Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización de la Leche

Pasteurización de la Leche

La leche fresca, después de la filtración o clarificación centrífuga, debe

someterse rápidamente a la pasteurización. Se necesita este tratamiento

para destruir las formas vegetativas de algunas bacterias patógenas, tales

como el bacilo tuberculoso del bovino (Mycobacterium tuberculosis)

como del humano, las salmonelas, especialmente la S. thyphi, las

bruselas, estreptococos piógenos y sobre todo especies que

frecuentemente originan infecciones graves y epidemias provocadas por la

leche. Pero, la pasteurización también elimina un gran número de otras

bacterias termolábiles, patógenas como los estafilococos hemolíticos,

Coxiella burneti y algunos coliformes, no patógenos, como las bacterias

lácticas, siempre presentes y susceptibles de alterar la leche. La

pasteurización destruye además ciertas enzimas, en especial la lipasa,

cuya actividad es indeseable. Por lo tanto, la pasteurización no sólo sanea

la leche sino que también prolonga el tiempo de conservación, pero como

la leche pasteurizada no es totalmente estéril, debe enfriarse rápidamente

Simulador Dinámico de Tiempo Real

38

hasta 5 ºC y guardarla refrigerada, con el fin de evitar la proliferación de

bacterias termoresistentes.

La pasteurización se hace a 63 ºC durante 30 minutos, entre 72-75 ºC

durante 15 segundos o bien instantáneamente a 95 ºC. Algunos

consideran que la temperatura de pasteurización es 72 ºC en 15 segundos

mínimo y otros lo hacen a 79 ºC entre 20-25 segundos y se enfría a 7.2

ºC o menos. La pasteurización a 63 ºC se efectúan en tanques cerrados,

provistos de agitadores; las pasteurizaciones rápidas a temperaturas

elevadas (HTST), se hacen en cambiadores de calor tubulares o de

placas.

Mediante el control de inactivación de la fosfatasa alcalina, que está

presente en la fase acuosa y en la superficie de los glóbulos grasos, se

puede saber si la pasteurización fue suficiente ya que esta enzima tiene una

sensibilidad al calor muy próxima a la de las bacterias patógenas citadas.

Su inactivación se comprueba por una reacción de hidrólisis de fenolfosfato,

si hay liberación de fenol se obtiene, con un reactivo orgánico,

una reacción coloreada. La Figura 2, reproduce las curvas de temperatura

de la inactivación de la fosfatasas y lipasas de la leche.

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

39

Fosfatasa ácida

Min.

100-

Fosfatasa alcalina

10-

Lipasa

0,1-

62 67 72 ºC

Figura 2.

Otra prueba de la eficacia de la pasteurización se fundamenta en la

inactivación de las reductasas microbianas. El sustrato que se utiliza es el

azul de metileno, en realidad, esta reacción se utiliza para conocer

concretamente las propiedades bacteriológicas de la leche antes de la

pasteurización.

La pasteurización no modifica prácticamente el sabor de la leche y cambia

muy poco su valor nutritivo. La pérdida de tiamina es del 0 % a 10 %, la

del ácido ascórbico más elevada, pero sin importancia nutritiva, dado el

bajo contenido de vitamina C de la leche de vaca. La riboflavina y la

pirodoxina son sensibles a la luz, la protección de estas vitaminas

aconsejaría emplear para la leche botellas de vidrio oscuro, pero el

Simulador Dinámico de Tiempo Real

40

público no las acepta. Aún más, está en regresión el empleo de

recipientes de cristal para la leche, los embalajes de cartón y los

materiales plásticos que protegen a la leche contra la luz.

Constituyentes Químicos y Estado Físico:

La leche de vaca es el producto integral del ordeño total e ininterrumpido

de una vaca lechera, bien constituida, bien alimentada y no fatigada. Debe

recogerse limpiamente y sin calostro.

La siguiente Tabla da la composición media de los principales

constituyentes de la leche de vaca.

Constituyentes Concentración

(g/l)

Agua 870

Proteínas 35

Caseínas 27

Otras proteínas 7

Lípidos 35 a 40

Acidos grasos esenciales 1

Glúcidos 51

Lactosa 49

Oligosacáridos trazas

Sales minerales 7

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

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Vitaminas

hidrosolubles

Concentració

n

mg/100ml

Ac. Ascórbico (C) 2100

Tiamina (B1) 40

Rivoflavina (B2) 150

Niacina (PP) 60-200

Pirodoxina (B6) 2.5×103

-106

Ac. Pantoténico 0.325

Ac. Fólico 0.006

Cobalamina (B12) 0.0005

Biotina 1.5-5.0

Colina 13

Inositol 15

Vitaminas

liposolubles

Concentració

n

U.I./100ml

A 160

D 0.3-4

E 60-150mg

K 4.7mg

Tabla 1.

