ácido fosfomolíbdico. En un vaso de 1000 ml poner 35g de ácido molíbdico R.A., 5g de tungstato de sodio R.A. 2000 ml de solución de hidróxido de sodio al 10 % y 200 ml de agua destilada, hervir vigorosamente 20-40 minutos para retirar el amoniaco del ácido molíbdico, enfriar y

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transferir a un matraz volumétrico de 500 ml, lavar el vaso varias veces con un poco de agua destilada, reunir los lavados en el matraz hasta que se tengan 300 ml, añadir 125 ml de ácido fosfórico concentrado (85 %) y llevar a volumen con agua destilada, mezclar bien. Aparatos. Espectrofotómetro Zeiss. Modelo PM 2 DL. Técnica Analítica. En tres tubos de ensayo de 15x20 mm identificados como el problema, el testigo y el blanco. Se añaden 0.5 ml de problema, 0.5 ml de solución patrón y 0.5 ml de agua respectivamente más 0.5 ml a cada tubo de solución (a), calentar en baño Maria por 5 minutos, enfriar, añadir a cada uno 5ml de agua destilada y leer en el espectrofotómetro a 500 nm.

2.2 Resultados experimentales. En las pruebas se utilizaron una amplia variedad de membranas, en las cuales se modificaron las condiciones de fabricación como se mencionó antes, obteniéndose distintas claves, la colección de datos que se obtuvieron fueron desde la membrana que no permitió paso de nada a las presiones de las pruebas hasta la membrana que permitió el paso de uno o varios de los componentes de los distintos líquidos con los que se probó, pasando por aquellas membranas que tuvieron altas densidades de flujo de agua. Lo anterior permitió seleccionar las claves que daban mejores resultados con lo que el número de membranas se redujo a dos en las que se amplió la experimentación, estas al ser probadas con suero dulce de quesería se obtuvieron densidades de flujo de hasta 5.30 l/h m2 y concentraciones de leche descremada de hasta de 19.59 % de sólidos totales pero lo más interesante es que una de ellas permitió el paso de lactosa pero no el de proteínas, con lo que

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además de permitir concentrar mas los sólidos totales, permitió concentrar las proteínas del suero y de la leche. Los datos obtenidos durante las pruebas de las membranas al ser graficados nos ilustran su comportamiento. Las pruebas realizadas utilizando diferentes formas de fabricación de las membranas y variando las condiciones de experimentación permitieron la obtención de los datos que nos muestran la influencia que tienen dichas variables. El buen comportamiento de una membrana se establece en función de la habilidad que tenga esta en permitir el paso de agua a menor flujo y presión del líquido a concentrar, sin embargo existe una pequeña variación de este concepto expresado como la habilidad de la membrana en el permitir el paso de uno o varios de los componentes del líquido a concentrar en forma selectiva, a menor flujo y presión. Las fórmulas y las condiciones de fabricación de las membranas tienen también su efecto en la habilidad. En la primera parte de la experimentación consistió, en seleccionar por pruebas cortas las membranas que mostraran alguna habilidad por pequeña que fuera. De ésta selección se obtuvieron membranas que mediante experimentación más detenida mostraron mejor su habilidad, esta primera parte permitió definir la influencia que ejercen el grado de acetilación en la celulosa, el contenido de formamida, el contenido de perclorato de magnesio, el agua destilada, el tiempo de aereado, la temperatura de curado, el tiempo de curado, la temperatura del baño de gelación y el espesor de la membrana sobre la habilidad de esta para permitir el paso del agua y no de los sólidos. Al trabajarse con tres diferentes grados de acetilación 45%, 50% y 60%, las membranas con mayor habilidad se localizaron en las de 45% y 50% y no así en las de 60% que aunque no son inhábiles del todo, empiezan a trabajar a presiones relativamente altas con densidades de flujo bajas, permitiendo el paso de otros componentes como proteínas y lactosa además de agua. Las membranas fabricadas con acetato de celulosa con 45% de

