La leche que ingresa a la planta es recogida en las fincas o hatos en cantinas o tanques cisternas recolectores diseñados especialmente para que mantengan el frio y eviten el deterioro de la leche. En ese sentido, se tiene que en Colombia la mayoría de la leche llega a las plantas en cantinas aunque en zonas como la Caribe, Bogotá y Cundinamarca en donde se manejan volúmenes de recolección que alcanzan los 3000 litros se ha empezado a trabajar con carros cisternas que recolectan la leche dos o tres veces por semana. En ese sentido, las plantas procesadoras de leche han adoptado bonificaciones por frio aumentado el valor pagado por litro de leche a los productores. Lo anterior, ha incentivado a varios de los productores de leche al acondicionamiento de sistemas de enfriamiento y tanques de almacenamiento de leche en la finca. Así también en Colombia se tiene el decreto 616 del 28 de febrero del 2006 3n donde se establece el reglamento técnico en cuanto a los requisitos que debe cumplir la leche para el consumo humano que se obtenga, procese, envase, transporte, comercialice, expenda, importe o exporte en el país[1].
Figura 28: Llegada de leche en cantinas a plantas medianas de producción.
Fuente: Productos lácteos y cárnicos. Disponible en: http://www.slideshare.net/juguira/lacteos-4826816
Figura 29. Esquema de recogida de leche en el hato. Fuente: Universidad Nacional Federico Villarreal. Procesos Agroindustriales. Disponible en http://www.slideshare.net/orlando1088/procesos-8004787
Figura 30. Esquema descarga de la leche en la planta.
Fuente: Adaptado de Universidad Nacional Federico Villarreal. Procesos Agroindustriales. Disponible en http://www.slideshare.net/orlando1088/procesos-8004787 y De Laval. Disponible en http://www.delaval.com.co/Dairy_Knowledge/EfficientCooling/Milk_Collection.htm
Figura 31. Recolector cisterna de leche fría.
Fuente: Empresa Jardinox del Brasil. Disponible en: http://www.jardinox.com.br/informativo_det.php?not=123
Figura 32. Cargue de leche al carro cisterna en la finca.
Fuente: Cabrera, M.; Villa, J. Como obtener leche de buena calidad Disponible en: http://www.agronet.gov.co/www/docs_agronet/2005113012633_C%C3%93MO_OBTENER_LECHE_DE_BUENA_CALIDAD.pdf. Consultado. Septiembre 2011
La recepción de la leche en la planta es de vital importancia y merece especial cuidado. Al respecto, dependiendo de los controles y análisis correspondientes se decide el destino que debe darse a la leche; ya sea destinarla para consumo o para la elaboración de los diferentes productos lácteos. Así también el pago a los productores de leche se hace teniendo en cuenta los resultados del laboratorio en cuanto a contenido de materia grasa, proteína, sólidos totales, recuento de células somáticas, y temperatura de la leche cuando llega a la planta.
Una vez que la leche que ha llegado en cantinas es necesario limpiar y desinfectar cada una de las cantinas. Al respecto, las cantinas se limpian y desinfectan en las plantas que manejan volúmenes bajos de leche (hasta 5.000litros leche) manualmente; en caso contrario, se utilizan maquinas para lavar cantinas; las cuales suelen tener una capacidad instalada para limpiar y desinfectar 500 cantinas por hora.
*Funcionamiento del lavador de cantinas:
1. Las cantinas se colocan de manera inclinada (boca hacia abajo) en la banda transportadora con el fin de escurrir los restos de leche que hayan quedado en el recipiente.
2. Rociado previo con agua potable: Retira los últimos restos de leche y macro impurezas
3. Pulverización con soda caústica de pH>11 a una temperatura de 65 ºC
4. Lavado con agua caliente a 85 ºC
5. Secado con aire caliente
7. Enfriado con aire frio
6. El dispositivo automático de lavador de cantinas las coloca en una cinta trasportadora para ser recogidas por el trasportador de la leche.
Lo anterior se observa en la siguiente figura:
Figura 33: Esquema de maquinas para lavar cantinas
Fuente: Spreer, E. (1975). Lactología industrial. Editorial Acribia. Zaragoza España. Página 44.