Composición química de la leche

La leche es un sistema coloidal constituido por una solución acuosa de

lactosa (5 %), sales (0.7 %) y muchos otros componentes en estado de

disolución, donde se encuentran las proteínas (3.2 %) en estado de

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suspensión y materia grasa en estado de emulsión. La leche contiene

también enzimas, anticuerpos, hormonas, partículas en suspensión

(glóbulos de materia grasa, micelas de caseína) y aún ciertas células

(macrófagos), inevitablemente también contiene microorganismos y a

veces de forma accidental, antibióticos y antiparasitarios.

La composición de los distintos tipos de leche, y entre un mismo tipo,

varía mucho en función de la alimentación, período de lactancia, época,

raza, lugar, etc., del animal.

Desde un punto de vista físico, la leche constituye un sistema complejo: es

un sistema coloidal de partículas en una fase acuosa dispersante. Por un

lado, las partículas son glóbulos de materia grasa (en general, de 3 a 5 mm

de diámetro), pero en otro aspecto hay micelas proteicas (del orden de

0.1 mm de diámetro), formado por la interacción de la caseína y otras

proteínas entre sí y con las sales minerales presentes en la fase acuosa.

Estas son las partículas en suspensión que resultan responsables de la

«consistencia», opalescencia y aspecto blancuzco de la leche; este último

carácter se debe, a la dispersión de la luz por las micelas proteicas.

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

43

Homogeneización de la leche

La homogeneización de la leche se obtiene haciéndola pasar bajo presión

elevada (150 a 250 kg/cm2

) a través de orificios o válvulas muy

estrechos, con lo que el tamaño de los glóbulos grasos se reduce

aproximadamente 1/5 del inicial (5 micrómetros). También se destruyen

parcialmente las micelas de caseína y los pedazos se adhieren a la

superficie de los glóbulos grasos. Estos dos fenómenos estabilizan la

emulsión, retardando la decantación y coalescencia.

La homogeneización también mejora la consistencia de la leche, aumenta

su blancura y hace los lípidos más digestibles, porque las lipasas

digestivas penetran mejor en una emulsión más fina. Por esta misma razón,

la leche homogeneizada es muy sensible a las lipasas endógenas de la

leche. Se considera también que la homogeneización mejora la

digestibilidad de las caseínas, porque hace la cuajada estomacal menos

compacta.

Simulador Dinámico de Tiempo Real

44

La homogeneización se hace a 70 ºC y frecuentemente después de la

pasteurización, puede hacerse sobre la leche entera o parcialmente

descremada.

Propiedades Físico Químicas

Desde el punto de vista físico químico, la leche es un producto complejo,

para lo cual es imprescindible el conocimiento de su estructura.

Los componentes de la leche se encuentran en diferentes formas físicas.

El estado físico depende principalmente del grado de dispersión. Las

partículas tienen diámetro inferior a 1 nm, pueden atravesar membranas

semi-permeables y separarse mediante los procedimientos de

ultrafiltración.

Se hará referencia a las propiedades de la leche entera que se utilizará en

el proceso de pasteurización.

· Acidez de la leche

La acidez de la leche es un parámetro bastante constante en la leche y su

aumento indica una anormalidad. El pH de una leche normal varía entre

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

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6.2-6.8, pero la mayoría de las leches tienen un pH comprendido entre

6.4-6.6.

· Punto de congelación

El punto de congelación es una de las constantes físicas mas estable de la

leche. El punto de congelación de la leche entera puede oscilar entre –

0.52 ºC y -0.56 ºC (con valor medio de -0.54 ºC).

· Punto de ebullición

El punto de ebullición de la leche es de 100.5 ºC.

· Densidad de la leche

La densidad relativa media de la leche a 15 ºC/15 ºC es de 1.032 y un

rango de (1.028-1.035). Esta varía con la temperatura y la densidad de

cada uno de sus componentes. En la leche entera es conveniente medir la

densidad a 30 ºC para que la materia grasa esté en su estado líquido, ya

que en estado sólido la grasa tiene una densidad superior y es bastante

elevada. La densidad relativa de los componentes de la leche entera a 30

Simulador Dinámico de Tiempo Real

46

ºC es: materia grasa 0.913, sólidos no grasos 1.529, lactosa 1.523,

proteínas 1.35 y cenizas 5.5. Conociendo la composición de la leche se

puede calcular la densidad con la siguiente ecuación:

dleche MG L P C Agua

=

+ + + +

100

0 913 163 135 55 1

%

.

%

.

%

.

%

.

%

donde:

MG : materia grasa.

L : lactosa.

P : proteína.

C : cenizas.

La densidad de la leche varía en el rango de temperatura de trabajo, para

considerar la misma se buscó una relación que se ajusta de la mejor forma

a los datos siguientes:

Tabla 2.