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acetilación son absolutamente impermeables herméticas al paso de los demás componentes de la leche en cambio las membranas de 50% de acetilación mostraron un carácter selectivo al permitir el paso de lactosa pero no el de proteínas. El tiempo de aeración mostró tener un efecto muy marcado sobre la selectividad. A mayor tiempo la membrana solo permitió el paso del agua y a menor permitió el paso de lactosa. La fórmula que mejor desempeño tuvo fue la “A”, esto quiere decir que las concentraciones de formamida y perclorato las adecuadas son las de la fórmula A. La temperatura y el tiempo de curado están muy relacionados en cuanto al efecto que tienen sobre la densidad de flujo y la selectividad. A temperaturas altas (95°C) la densidad de flujo es mayor y se tornó impermeable a los demás componentes excepto al agua. A temperaturas bajas (82°) exhibió menor densidad de flujo y selectividad. A tiempos más prolongados la membrana se tornó rígida y perdió su opalescencia cuando fueron demasiado prolongados y no permitió el paso del agua ni de constituyente alguno. La membrana se mostró impermeable al paso de los componentes de la leche cuando la temperatura del baño de gelación fue más baja, en cambio cuando fue un poco mayor mostró selectividad. Durante el proceso experimental se vario el flujo del concentrado, tanto en leche entera como descremada y en suero, manteniéndose constantes la temperatura y la presión, observándose que en flujos de 50 l/h, la densidad de flujo del extracto es mayor que en flujos de 15 l/h y va disminuyendo como van aumentando los sólidos, comparando los resultados de los tres líquidos se obtuvo mayor densidad de flujo en suero descremado, leche descremada y leche entera respectivamente lo que establece que el contenido de grasas y proteínas esta en función inversa de la densidad de flujo. Cuando la velocidad del concentrado fue baja, se formó sobre la membrana una película de grasa y proteínas o de sólidos simplemente, este efecto no es deseable y se conoce como

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polarización. Cuando se incrementó la velocidad del concentrado siempre correspondió un incremento en la densidad de flujo, probablemente se debió a que la turbulencia evitó la formación de la película antes mencionada. Cuando la velocidad se mantuvo constante así como la temperatura y solo se varió la presión, se notó que a mayor presión mayor densidad de flujo que tiende a disminuir a medida que aumenta la concentración de sólidos. Cuando la presión, la temperatura, y la velocidad se mantienen constantes, la densidad de flujo varía inversamente proporcional a la concentración de sólidos.

2.3 Propiedades de la leche concentrada por Osmosis Inversa y su comparación con la leche concentrada por los métodos tradicionales.

Leche concentrada por Osmosis Inversa. Al no existir calentamiento en este proceso, las características físicas, químicas y nutricionales de la leche por este método, no sufren alteración. Leche concentrada por Evaporación. Los métodos tradicionales de concentración de leche implican tratamientos térmicos casi siempre enérgicos, pudiendo ser además prolongados con lo que todos los compuestos termolábiles se degradan, con el consecuente abatimiento de su nivel nutricional, además de presentar cambios significativos en su apariencia, tal es el caso de la caramelización de la lactosa y la reacción de los aminoácidos de la caseína con este azúcar, con oscurecimiento de la leche. Por acción del calor se destruyen las vitaminas B12, B6, Y B1 principalmente. Algunas veces se notara un sabor a cosido que proviene de la producción de azufre que debido a la degradación de los aminoácidos sulfurados. Los compuestos nitrogenados son en sí Los más afectados, pudiendo generarse desde mal sabor hasta la precipitación. La comparación entre las leches concentradas por ambos métodos favorece a la leche concentrada por ósmosis inversa.

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Cuadro comparativo de leches concentradas Carácter Organoléptico Osmosis Inversa Evaporación

Olor Agradable Característico Sabor Característico A cocido

Apariencia Blanco Crema Blanco amarillento.

3 Interpretación matemática de los resultados experimentales

3.1 Variables del proceso y su graficación. Durante las pruebas las presiones interna y externa, el gasto del concentrado, fueron variados para obtener información, los datos obtenidos fueron, fórmula, presión en las membranas, duración de la prueba, concentración de los diferentes componentes del concentrado, densidad del concentrado, temperatura del concentrado, gasto del concentrado, densidad del extracto, concentración de los diferentes componentes del extracto, gasto del extracto, densidad de flujo del extracto.

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3.1.1 Graficación de las distintas variables

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3.2 Modelo matemático y su ajuste con los resultados experimentales.