Los números del esquema, indican la secuencia del lavador de cantinas descrito anteriormente:
Los carros cisternas se lavan con agua y después se someten a la acción del vapor. En algunos casos se utiliza un equipo que cuenta con un pulverizador giratorio que se introduce en el tanque de la cisterna tal como se muestra en la siguiente figura:
Figura 34. Sistema para limpieza de carro cisterna recolector de leche.
Fuente: Fuente: Spreer, E. (1975). Lactología industrial. Editorial Acribia. Zaragoza España. Página 47.
Los números del esquema, indican los accesorios del sistema de limpieza del carro cisterna del esquema anterior:
.
Se tiene que la leche que ingresa a la planta es depositada en tanques de almacenamiento que casi siempre por eficientizar espacios y comodidad en la limpieza de los tanques de almacenamiento. Así también la capacidad de almacenamiento de leche supera en un 20 0 30% a los volúmenes de leche que se reciben diariamente por cuanto se tienen épocas de sobre producción de leche, disminución en las ventas de leche para consumo y derivados o días de descanso o parada de la planta por mantenimiento. Es importante anotar los tanques de recepción y almacenamiento de leche fresca deben ser utilizados exclusivamente para este fin y no para almacenar leche higienizada pues se corre el riesgo de que se de contaminación.
Figura 35. Tanques de almacenamiento de leche que ingresa a la planta.
Fuente: La perla láctea. Disponible: http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/santa_fe/perla-lactea/pl_pro.htm
17.1 Higienización de la leche
Toda la leche que ingresa a la planta debe inicialmente ser higienizada; entendida esta, como las medidas que se deben tomar para mejorar la calidad de la leche en cuanto a condiciones sanitarias de la misma. En ese sentido, la leche es filtrada en el centro recolector en donde seguramente se han eliminado las impurezas más grandes como tierra, hierba, trozos de alimentos entre otros con el fin de eliminar la posibilidad de proliferación de carga microbiana presente en esta suciedad. Dentro de las operaciones de higienización se tiene el filtrado el cual se lleva a cabo con un filtro que puede ser de nylon, algodón o malla tupida. Estos filtros son instalados en la conducción entre el tanque de almacenamiento y el carro cisterna. Aunque el filtrado de la leche no elimina completamente las colonias de microorganismos con las que llega la leche si ayuda enormemente a la proliferación de las mismas y en ese sentido, previene el deterioro de la leche. Es necesario que los filtros se limpien frecuentemente para evitar que se acumule de suciedad y el efecto del depurado de la leche no sea el mejor.
Figura 36. Filtros para leche
Fuente: DeLaval. Disponible en: http://www.delaval.cl/Products/Hygiene-and-Cleaning/MilkFilters/default.htm
Otro de los sistemas empleado para filtrar la leche es la centrifuga las cuales separan partículas de diámetro de 4 a 5 micras en donde la fuerza centrifuga hace que las micro impurezas se vayan al fondo de la maquina y la leche pase a los tanques de almacenamiento clarificada.
La centrifuga de platos como se observa en las figuras 37 y 38; consta de un rotor que contiene platos cónicos superpuestos, separados entre sí por separadores que aseguran canales con una separación fija entre ellos, distancia que determina el máximo diámetro de partículas que pudieran entrar en el separador.
Figura 37. Esquema de una clarificación de leche fresca.
Fuente: Fuente: Línea de Producción de leche pasterizada. Disponible en: http://www.fing.edu.uy/iq/cursos/qica/industria/Lactea04.pdf. Consultado. Septiembre del 2011.
La leche ingresa en el tambor por el tubo de entrada de leche y pasa por los intersticios existentes en el distribuidor. La separación de las impurezas se verifica en pila de discos que consta de unas 10 piezas. Las partículas de suciedad de peso especifico mayor se separan de la leche por la fuerza centrifuga y se adhieren a la pared interior de la zona inferior del tambor. La leche clarificada asciende hacia la pared exterior del distribuidor. La limpieza de esta clarificadora es diaria e implica el desmonte de cada uno de los platos que la conforman. Así también el colchón de impurezas que se extraen de la clarificadora aunque contiene nutrientes no es apta para el consumo animal y se desecha por cuanto la carga microbiana es alta.