Temperatura ( °C ) d (kg/m3

)

0 1035

20 1030

70 1012

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

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Se realizó el ajuste con el criterio de mínimos cuadrados y se obtuvo:

r(T) = 1035.705 – 0.33462 T

· Calor específico

El calor específico de la leche es variable según su contenido graso. El

valor medio para la leche entera es de 0.93 cal/g ºC, para la leche

desnatada de 0.95 cal/g ºC y para la nata con un 40 % de materia grasa

de 0.68 cal/g ºC.

En el rango de temperatura se considera que el mismo es constante.

· Tensión superficial

La tensión superficial de la leche desnatada varía con la temperatura, para

la leche desnatada a 0 ºC es de 55,60 dinas/cm y para la leche entera es

de 53 dinas/cm.

La diferencia se debe a que la materia grasa ejerce un efecto depresivo

sobre la tensión superficial que disminuye proporcionalmente a la riqueza

en grasa de la nata. Se produce un aumento de la tensión superficial por el

Simulador Dinámico de Tiempo Real

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calentamiento, la agitación y la homogeneización. La liberación de ácidos

grasos en la hidrólisis hace disminuir considerablemente la tensión

superficial.

· Viscosidad de la leche

La viscosidad de la leche es función del número y tamaño de las

partículas y también de la temperatura. La viscosidad de la leche entera es

de 2.1 centipoise y de la leche desnatada es 1.8 centipoise. La viscosidad

de la leche desnatada disminuye proporcionalmente con los tratamientos

térmicos hasta 62 ºC, temperatura a partir de la cual los tratamientos

térmicos tienen el efecto de aumentar la viscosidad.

Temperatura ( °C ) m (Ns/m2

*103

)

0 4.28

20 2.12

70 0.70

Tabla 3.

Para considerar la variación de la viscosidad con la temperatura, una

relación que ajusta los datos de la tabla es la fórmula de Andrade.

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

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m(T) = e

-7.36228 +

2396.814

T + 273.15

en este caso la unidad de la viscosidad es centipoise [cp] = [Ns/m2

*103

].

· Conductividad eléctrica de la leche

La conductividad eléctrica de la leche normal o entera es del orden de los

0.005 ohm-1

a 25 ºC.

· Índice de refracción de la leche

El índice de refracción de la leche a 20 ºC tiene un valor medio de

1.34209, siendo el del agua de 1.33299. La medida del índice de

refracción se utiliza en Tecnologías lecheras para determinar el grado de

concentración de la leche en los procesos de evaporación, ultrafiltración y

ósmosis inversa.

· Conductividad térmica de la leche

La conductividad térmica de la leche es de 0.53 W/(m ºC) a 25 ºC y en

el rango de temperatura de trabajo (-0.50 ºC a 90 ºC) la misma es

constante.

Simulador Dinámico de Tiempo Real

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Pasteurización HTST

En la Figura 3 se muestra el proceso que será simulado, se trata de un

pasteurizador del tipo HTST (High Temperature – Short Time,

Temperatura Alta – Tiempo Corto). La corriente FL1 es la corriente de

leche fresca que alimenta al equipo, su temperatura es 4 °C. Esta

corriente se mezcla con la corriente FL11 con el fin de elevar su

temperatura.

La corriente resultante es alimentada al equipo ICP. Este equipo es un

intercambiador de calor que precalienta la leche fresca al tiempo que

enfría la leche ya pasteurizada, corriente FL7. La corriente precalentada,

FL3 es impulsada por una bomba de engranajes B1 hacia el calentador

ICC. En este equipo la leche es calentada con vapor hasta alcanzar la

temperatura de pasteurización fijada en 75 °C. Esta temperatura se

mantiene durante aproximadamente 26 segundos en el equipo TP. Este

equipo es simplemente un tubo adiabático.

Una fracción de la leche pasteurizada es recirculada para elevar la

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

51

temperatura de la alimentación, y la restante se utiliza en el precalentador

ICP. Finalmente, la leche es enfriada utilizando amoníaco en el equipo

ICE.

Existe un controlador CT del tipo P+I (acción Proporcional e Integral)

que controla la temperatura de salida de TP regulando la apertura de la

válvula V1.

Esquema del proceso de pasteurización

ICP

TP

ICE

B1

M1

D1

V1

CT

FL1 FL2 FL3 FL4

FL5

FL7 FL6

FL8

FL9

FL10

FV2 FV1

FA2 FA1

FL6.T

V1.X CT.Sp

ICC

Figura 3.