Con la colección de datos obtenidos en la experimentación se estableció una fórmula empírica que expresa la relación existente entre las variables, para encontrar ésta entre la densidad de flujo (DF) y la presión interna (PI), se mantuvieron constantes la temperatura (T), el gasto (G), la presión externa (PE), se varió la presión interna y se midió la densidad de flujo para cada variación, entonces aplicando el método matemático seleccionado se obtuvo una ecuación que representa la relación existente entre estas dos variables para los valores observados, y con ciertas restricciones puede usarse para predecir la densidad de flujo que resulta cuando se aplica una presión interna cualquiera. Es posible obtener varias ecuaciones de diferentes tipos que expresen el comportamiento de las membranas con cierta exactitud, siendo muy importante encontrar la ecuación más acertada en

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predecir los resultados que se obtendrán cuando se opere con determinadas variables. Si se toman las variables sólidos totales (ST) y densidad de flujo (DF) la ecuación que representa la relación entre estas variables de acuerdo con el conjunto de valores obtenidos con la membrana clave 45A 6955302 procesando leche descremada a 25 ° C. Será de la forma :

DF=aλ(ST)λ Ec 3.1.1

Donde: a Es un coeficiente. DF Es la densidad de flujo. ST Son los sólidos totales. λ Es un exponente y el índice del coeficiente. Tabla 3.1.0 Datos obtenidos con la membrana 45A6955302

ST 8.57 8.78 9.00 9.23 9.48 9.74 10.02 10.31 10.62DF 4.85 4.04 3.94 3.62 3.26 3.20 3.14 3.08 2.99 λ=∞ DF (ST)= Σ aλ(ST)λ

λ=0 Ec 3.1.2 De 0 a ∞ DF (ST) =a0ST0+a1ST1+ a2ST2+ a3ST3+… a∞ ST∞

DF (ST) =a0ST0+a1ST1+ a2ST2+ a3ST3+a4 ST4+a5 ST5+a6 ST6+ a7 ST7+a8 ST8

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3.2.1 Método para determinar las constantes. Las constantes a determinar fueron: ao, a1,a2, a3 ,…etc. Para este propósito, se tomaron varias lecturas de sólidos totales y su correspondiente lectura de densidad de flujo. Al sustituirlos en la ecuación 3.1.1 se obtuvo un conjunto de ecuaciones que tienen como incógnitas las constantes “a”. Al resolver simultáneamente el sistema y sustituir los valores de las constantes en la ecuación original se obtuvo una ecuación que se ajusta al comportamiento de la membrana. Para obtener los mejores valores de las constantes, son usuales tres métodos principalmente , a saber el método gráfico, el método de los promedios y el método de los mínimos cuadrados el que proporciona la curva más representativa, y cual se aplicó en este trabajo. Los residuales Asumiendo que en toda observación o medición existen errores involuntarios, siendo estos definidos como la diferencia entre el valor verdadero y el valor medido. Ya que el valor real no lo podemos medir, lo que podemos hacer es realizar un número de mediciones tan grande como queramos y encontrar con estos valores el valor más probable, siendo éste el que queremos considerar como el verdadero, la diferencia entre este valor y el valor de cualquier medición lo llamamos residual1 Esto es:

Residual = Valor más probable – Valor medido. Dicho de otra manera si graficamos la curva representada por una ecuación, las distancias verticales de cada punto de esta curva con los correspondientes puntos de la curva más probable serán los residuales. Los cuales pueden ser positivos o negativos con respecto a los puntos de la curva, entre mas pequeñas sean estas distancias la curva representada se acercara más a la curva más probable. 1 James B Scarborough, Numerical Mathematical Analysis. Oxford University Press 1930 p309.