Figura 38. Esquema de una clarificadora centrifuga y las dimensiones geométricas de un juego de platos.
Fuente: Adaptado de García, J. (2001). La centrifugación en la industria químico farmacéutica. Disponible en: http://bvs.sld.cu/revistas/sint/vol7_2_01/sint5201.htm
Figura 39. Exhibición de clarificadora centrifuga marca registrada CENTRIMAX.
Fuente: Centrimax. Disponible en http://www.centrimax-es.com/schaelzentrifugen01.0.html
El cálculo de la fuerza centrifuga[2]:
F = m v² / r en donde,
F = Fuerza centrifuga en Newton (N)
á¹ = Masa en Kg
v = Velocidad tangencial en m/s
r = Radio en m
La fuerza centrifuga es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad tangencial y esta se calcula:
v= d π n / 60 = r π n / 30
En donde, d = diámetro, r = radio, Ï€ = al número (pi) y n = revoluciones por segundo en sˉ¹
Ejemplo: Una centrifugadora tiene un diámetro de 0.5m y gira a 5.500 revoluciones por minuto.
a) ¿Cual es la velocidad tangencial?
b) ¿Cual es la aceleración centrifuga?
Calculamos la velocidad tangencial aplicando la fórmula:
v= d π n / 60 = 0.5m * 3.14 * 5.550 sˉ¹ / 60 = 145.2 m/s
Calculamos la aceleración centrifuga aplicando la formula:
a = v² / r = (145.2 m/s)² / 0.25m
a = 84.332 m/s²
17.2 Descremado de la leche
Varios autores se refieren al descremado de la leche como desnatado o separación de la nata o separación de la nata o crema. El descremado de la leche aplica el principio de la centrifugación y se realiza en función de la fuerza centrifuga y la fuerza de fricción. El descremado de la leche puede hacerse de manera natural y mecánica. La primera es posible por cuanto si se deja en reposo la leche entera al cabo de unas horas se forma una capa de grasa en la superficie por cuanto los glóbulos grasos forman aglomeraciones en forma de racimos que ascienden a la superficie debido a la densidad menor de la grasa con respecto a la leche. Lo anterior se debe al fenómeno físico referenciado en la ley de Stoke que describe la razón de precipitación de una esfera en un medio líquido a partir del cual, es posible deducir la fórmula para encontrar la velocidad con que los glóbulos grasos pueden subir a la superficie[3]. Así también se tiene en cuenta la viscosidad y en ese sentido, en cuanto más viscoso es la grasa, la velocidad de separación disminuye es por esto que la leche que se descrema de forma mecánica se calienta a temperaturas que oscilan entre 40 y 50 ºC antes de descremarse.
Fórmula para encontrar la velocidad con que los glóbulos grasos pueden subir a la superficie[4]:
V = 2r² (df «“ ds) g / 9N
En donde,
V = Velocidad de la esfera
r² = Cuadrado del radio de la esfera
df = Densidad de la esfera
ds = Densidad del medio de dispersión
g = Fuerza de la gravedad
N = Viscosidad del medio de dispersión.
Para el caso de la leche, la formula cambia la posición de df y ds de esta manera:
V = 2r² (ds «“ df) g / 9N en donde,
ds = Densidad del suero o leche descremada
df = Densidad de la grasa.
El descremado mecánico se utilizan descremadoras centrifugas las cuales, en la mayoría de los casos descreman y clarifican al mismo tiempo. En ese sentido, algunas descremadoras permiten que durante el funcionamiento se eliminen las impurezas (auto depuradoras) y otras, solo al final de la operación se evacuan toda la suciedad (no auto depuradoras). Dentro del manejo de la descremadora es muy importante atender a las siguientes recomendaciones frente a su utilización:
* Montar debidamente el aparato con especial cuidado en el orden de los platos. Es necesario llenarlo con agua y poner a girar el tambor
* Permitir la entrada de la leche únicamente cuando la maquina a alcanzado las revoluciones por minuto que corresponda según las instrucciones del fabricante.