En el diagrama de flujo del proceso de pasteurización se muestran los

equipos que se utilizan y son los siguientes:

Simulador Dinámico de Tiempo Real

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Mezclador

Intercambiador de Calor Precalentador

Bomba

Intercambiador de Calor Calentador

Tubo Pasteurizador

Divisor

Controlador de Temperatura

Válvula

Intercambiador de Calor Enfriador

M1

ICP

B1

ICC

TP

D1

CT

V1

ICE

Características de cada uno de los equipos

Mezclador (M1): en este caso es una conexión cuyo objeto es juntar

dos corrientes para formar una tercera. La nueva corriente tiene distintas

propiedades y variables de estado.

Bomba (B1): es un equipo que cumple la función de proporcionar

energía con el objeto de transportar un líquido. De los distintos tipos de

bombas se seleccionó una bomba de engranajes rotatorios, que es de

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

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desplazamiento positivo, donde la parte no dentada de los engranes que

están a la entrada de la bomba proporcionan un espacio para ser llenado

por el líquido, cuando el engrane gira, el líquido es atrapado entre el

diente y el cuerpo de la bomba, posteriormente es liberado en la línea de

descarga. Con estas bombas se pueden manejar cualquier tipo de líquidos

libre de abrasivos y son indicados para fluidos de alta viscosidad.

Las bombas rotatorias son capaces de entregar una capacidad

aproximadamente constante, contra cualquier presión dentro de los límites

de diseño de la bomba. El flujo de descarga varía directamente con la

velocidad y está casi libre de pulsaciones.

Intercambiador de Calor (IC): se consideran intercambiadores de

calor a todos los dispositivos en el que se verifica un intercambio de calor

desde un fluido caliente a un fluido frío separados por una pared sólida.

Los dos fluidos pueden ser un líquido, un gas, un vapor condensante o un

líquido en ebullición. En el caso del proceso de pasteurización se utilizan

como dispositivos para el calentamiento y enfriamiento de la leche.

Intercambiador de Calor Precalentador (ICP): es un

dispositivo de doble tubo, que se utiliza para precalentar la alimentación

Simulador Dinámico de Tiempo Real

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utilizando una corriente de fluido caliente que circula por el ánulo, que en

estado estacionario tiene la temperatura de pasteurización. Se trata de

aprovechar el calor sensible de la corriente caliente que sale del tubo

pasteurizador y que debe ser enfriada a una temperatura aproximada de 4

°C. El reciclo de leche es necesario para lograr un proceso continuo que

alcance la temperatura de pasteurización.

Intercambiador de Calor Calentador (ICC): también es de

doble tubo, cuyo propósito es entregar a la corriente proveniente del ICP

previo paso por la bomba, la energía calórica necesaria para que la

corriente de salida alcance la temperatura de pasteurización que es de 75

°C. El aporte de calor se realiza mediante una corriente de vapor que

circula por el ánulo, que tiene una temperatura de 135 ºC, y una presión

de 8 atm. El calor intercambiado es equivalente al calor latente,

correspondiente a la cantidad de vapor condensado.

Intercambiador de Calor Enfriador (ICE): para el caso del

pasteurizador se utiliza como medio refrigerante el amoníaco, que tiene un

punto de ebullición de -33 °C a la presión atmosférica. El objeto del

equipo es enfriar la corriente de leche que sale del ICP hasta la

temperatura de 4 °C.

Nociones Teóricas del Proceso de Pasteurización

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Tubo Pasteurizador (TP): tiene el objeto de mantener a la leche

durante un tiempo de 25 segundos a la temperatura de 75 °C, razón por

la cual se considera un tubo totalmente aislado (adiabático), donde

solamente hay caída de presión que depende de la disposición del mismo.

Controlador de Temperatura (CT): tiene el objeto de examinar la

temperatura (variable controlada) de salida del pasteurizador, para

controlar con mayor precisión el proceso. La acción se logra a través de

un control manual (operador) o a través del control automático (por

medio de instrumentos).

En el caso del control manual, el operador en base a medidas periódicas

de temperatura, por ejemplo, si es inferior al valor deseado aumenta la

recirculación de leche abriendo la válvula. Este caso es importante cuando

se realiza la puesta en marcha del pasteurizador.

En el control automático se emplea un dispositivo sensible a la

temperatura para producir una señal proporcional a la temperatura

medida. Esta señal se alimenta a un controlador que la compara con un

valor deseado preestablecido, set point. Si existe diferencia, el

Simulador Dinámico de Tiempo Real

56

controlador cambia la abertura de la válvula de control para corregir la

temperatura al valor deseado.

Divisor (D1): es una conexión que tiene como fin separar una corriente

en dos, aquí se mantiene la composición, la temperatura, la presión, etc..

Este equipo es necesario para poder reciclar una parte del caudal para

lograr la temperatura requerida a la salida del ICC.

Válvula (V1): es una conexión cuya función es controlar el flujo de la

corriente que lo atraviesa o de cerrar completamente. Permite controlar el

flujo de líquido en forma automática o manualmente con el objeto de

alcanzar la temperatura de pasteurización

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