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Método de los mínimos cuadrados. Este método establece que la curva más representativa es aquella para la cual la suma de los cuadrados de los residuales es un mínimo, lo que asegura que los valores de los residuales sean tan pequeños y que los puntos de la curva obtenida estén muy cerca de los puntos de la curva más representativa. Sea la Ec 3.1.1 desarrollada. DF(ST) =a0ST0 + a1 ST1 +a2ST2+ a3ST3 + a4ST4 + a5ST5 + a6ST6+ a7ST7 +a8ST8. En la que se sustituyeron los valores encontrados para DF y ST de la tabla 3.1.0 para obtener las ecuaciones residuales de las cuales obtendremos la primera ecuación normal multiplicando el segundo miembro de cada ecuación por el coeficiente del primer término y sumando todas las ecuaciones obtenidas e igualando esta suma a cero. Para obtener la segunda ecuación normal se multiplica el segundo miembro de cada ecuación por el coeficiente del segundo término, sumando todas las ecuaciones obtenidas e igualando a cero esta suma, y así para obtener todas las ecuaciones restantes se multiplica cada uno de los segundos miembros de las ecuaciones residuales por el coeficiente del siguiente término, se suman e igualan a cero, conjuntando estas ecuaciones en un sistema de ecuaciones simultáneas y resolviendo por algún método, se obtienen los valores de los coeficientes. Este sistema de nueve ecuaciones, con nueve incógnitas se resolvió por el método de matrices que dio una matriz de 9x9. Usando el programa de matrices de una computadora TI-74 dando los siguientes valores para los coeficientes: a0 = -0.0059217453 a1 = -0.0018124026 a2 = -0.0003811243 a3 = -0.0000664504 a4 = -1.045172x10-0.5

a5 = -1.5366801x10-0.6

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a6 = -2.155801x10-0.7

a7 = 4.459291x10-0.6

a8 =- 4.016266x10-0.7

Que al ser sustituidos en la ecuación 3.1.1 desarrollada. DF(ST) = -0.0059217453-0.0018124026ST-0.0003811243ST2-0.0000664504ST3-1.045172x10-0.5ST4-1.536626x10-0.6ST5-2.155801x10-0.7ST6+4.459291x10-0.6ST7-4.016266x0-0.7ST8. Ecuación con la cual se puede predecir el comportamiento de una membrana en cuanto a densidad de flujo para los sólidos totales a los que se pretenda concentrar.

4 Aplicaciones.

4.1 Instalación de una concentradora piloto por ósmosis inversa

4.1.1 Localización de la planta. Para la localización y aplicación de las características del principio se consideró el estado de Chiapas por ser un estado que cuenta con una población bovina considerable , pero donde lo difícil del transporte encarecen y limitan la explotación de este recurso, las principales materias primas obtenidas son carne y leche, en esta última que es la que nos ocupa, su industrialización se orienta principalmente hacia queso, pero sin el aprovechamiento del suero obtenido del proceso de fabricación, debido a que la demanda de leche se satisface, como leche bronca y leche pasteurizada, no se produce mas porque se alimenta a los becerros en su crianza y los excedentes se destinan a la producción de queso como antes se dijo. La producción lechera del estado esta comprendida en tres zonas o cuencas.

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1ª. Zona costera. 2ª. Zona central. 3ª. Zona norte. Las que cuentan con 412 684 vientres2 que producen 175 729 000 de litros anualmente correspondiendo a cada tipo de explotación. Estabulado 9 918 000 litros; 5.64 % Semiestabulado 77 656 000 litros; 44.19 % Libre pastoreo 88 155 000 litros; 50.17% Por influencia del clima entre otros factores, la producción lechera en el estado, se ve notablemente incrementada en la temporada de lluvias debido a que los pastizales mejoran tanto en potencial nutritivo como en abundancia y porque mas de la mitad del ganado se explota bajo el sistema de libre pastoreo o extensivo esto es: Como ganado estabulado 0.82 % Como ganado semiestabulado 28.73 % Como ganado en libre pastoreo 70.45 %. La principal cuenca es la costa, ya que participa con 60 % a 70 % de la producción total ( 337 000 litros por día aproximadamente) y de esta el 50 % se destina a la elaboración de queso. Aunque existen en el estado dos empresas importantes que captan el 40 % aproximadamente de la producción total, el 10 % se consume como leche bronca y el resto se industrializa como queso es decir el 50 % de la producción total o sean de 240 000 litros a 300 000 litros por día en época de lluvias. De lo anterior tenemos que la mayoría de la leche es destinada a la industrialización, lo que indica que una vez satisfecha la demanda local, el excedente debe industrializarse ante la imposibilidad 2 Fuente INL. SARH datos de 1978.