* El tambor se lava preliminarmente haciendo circular agua caliente después del descremado. Después se detiene la maquina y se desmonta para la limpieza minuciosa de todo el equipo en especial de cada uno de los platos o discos; los cuales deben ir organizándose de la misma manera como se encontraban montados en la maquina con el fin de no confundir el orden de los mismos. .
* Los empaques de goma se someten a la acción del vapor y se secan con aire caliente
Puede darse que el descremado de la leche es deficiente y en ese sentido, es importante verificar el adecuado funcionamiento de la descremadora en aspectos como:
Velocidad de rotación: puede estar demasiado baja
Giro del tambor: Puede que los platos o discos se encuentren mal montados. En ese caso es necesario detener prontamente la máquina y colocar nuevamente los platos verificando que se realice adecuadamente.
Flujo excesivo de leche: Verificar el funcionamiento y reducir la entrada de leche
Leche con demasiada incorporación de aire: Regular la corriente de entrada de leche.
Figura 40: Máquina centrifugadora que clarifica (depura) y Descrema leche.
Fuente: CENTRIMAX. Marca registrada. Disponible en: http://www.desnatadoras-usadas.com/molkerei_zentrifugen/molkerei_separatoren.html
Las descremadoras tienen un regulador del contenido de grasa en la crema y depende del valor de materia grasa que se desea obtener dependiendo de los procesos que se tengan en la factoría. Para controlar, este contenido de grasa es necesario accionar adecuadamente el tornillo de manera que regule adecuadamente la salida de la crema y de la leche descremada. Sin embargo, además de este tornillo es importante tener en cuenta algunos factores que pueden incidir en el porcentaje de materia grasa en la crema. Estos pueden ser:
Velocidad de la descremadora: A mayor velocidad; el contenido de materia grasa en la crema es mayor y la cantidad de leche descremada que sale de la máquina es mayor.
Temperatura de la leche: Al aumentar la temperatura disminuye el % de grasa en la crema
Contenido de grasa en la leche entera: A mayor % de materia grasa en la leche entera, mayor es el contenido de grasa en la crema.
Razón de entrada de la leche: A menor cauda de leche que ingrese a la máquina aumenta el % de grasa en la crema.
Eficiencia de la maquina: La leche descremada debe tener niveles de 0.01% de MG. Valores de 0.003% son indicativos de que la maquina no se encuentra operando adecuadamente.
Figura 41. Esquema descremado de leche fresca.
Fuente: Línea de Producción de leche pasterizada. Disponible en: http://www.fing.edu.uy/iq/cursos/qica/industria/Lactea04.pdf. Consultado. Septiembre del 2011.
* Cálculo de proporción de crema obtenido:
El % de materia grasa obtenida en la descremadora puede calcularse a través de la siguiente fórmula[5]:
R = (ƒмv – ƒмм / Æ’Ê€) 100
En donde,
R = Cantidad de crema en %
ƒvм = Contenido graso de la leche entera en %
ƒмм = Contenido graso de la leche magra (descremada) en %
Æ’Ê€ = Contenido graso de la crema en %
Aplicación de la formula:
En una factoría se han descremado 63.500Kg de leche con un contenido de materia grasa de 3.65%. por deterioro en la descremadora se ha obtenido leche descremada con valores de hasta 0.05% y la crema obtenida contiene 38.5% de MG. Se solicita:
a) Determinar la cantidad de crema obtenida en Kg
b) Determinar el número de unidades de grasa que se hubieran ahorrado si el grado de descremado hubiese llegado a valores de 0.02%
c) Encontrar los Kg de mantequilla perdidos en la leche descremada si son necesarias aproximadamente 80 UG por cada Kg.