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económica de enviarlo hasta otros centros de consumo como: Villahermosa, Tuxtla, Tapachula, etc. Además esta situación frena la producción ya que al no haber mercado, el ganadero prefiere no ordeñar y alimentar a los becerros con leche que ellos mismos toman directamente de la madre. Se han instalado plantas receptoras para captar excedentes, que en época de lluvias se ven incrementadas. Aunque el estado cuenta con buenas carreteras y vías férreas, el problema del transporte y acopio es fundamental debido a la diseminación de los pequeños productores que están donde es muy difícil el acceso. En base de lo anterior y considerando como centro geográfico que cuenta con los servicios básicos y la posibilidad de reunir un buen volumen de leche se designó Pijijiapan como el lugar donde debe instalarse la planta y esta localizado en la zona costera que es la principal zona productora aproximadamente el 70 % del total producido en la entidad, teniendo como municipios, todos los productores de leche. Municipios de Chiapas. • Pijijiapan. • Mapastepec. • Tonalá. • Arriaga. • Tapachula. • Huixtla. • Huehuetan. • Mazatan. • Escuintla. • Acacoyahua. • Acapetahua. • Pueblo Nuevo Comaltitlán. • Hidalgo. • Ciudad Hidalgo.

4.1.2 Capacidad de la planta.

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El objetivo de la planta piloto no es resolver el problema de transporte de toda la leche producida en lugares inaccesibles a los centros de consumo, sino demostrar la viabilidad de abatir el costo , reduciendo el volumen y en el caso del suero de quesería hacerlo de utilidad, por estas razones la capacidad que cumple con el objetivo se estimo en 1000 l/día de leche entera, leche descremada o suero de quesería, el diseño modular de la planta admite incrementos de capacidad, con solo aumentar mas módulos sólo que se tendrían que modificar los servicios básicos como frío, vapor, energía eléctrica y agua en caso de que en el futuro así se requiera. La concentración final para leche sería de 15 % de sólidos totales, lo mismo que para leche descremada y de 20 % para suero, ambos productos pueden concentrarse en proteínas para fórmulas lácteas destinadas para alimentación infantil, esta operación en el suero sería doblemente favorable ya que combinada con la concentración de seroproteínas y lactosa se obtiene un producto de alto valor biológico que es la proporción de proteínas que son retenidas por el cuerpo para formar células muy útiles en el crecimiento. Pero sobre todo evita la contaminación de lagos y ríos por utilización del suero que de otra manera se arrojaría a estos. La industrialización de la leche la realizan en el estado la compañía Nestlé, la Industrializadora de Leche de Chiapas y muchas pequeñas queserías. La suma de la capacidad instalada de las dos primeras compañías no pasan de 300 000 litros por día, 267 000 l/día y 30 000 l/día respectivamente, procesando no más de 200 000 l/día, ya que CONASUPO provee a la compañía Nestlé leche en polvo, que naturalmente por ser más barata cada día ocupa mayor porcentaje de la materia prima de esa compañía. La producción de leche fresca se estima en 500 000 l/día en promedio anual, llegando hasta 600 000 l/día en la temporada de lluvias, con lo que ni sumando la capacidad instalada, se podría procesar esa cantidad. Suponiendo que la leche en polvo suministrada por CONASUPO fuera cero, quedan 300 000 l/día para la producción de queso por parte de los pequeños productores, cifra demasiado alta para los

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métodos y equipos con los que se cuenta, sin embargo, considerando que se pudieran procesar esos 300 000 l, se obtendrían aproximadamente 30 000 kg de queso y 270 000 kg de suero. En realidad lo que sucede es que el total de leche fluida consumida son 57 000 l/día, y que Nestlé utiliza 120 000 l de leche bronca o sean 177 000 l totales para 500 000 l que pueden producirse, lo que se destina a queso o lo que no se ordeña, o se pierde asciende a 323 000 l/día.

4.1.3 Diagrama de bloques. • Recepción. • Clarificación. • Descremado. • Pasteurización. • Concentración de Sólidos Totales. • Concentración de Proteínas. • Concentración de Sólidos Totales y Proteínas. • Enfriamiento. • Almacenamiento. • Transporte.

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Fig.9.- Diagrama de bloques de concentración de leche.

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4.1.4 Unidades del equipo.

A.- RECEPCIÓN

Fig. 10.- Diagrama de flujo planta piloto.

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A Recepción. B Pasteurización. C Concentración modular por membranas de ósmosis inversa. A Equipo de recepción de leche fresca. 1.-Tina de recepción con medidor de flujo. 2.-Bomba sanitaria de ½ HP y 10 000 l/h . 3.-Centrifuga doble función Clarificadora-Descremadora de 5 HP y 7 000 l/h. 4.-Tanque de almacenamiento y balance. 5.-Bomba sanitaria de alimentación a la unidad de pasteurización, de ½ hp y 10 000 l/h. B Equipo de pasteurización y accesorios. 1.-Intercambiador de calor a placas de cuatro secciones de intercambio y con el siguiente diagrama de temperaturas. Sección de regeneración. Intercambio entre leche pasteurizada saliendo del tubo de sostenimiento a 72 °C y leche cruda entrando al proceso a 32° C. Temperatura de la leche pasteurizada a la salida : 45 °C. Temperatura de la leche cruda a la salida : 59 °C. Gasto de leche pasteurizada y leche cruda : 1029 Kg/h. Flujo : A contracorriente. Sección de calentamiento. Intercambio entre leche cruda a 59 °C y agua caliente a 90 °C .

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Temperatura de leche cruda a la salida : 74 °C. Temperatura del agua caliente a la salida : 75 °C. Gasto de leche cruda : 1029 kg/h. Gasto de agua caliente : 1882 kg/h. Flujo : A contra corriente. Sección de pre-enfriamiento. Intercambio entre leche pasteurizada pre-enfriada proveniente de la sección de regeneración a 45 °C y agua de torre a 18 °C . Temperatura de la leche pasteurizada pre-enfriada a la salida 22 ° C Temperatura del agua de torre a la salida : 30 °C Gasto de leche pasteurizada pre-enfriada : 1029 kg/h. Gasto de agua de torre : 1882 kg/h. Flujo : A contra corriente. Esta sección alimenta de leche pasteurizada a 22 °C al proceso de ósmosis inversa donde es removida agua y/o lactosa retornando a 24 °C para ser enfriada a temperatura de conservación Sección de enfriamiento. Intercambio de la leche concentrada proveniente del proceso de ósmosis inversa a 24 °C y agua helada del banco de hielo a 2 °C Temperatura de leche concentrada a la salida : 3°C Temperatura de agua helada a la salida : 6°C

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Gasto de leche concentrada : 550.26 kg /h Gasto de agua helada : 2887.21 kg/h Flujo : A contracorriente.

Fig. 11.-Unidad de pasterización.

Accesorios. Bomba de agua caliente. Bomba sanitaria. Tanque de balanceo con válvula de flotador. Válvula de diversión. Termógrafo e instrumentos de medición y control. Torre de enfriamiento con bomba, ventilador de tiro forzado, accesorio de control, etc.

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Generador de vapor con suavizador para agua, bombas, tanque de combustible, con capacidad de 100 CV. etc. Compresor de aire para 2.5 m3/h a 7 k/cm2, con regulador de presión, deshidratador y lubricador. Generador de frió incluye, banco de hielo, compresores, condensador evaporativo, tanque acumulador de amoniaco, etc. Tanque recibidor de amoniaco, bombas de agua helada, otros accesorios. C Equipo concentrador modular por membranas de ósmosis inversa.

Fig.- 12 Módulo concentrador.

Equipado con membranas para separar y/o lactosa a un gasto de materia prima de 1029 kg/h.

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Accesorios. Bomba positiva de diseño sanitario de 1500 l/h y presión máxima de 40 kg/cm2. Banco de prefiltros, tanque silo, equipo de control, manómetros, válvulas, tubería, termómetros, lavado automático, dosificadores y tanque para recircular sanitizantes y detergentes. Capacidad del concentrador modular. El equipo se calculó para una capacidad de 1000 l/h de materia prima, la leche entera con 11.5 % de sólidos totales y 3.2 % de sólidos grasos para concentrar a 15 % de sólidos totales previo descremado. Bases. Membrana clave : 45A6955302. Función de las membranas : Eliminación de agua. Presión externa : 100 kg/cm2 Presión interna : 15 kg/cm2. Temperatura : 23 °C. Densidad promedio : 1.046. Gasto del extracto (según datos obtenidos con la membrana clave 45A6955302) (Ge) : 0.0558 l/h. Gasto del concentrado (Gc) : 0.08269 l/h Densidad de flujo promedio del extracto Dfe : 3.157 l/hm2

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Cálculos estequiométricos Características leche entera. Sólidos totales 11.50 % Sólidos grasos 3.20 % Lactosa 4.00 % Proteínas 3.55 % Agua 88.50 % Peso 1029 kg. Volumen 1000 l Densidad 1.029 kg/l Temperatura 3 32 °C Se opera la descremadora a un régimen de 50 % de grasa en la crema con lo que se obtiene:

1029 x 0.032 Kg de crema en 1000 l de leche =

0.5 =65.85

Con la siguiente composición: Crema 50 % de grasa.

50 % de leche descremada compuesta de:

3 Se despreciaron los cambios de volumen por diferencia de temperatura

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8.57 % Sólidos no grasos

4.13 % Lactosa

3.66 % Proteínas

91.43 % Agua

Cantidad de crema que se retira de la leche entera original:

Crema 65.85 kg, de los cuales 32.92 kg son leche descremada.

Leche descremada remanente después del descremado de leche

entera:

1029 kg-65.85 kg=963.15 kg.

Características de la leche descremada

Sólidos totales (S.T.)4 8.57 %

Grasas 0.0 %

Lactosa 4.13 %

Proteínas 3.66 %

Agua 91.43 %

Peso 963.15 kg

Densidad 1.036

Temperatura 32 °C

4 Sólidos totales (ST)=sólidos no grasos (SNG) +sólidos grasos(SG)

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Características de leche descremada concentrada (LDC) obtenida

por el proceso de ósmosis inversa a partir de leche descremada (LD)

Sólidos totales 15 %

Grasas 0.0%

Lactosa 7.22 %

Proteínas 6.40 %

Agua 85.00 %

Peso 550.26 %

Volumen 519.0 litros

Densidad 1.0602

Temperatura 24 °C

Agua extraída:

963.14kg – 550.27 kg =412.87 kg = 412.87 litros

Características de diseño de las membranas del módulo.

Área del conjunto de membranas para tener una extracción de

412.87 kg de extracto (D= 1.000) en una hora.

De los datos experimentales en las pruebas con la membrana

45A6955302 usando leche descremada en flujo de 50 l/h se tienen:

Volumen inicial de leche descremada : 2000 ml

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Volumen del concentrado : 1195 ml.

Volumen del extracto : 805 ml.

Duración de la prueba : 14.41 h.

Área de las membranas : 0.01767 m2.

Gasto del extracto (Ge):

Ge =Volumen del extracto/Duración de la prueba = 805 ml/ 14.41 h

=0.0558 l/h.

Densidad de flujo del extracto (Dfe) :

Dfe= Gasto del extracto / Área efectiva de las membranas

= Ge/A efect = 0.0558 l/0.01767 hm2

=3.157 l/hm2

Área efectiva necesaria de las membranas del modulo para

extraer 412.89 kg por hora (Aem).

Aem del flujo del extracto

= Gasto del extracto /Densidad de flujo del extracto

=Volumen del extracto /Densidad

=412.89 l/h/3.157 l/hm2

=130.78 m2

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Número de membranas (Núm. Mem).

Núm, Mem.= A total/A unitaria

Au=Πr2

r=0.40 m

Núm. De Mem=130 .78 m2/3.14x0.16 m2

=260.1

Considerando una eficiencia de 90%

Núm. de Mem= 260.1/0.9

= 290

Modulo concentrador.

Características de diseño.

Proceso : Concentración de

Sólidos totales

Clave de las membranas : 45A6955302

Área unitaria efectiva : 0.5026 m2

Diámetro efectivo de filtración : 800 mm

Diámetro total :850 mm

Número de membranas : 290

Celdas

Material : Acero inoxidable tipo 304

Acabados : Interior bruñido a espejo

Exterior pulido sanitario

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No 4

Diámetro : 850 mm

Espesor : 10 mm

Número : 191

Diámetro interior del alojamiento

del arosello : 818 mm

Diámetro exterior del alojamiento

del arosello : 825 mm

Profundidad del alojamiento

del arosello : 25 mm

Acabado interior : Bruñido a espejo

Acabado exterior : pulido sanitario No 4

Arosello.

Sección : 70 mm Ø

Diámetro interior : 818 mm Material : Cloropreno designación ASTM 5BC715, A14,B14,E14,E34. Dureza Shore : 70 Bastidor. Largo total : 380 cm. Material : 183 cm. Acabado : Pulido sanitario No 4

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Espejos y contra espejos. Diámetro : 940 mm. Espesor : 50 mm. Material : Acero inoxidable 304. Acabado : Pulido sanitario No 4. Tubería, conexiones y válvulas . Diámetro : 25 mm, 37,5 mm, y 59 mm. Material : Acero inoxidable 304, Norma ASTM-A- 270. Acabado interior : Bruñido espejo. Acabado exterior : Pulido sanitario No 4. Roscas : Tipo americanas Bomba de alta presión. Marca : Gaulin Modelo : MP3 Potencia máxima : 15 hp R.P.M. Máximas : 300 Gasto máximo : 2120 l/h Presión máxima : 563 kg/cm. Carrera de los pistones : 57 mm No de pistones. : 3

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4.1.5 Consideraciones económicas. El proceso de ósmosis inversa en la remoción de agua resulta más económico que los procesos tradicionales de evaporación en cualquiera de sus variantes, (Evaporación al vacío por lote, efectos múltiples, atmosférica, etc.) debido principalmente al consumo de energía bajo, ya que al no haber cambio de fase, la utilización de calor para elevar la temperatura al punto de ebullición y para mantener la vaporización no existe, la energía eléctrica consumida es poca y solo se utiliza para mover la bomba de alta presión, que podría compararse con las bombas utilizadas para mover los líquidos en los equipos de evaporación. El capital o costo del equipo es menor ya que no se requieren grandes volúmenes de materia, ni instrumentos caros. La eficiencia en un equipo de ósmosis inversa se considera de las más altas y prácticamente no hay desperdicios o mermas, la reposición de partes es mínima y solo serian las membranas que tienen una vida útil muy larga, las partes en movimiento como sería la bomba de alta presión que con una operación y mantenimiento adecuados puede prolongar su vida útil. El mantenimiento del equipo donde incluye la reposición de partes, (membranas), reacondicionamiento de bombas (cambio de sellos), limpieza interior y exterior no es muy significativo económicamente hablando como en los equipos de evaporación donde por solo la limpieza se tiene que desarmar parte del equipo con la necesidad de cambiar empaques y reponer partes en movimiento. La limpieza en el equipo de osmosis inversa se realiza en el lugar por un sistema de lavado automático que ahorra tiempo y dinero .La mano de obra es muy barata ya que un solo operario puede controlar el equipo y al no necesitar servicios como vapor, aire, vacío, agua etc. No hay mano de obra indirecta. Como el equipo tiene muy pocas partes en movimiento y menos sometidas al calor y a esfuerzos mecánicos, la depreciación por uso es mínima. Por todo lo anterior resulta mas barata y atractiva la remoción de agua por el proceso de ósmosis inversa que por cualquier otro proceso sin contar la calidad del producto y además es capaz de manejar alimentos higiénicamente sin dificultad y de fraccionarlos según convenga.

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5 Conclusiones. En base del estudio de las membranas de acetato de celulosa modificadas en su estructura por la adición de aditivos que modificaron o no su comportamiento pero que fueron aceptados o rechazados según las fórmulas seleccionadas y de los tratamientos térmicos y mecánicos que se supone modificaron su estructura interna pero que definitivamente si modificaron su comportamiento en el rechazo de componentes de la leche. Las membranas fueron desarrolladas a nivel laboratorio y trasladando sus resultados a una planta piloto de pequeña capacidad que estaría situada en el estado de Chiapas que presenta las características que consisten en las dificultades de representan las lluvias y los malos caminos en la época de abundancia de producción de leche para acercar el producto a los centros de consumo o industrialización y que concuerdan con el objetivo de concentrar leche retirando agua para disminuir su volumen y facilitar su transporte. Considerando lo anterior este esfuerzo de desarrollar y aprovechar las membranas para concentrar leche por ósmosis inversa ofrece aportar una solución al transporte de alimentos para bien estar consecuente de los mexicanos de esa región.

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