Entonces:
a) Determinar la cantidad de crema obtenida en Kg
De acuerdo a la formula anterior se tiene que
ƒvм = 3.65%
ƒмм = 0.02%
Æ’Ê€ = 38.5%
Aplicamos la formula y encontramos R (Cantidad de crema en %)
R = (ƒмv – ƒмм / Æ’Ê€) 100
R = (3.65 – 0.02 /38.5) 100
R = 9.35%
En 63.500Kg de leche » 100% de sus componentes
X » 9.35%
Resolviendo: (63.500 Kg * 9.35%) / 100% = 5.937, 25 Kg de crema obtenida al clarificar 63.500 Kg de leche con 3.65% de MG.
b) Determinar el número de unidades de grasa que se hubieran ahorrado si el grado de descremado hubiese llegado a valores de 0.02%
Grado real del descremado: 0.05%
Grado esperado del descremado: 0.02%
% de grasa = Grado real del descremado – Grado esperado del descremado
% de grasa = 0.05% – 0.02% = 0.03%
UG = % de grasa * Kg de leche
UG = 0.03% * 63.500Kg » 1.905 UG.
Entonces se habrían ahorrado 1.905 UG si el grado de descremado hubiese llegado a valores de 0.02%
c) Encontrar los Kg de crema perdidos en la leche descremada si son necesarias aproximadamente 80 UG por cada Kg.
En 1 Kg » 80UG
X Kg » 1.905 UG
Resolviendo: 1 Kg * 1.905 UG / 80UG = 23.8kg
Entonces; con la leche descremada se han perdido 23.8Kg de crema.
Se tiene también que en las industrias lácteas en donde se manejan volúmenes grandes de leche; se cuenta con un equipo automático llamado estandarizador en donde la leche sale con un determinado contenido de MG. La operación se sucede en dos etapas; en la primera, se separa la crema de la leche en una descremadora (centrifuga de discos); la cual, también clarifica la leche. El equipo consta de dos salidas; una para la crema y la otra para la leche descremada; los cuales, vuelven a mezclarse en las proporciones calculadas por un micro procesador en función del porcentaje de grasa deseado en la leche estandarizada. Al comenzar el proceso se introduce los datos acerca de la leche descremada y leche estandarizada en el sistema de control que recoge la información sobre el funcionamiento de todo el circuito.
El contenido de materia grasa de la crema es inversamente proporcional al flujo y se controla con el caudalímetro del equipo. Entonces, se tiene que calculando la relación entre el caudal de leche estandarizada y el de la crema que se incorpora, el micro procesador del sistema de control mantiene constante el contenido de materia grasa de la leche estandarizada.
Figura 42. Estandarizadora automático marca REDA. Capacidad 50.000l/h
Fuente: Radovic Engineering. Equipos y componentes para la industria láctea. Disponible en: http://www.radovic-engineering.com/es/komponenten/separatoren/standard.html. Consultado octubre 2011.
Ejemplo:
Se tiene una crema de leche (M2) con un % de materia grasa (MG.G2) que se incorpora a la leche descremada (M1) que contiene un % de (MG.G1) con el fin de estandarizar una leche (Ms) con un % de (MG.Gs).
Entonces se tiene que[6],
M_s=M_1+M_2
Gs=G_1+ G_2
M_s G_s = M_(1 ) G_1 + M_2 G_2
M_s G_s = 〖(M〗_1 + M_2) G_s
M_1/M_2 = (G_s- G_2)/G_(1 – G_S )
Sí = 30% y = 1% y la leche estandarizada debe contener un 3.25% de MG. Cual debe ser el caudal para que la leche salga estandarizada con ese % de MG?
M_1/M_2 = (G_s- G_2)/(G_1 – G_S )
M_1/M_2 = 3.25 «“ 1/30 «“ 3.25 = 0.084112
Sí para M_2, el flujo de leche descremada es de 25.000Kg/h,
Sí para , el flujo de leche descremada es de 25.000Kg/h,
Entonces,
M1= 25.000Kg/h * 0.084112
M1= 2.102, 80 Kg/h
El flujo de la nata con un 30% de MG será de 2.102, 80 Kg/h
Y el caudal de leche estandarizada será
Ms = M1 + M2
Ms = 2.102, 80 Kg/h + 25.000Kg/h
Ms = 27.102,8 Kg/h
Figura 43. Esquema tamaño del glóbulo graso antes de ingresar la leche fresca al homogenizador (1) y después de que sale del homogenizador (2).
Fuente: Megatec. (2010). Procesamiento de productos lácteos. Disponible en: http://www.slideshare.net/negrolas/procesamiento-de-productos-lcteos. Consultado octubre 2011.
17.3 Homogenización de leche
Varios autores se refieren al término como homogeneización. En este material adoptaremos la palabra homogenización más usualmente empleada en nuestro país.
En términos generales; la homogenización tiene como propósito romper y disminuir el tamaño de los glóbulos grasos para que estos se dispersen en la leche de manera uniforme y evitar la formación de una capa de crema o nata en la superficie de la leche entera. Esta operación se realiza en un homogenizador de válvulas; en donde, por el golpe y fricción de la leche cuando pasa a través del equipo, los glóbulos grasos se rompen en muchos glóbulos más pequeños. Al respecto, se tiene que la leche fresca es una emulsión que contiene alrededor del 4% de materia grasa en forma de glóbulos del tamaño de 2 a 10µm. El homogenizador lo que hace es que por medio de una bomba de alta presión hace pasar la leche o la crema a través de una primera válvula con una contrapresión de 15.000 a 20.000kPa produciéndose la rotura de los glóbulos grasos dividiéndolos en tamaño de 1 a 310µm de diámetro. Debido a la presión de la primera válvula, hay un incremento de la temperatura del producto dando como resultado la desnaturalización de las aglutininas encargadas de producir inmovilización y aglutinación pero, favoreciendo también la coalescencia[7]. Es por esto que se tiene una segunda fase en la que la leche pasa a través de una segunda válvula en donde hay una contra presión de 2000 a 4000 kPa que impiden la re-aglomeración o coalescencia de los pequeños glóbulos.
El procedimiento detallado en la homogenización es el siguiente:
1. Precalentar la leche a 40 «“ 50 ºC y pasarla al homogenizador impulsada por una bomba.
2. La bomba somete a la leche a una presión de 100 a 200 atm y la envía a la cabeza del homogenizador. En ese momento, la leche experimenta una fuerte aceleración al pasar a presión por una hendidura entre el cono y su asiento y por tanto, se sucede la fragmentación y división del glóbulo graso.
3. Las partículas fraccionadas tienen una nueva reducción del tamaño cuando chocan después a gran velocidad y en ángulo recto contra la superficie externa del anillo elástico.
4. Puede darse que se quiera aumentar el efecto de la homogenización y en ese caso es posible instalarse a continuación otra cabeza igual
A continuación se presenta el esquema de la cabeza del homogenizador de una etapa de la homogenización:
Figura 44. Esquema cabeza del homogenizador.
Fuente: Homogenización de leche. http://gominolasdepetroleo.blogspot.com/2011/10/que-es-la-leche-homogeneizada.html
La leche se compone de dos fases; fase grasa y fase líquida. En la primera, se tiene el glóbulo graso rodeado de los fosfolípidos con características tenso activas. La fase líquida está compuesta por caseína, azucares y la enzima lipasa especialmente. Como se mencionó anteriormente, en la homogenización se rompe el glóbulo graso en glóbulos más pequeños pero también se reacomoda el material tenso activo y en ese sentido, se tiene que si la velocidad de absorción de este material es menor que la velocidad de re acomodación del glóbulo graso, quedan muchos sin recubrir corriendo el riesgo de que se adhiera la lipasa ocasionando el enrancia miento de la leche. Entonces, se tiene que lo ideal es tener mayor velocidad de absorción y menor velocidad de formación para que el glóbulo graso se recubra perfectamente de material tenso activo y de esta manera no se produzca aglomeración que trae consigo el ataque de las lipasas. Lo anterior se controla con un manejo adecuado de temperatura y presión al homogenizar. En ese sentido, por ejemplo, no es recomendable descremar a temperaturas bajas porque se pierde el material tenso activo trayendo los inconvenientes que se indicaron anteriormente. Así también se tiene que una leche con un alto % de MG, sometido a alta presión de homogenización pero con una baja temperatura de trabajo se obtiene un producto altamente aglomerado y viscoso. La experiencia en las factorías dedicadas a la elaboración de productos lácteos que someten la leche a homogenización muestran que si se quiere obtener un producto con baja viscosidad debe trabajarse con menor % de MG, alta temperatura y baja presión de homogenización.
En el siguiente esquema se observa el comportamiento del glóbulo graso de la leche cuando la leche es sometida a la homogenización: