Operaciones Unitarias- Evaporacin.

Leche Evaporada.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIN

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICASOperaciones Unitarias II

Unidad: EvaporacinTema: Leche Evaporada

Ingeniera Qumica- Ingeniera de AlimentosSptimo NivelProfesores: Laura Correa.

Juan Carlos Martnez.Responsables:

Magali Amarilla.

Mara Bentez.

Rebeca Narvaja.

Ivn Romn.

San Lorenzo- 2013RESUMEN

La deshidratacin parcial de la leche consiste en eliminar parte del agua de constitucin de la misma para aumentar de este modo su vida til. Debido al descenso del contenido en agua que se produce en el alimento, se inhibe el crecimiento microbiano y la actividad enzimtica. Adems, disminuye el peso y el volumen del producto nuevo respecto al original, de modo que se reducen los gastos de transporte y almacenamiento, principal utilidad de la leche evaporada, a dems de sus mltiples usos en el mbito culinario.

Mediante la realizacin de este trabajo se han podido aplicar los conocimientos y fundamentos aprendidos acerca de la operacin unitaria denominada Evaporacin al caso prctico de la produccin de leche evaporada, para consiguir una concentracin de 48% de slidos totales. El tipo de evaporador ms utilizado en la industria lechera son los evaporadores de pelcula descendente, que pueden ser operados con diferenciales de temperatura muy bajos entre el medio de calentamiento y el lquido a evaporar y adems, tienen tiempos de contacto con el producto muy cortos. Estas caractersticas hacen al evaporador de pelcula descendente especialmente adecuado para productos sensibles al calor, como lo es la leche.En estos evaporadores la alimentacin es introducida por la parte superior del equipo, Se produce una distribucin homognea del producto dentro de los tubos en la parte superior del evaporador. Este punto es de suma importancia, ya que una insuficiente mojabilidad, lleva a bajos rendimientos de evaporacin, ensuciamiento prematuro de los tubos, o eventualmente al taponamiento de los mismos. Los dos fluidos, tanto el producto como su vapor, tienen igual sentido de flujo, por lo que la salida de ambos es por la parte inferior de los tubos.En la parte inferior del evaporador se produce la separacin de estas dos fases. El concentrado es tomado por bombas y el vapor se enva al condensador (simple efecto), mientras que los sistemas mltiple efecto utilizan como medio calefactor, el vapor generado en el efecto anterior, y por lo tanto el vapor generado en el ltimo cuerpo es el que se enva al condensador.Realizando los balances de materia y energa aplicados al sistema de evaporadores, teniendo en cuenta ciertas consideraciones y los parmetros establecidos para la operacin se obtiene el dimensionamiento de los evaporadores. DEFINICIN DEL PRODUCTOSe entiende por leche evaporada entera a aquella leche a la cual no se le ha retirado la grasa y ha sido obtenida mediante eliminacin parcial del agua de la leche por el calor o por cualquier otro procedimiento que permita obtener un producto con la misma composicin y caractersticas. Se puede elaborara partir de leche entera, leche descremada leche semidescremada. La leche evaporada entera contiene un mnimo de 7,5% de materia grasa, 25% de slidos totales y 34% de protenas en los slidos no grasos. La leche evaporada muestra una textura ms densa que la leche normal, es aromtica y de un color amarillento. Aadiendo el volumen de agua que se ha evaporado al producto, se obtiene de nuevo la leche de consumo tradicional.

Pero el uso ms habitual de la leche evaporada es el de otorgar una textura cremosa a lassalsasy cremas, jugosidad a los bizcochos, se utiliza en confitera, etc. De un tiempo a esta parte hemos reducido nuestro consumo de nata lquida para cocinar, y en su lugar utilizamos la leche evaporada tras sopesar el valor nutricional de cada una de ellas y los resultados obtenidos en las elaboraciones culinarias, la leche evaporada proporciona mucha menos grasa, aunque ms protenas e hidratos de carbono.

Podemos comprar leche evaporada envasada en tetra brik o en lata, como slo precisan refrigeracin cuando el envase est abierto, se encuentran en las estanteras de los supermercados.

Para la industria, la produccin de leche evaporada ofrece mayores beneficios que la produccin de leche normal, pues adems de ser un producto de larga conservacin, pesa y ocupa menos, por lo que los gastos de almacenaje y de transporte tambin se reducen.CAPACIDAD DE LA PLANTA INDUSTRIAL

Se considera la alimentacin al evaporador como 10.000 kg/h de leche entera.ESTUDIO DE LA MATERIA PRIMA

Descripcin cientfica de la materia prima La leche cruda es el producto ntegro de la secrecin mamaria normal sin adicin ni sustraccin alguna de sus componentes y que ha sido obtenida mediante uno o ms ordeos y que no ha sido sometido a procesamiento o tratamiento alguno. La designacin de "leche" sin especificacin de la especie productora, corresponde exclusivamente a la leche de vaca. A las leches obtenidas de otras especies les corresponde, la denominacin de leche, pero seguida de la especificacin del animal productor.

Requisitos generales: La leche cruda no deber estar alterada ni adulterada. La leche cruda se deber obtener mediante el ordeo higinico, regular y completo de animales lecheros y bien alimentados, sin calostro y exento de color, olor, sabor y consistencia anormales. La leche cruda deber estar exenta de sustancias conservadoras cualquier otra sustancia extraa a su naturaleza.

La leche cruda no podr haber sido sometida a procesamiento o tratamiento alguno que disminuya o modifique sus componentes originales. La leche cruda deber cumplir con los requisitos microbiolgicos de acuerdo a la legislacin nacional vigente, o en su defecto al Codex Alimentarius.

Requisitos organolpticos: La leche cruda deber estar exenta de color, olor, sabor y consistencia, extraos a su naturaleza.

Requisitos fisico-quimicos: Ensayo Materia grasa (g/100 g) Acidez, expresada en g. de cido lctico (g/100 g) Densidad a 15C (g/mL) Prueba del alcohol (74 % v/v) Prueba de la reductasa con azul de metileno.Insumos principales requeridos Agua: Se usa en la limpieza de la planta y para garantizar los estndares higinicos del producto. A dems se utiliza una importante cantidad de vapor de agua para el calentamiento de la leche en los evaporadores.

Energa: Es usada para el funcionamiento de los motores en los procesos en que se utilizan equipos, para calentamiento, evaporacin, pasteurizacin, enfriamiento y refrigeracin, para la generacin de aire comprimido y para la iluminacin en general.

Zonas y poca de produccin de leche cruda en Paraguay

La industria lctea constituye uno de los renglones ms importantes de la produccin nacional por sus implicancias en la generacin de empleo, en la seguridad alimentaria y en el arraigo del productor rural a travs de la generacin de ingresos. Est dominada por cooperativas y empresas de capital privado que se dedican a la produccin de leche, quesos, manteca, yogurt, helados, etc, empresas situadas principalmente en la Regin Chaco Central y en el Centro y Sur de la Regin Oriental. El periodo de superproduccin se da en los meses de agosto, setiembre y octubre. Actualmente, Paraguay es el segundo pas con mayor tasa de crecimiento en la produccin lctea en Latinoamrica y el Caribe. Adems ocupa el primer lugar en volumen industrializado por cooperativas.

Cuencas Lecheras del Pas por Departamentos

Cuenca LecheraDepartamentos Componentes

AsuncinCentral, Cordillera, Paraguari, Pdte. Hayes

Colonias Mennonitas del ChacoBoquern

Coronel Oviedo Villarrica - CaaguazCaaguaz, Guair

Ciudad del Este Hernandarias Pdte. FrancoAlto Paran

EncarnacinItapa

San Pedro Colonias MennonitasSan Pedro

San Juan, San IgnacioMisiones

Campo 8 y 9Caaguaz

Evolucin de la produccin de leche cruda en Paraguay

AoMiles de litros

1997430.850

1998422.664

1999463.451

2000488.941

2001494.516

2002480.882

2003456.838

2011742.000

Fuente: Cuentas Nacionales BCP, 2003; CADEP 2011.

ETAPAS DEL PROCESO

Flujograma del proceso.

PROCESO DE PRODUCCIN

El proceso de elaboracin de leche evaporada contempla las siguientes etapas:1. Recepcin de la lecheRecordar en este caso quela leche debe ser recibida en excelentes condiciones de calidad especialmente higinica pues para este caso, la leche es sometida a un tratamiento trmico severo y la calidad higinica es determinante en este caso. Dentro de los anlisis de calidad que cobran importancia en este caso es la prueba del alcohol; la cual sirve de referencia para verificar la estabilidadde la leche frente al calor. Al respecto, la prueba del alcohol debe dar negativa. En el proceso de elaboracin de leche evaporada no puede utilizarse leches ni siquiera dbilmente cidas; y para este caso no es permitida la neutralizacin de la leche.El transporte de la leche a fbrica: El transporte de leche cruda debe realizarse en vehculos refrigerados destinados exclusivamente a este fin. La temperatura de refrigeracin no ha de superar los 4 C. El trasvase hacia y desde las cubas debe realizarse bajo estrictas condiciones higinicas. Despus de cada transporte, y en todo caso una vez al da, deben limpiarse y desinfectarse los recipientes y cisternas que se hayan utilizado para el transporte de la leche al establecimiento de transformacin

2. EstandarizacinLa estandarizacin en este caso, consiste en estandarizar la relacin materia grasa/extracto seco de la leche, con el fin de ajustarla teniendo en cuenta el tipo de leche que se desea obtener. El contenido de grasa en la leche presenta a veces considerables oscilaciones. Muchos de los procesos industriales requieren que, ya en la leche inicial, el contenido de los componentes grasos se ajuste a valores relativamente constantes.

La estandarizacin del contenido en grasa implica el ajuste del contenido en grasa de la leche, o de un producto lcteo, por medio de la adicin de nata o leche desnatada de forma apropiada. La estandarizacin se realiza para cumplir las normas legales o porque el fabricante decide elaborar un producto con unas caractersticas determinadas.

Segn los niveles de grasa la legislacin clasifica la leche como:

Entera:

mnimo 3,2 %

Semidesnatada:mnimo 1,5 % y mximo 1,8 %

Desnatada:mximo 0,3 %.

3. PrecalentamientoEl precalentamiento de la leche tiene por objeto reducir en parte la flora microbiana presente en la leche,estabilizar las protenas haciendo que la leche evaporada sea ms resistente a la esterilizacin que se lleva a cabo envasada, destruir las lipasas para evitar el enranciamiento y por ltimo, aumentar la eficacia del evaporador permitiendo la entrada de la leche a temperaturas ms altas que las del primer efecto. El primer precalentamiento se sucede a temperatura que oscila entre 85 90C en tanques en donde se mantiene la leche durante 15 a 20 minutos. Para este proceso se utilizan intercambiadores de calor de placas o tubulares que funcionan a presin.En esta etapa como tambin hasta la esterilizacin de la leche; se puede presentar el fenmeno de coagulacin dulce; causada por la gelificacin de las protenas y es sucedida por reacciones enzimticas de las bacterias proteolticas que puedan estar presentes en la leche. Este fenmeno se produce cuando hay un almacenamiento prolongado del producto en alguna de las fases de elaboracin desde el precalentamiento hasta la esterilizacin y generalmente hubo deficiencias en el manejo de las sales estabilizantes, un precalentamiento insuficiente.El aumento de la temperatura en la leche origina una disminucin en el contenido de minerales ultra filtrablesde calcio y fosfatos; un descenso de pH y aumento en el contenido de fosfato clcico coloidal. Al respecto, en el precalentamiento se modifica la distribucin del calcio y el fosfato que aumentan en su forma coloidal. Sin embargo, estos cambios son reversiblesy el calcio y fosfato soluble aumentan lentamente durante la refrigeracin aunque, del10 al 15% de la concentracin de calcio y fosfato coloidal producido en el pre calentamiento es irreversible.4. Concentracin por evaporacinLa deshidratacin parcial de la leche consiste en eliminar parte del agua de constitucin de la misma para aumentar de este modo su vida til. Debido al descenso del contenido en agua que se produce en el alimento, se inhibe el crecimiento microbiano y la actividad enzimtica. Adems, disminuye el peso y el volumen del producto nuevo respecto al original, de modo que se reducen los gastos de transporte y almacenamiento.Esta etapa del proceso tambin requiere un estricto control de las temperaturas y tiempos por cuanto por efecto del calor, la lactosa reacciona con las protenas de la leche dando lugara cidos orgnicos como el frmico y lctico y a productos de condensacinresponsables del color marrn de los productos lcteos sobre calentados.En la concentracin de la leche por evaporacin hay un aumento en la concentracin de compuestos solubles y coloidales y por esto tambin aumenta la viscosidad. En cuanto al pH, este disminuye ligeramente con la concentracin como consecuencia de los cambios en la solubilidad de las sales.El sistema de evaporacin consiste en un sistema continuo de mltiples efectosen donde la leche se calienta rpidamente de manera que las transformaciones qumicas no son considerables y el producto tampoco alcanza a caramelizarse. El ms utilizado en la industria lctea es el evaporador continuoque funciona en mltiple efecto. Estos aparatos tienen la ventaja de reducir el tiempo de contacto entre la leche y el lquido calefactor.Es importante tener en cuenta que la mayora de evaporadores trabajan con recuperacin de calor pues los vapores desprendidos son conducidos de nuevo a la instalacin y pasan de nuevo al cuerpo del vaporizador una vez que sean condensados son utilizadospara el calentamiento previo de la leche.5. Homogenizacin.La homogeneizacin evita la separacin de la nata y favorece una distribucin uniforme de la materia grasa.Durante esta operacin, el dimetro de los glbulos grasos se reduce de 10 a 1 micras. El efecto de rotura de los glbulos grasos se consigue haciendo pasar la leche por pequeas ranuras a alta presin.

El efecto de la homogeneizacin sobre la estructura fsica de la leche presenta muchas ventajas:

- glbulos de grasa ms pequeos, sin formacin de nata en la superficie,

- color ms blanco y atractivo,

- reduccin de la sensibilidad de los procesos de oxidacin de la grasa,

- sabor con ms cuerpo,

- mejor estabilidad de los productos lcteos fermentados.

En los sistemas UHT directos, la homogeneizacin se realiza despus del tratamiento trmico debido a la desestabilizacin que este pudiese causar sobre la leche ya homogeneizada.

6. EnvasadoLa leche homogenizada se distribuye en botellas de cuello estrecho o en envases de hojalata. El peso oscila entre 200 450g. La leche se envasa automticamente en las mquinas envasadoras que segn el tipo de envase lo sellan o sueldan. Se cierran hermticamente para evitar posibles contaminaciones por la entrada de lquidos, aire y microorganismos.La finalidad del envase es la de contener, proteger y conservar los alimentos, adems de servir para informar al consumidor. Tambin facilita la venta del producto y su empleo.

El envase ha de proteger la leche de la luz (tanto natural como artificial), ya que sta tiene un efecto perjudicial sobre muchos nutrientes y un efecto negativo sobre el sabor de la leche.7. Enfriamiento y EsterilizacinDespus de su homogeneizacin, la leche se enfra a unos 14C si se va a envasar directamente o a unos 5-8C si se va a mantener almacenada mientras se realiza la comprobacin final del contenido de grasa y de slidos no grasos.

Despus del envasado, la leche evaporada en enviada a la autoclave para la esterilizacin. La esterilizacin destruye todas las formas vivas y resistentes de microorganismos especialmente patgenos, esporulados termo resistentes como el Clostridium.Existen dos tipos de esterilizacin la clsica y la UHT. La esterilizacin clsica consiste en someter a la leche a temperaturas del orden de 115C durante unos 15 minutos. Tiene el inconveniente de que disminuye notablemente el contenido vitamnico respecto a la leche de origen.Con la esterilizacin U.H.T. (Ultra Hight Temperature), la leche alcanza temperaturas de 140-150C, durante 2 a 16 segundos, con la ventaja de que mantiene prcticamente todo el valor nutricional respecto a la leche de origen. 8. Almacenamiento e inspeccin.Las latas y/o los paquetes de cartn envasados aspticamente de leche concentrada son etiquetadas antes de ser colocadas en cajas de cartn. La leche concentrada puede almacenarse durante largos periodos de tiempo a una temperatura de 15C. Si la temperatura de almacenamiento es demasiado alta, la leche adquiere un color ligeramente marrn, y se producen precipitaciones protenicas si la temperatura de almacenamiento es demasiado baja.La leche concentrada debe tener un color claro y apariencia de nata. Se deben tomar varias latas de muestra de cada lote de produccin para su inspeccin. Estas latas son incubadas a tres temperaturas diferentes: temperatura ambiente, 30 y 38C. Despus, se examinan a los 10-14 das con objeto de determinar la calidad del lote. Se procede entonces a la comprobacin de su contenido en grasa, slidos no grasos, viscosidad, y recuento de bacterias y esporas, as como a la determinacin de su sabor, color y olor. Cierto nmero de latas son mantenidas hasta un ao por si se presenta alguna reclamacin y hay que proceder a anlisis similares a los citados.

DIAGRAMA DE ENTRADA Y SALIDA

EVAPORADORES DE PELCULA DESCENDENTE

A: ProductoB: VaporC: ConcentradoD: Vapor de CalentamientoE: Condensado1: Cabezal2: Calandria3: Parte baja de la Calandria4: Zona de Mezcla5: Separador de VahosFigura 1: Evaporador Simple de Pelcula DescendenteEn los evaporadores de pelcula descendente el producto lquido (A) usualmente entra al evaporador por la parte superior (1) o cabezal del evaporador. En el cabezal, el producto es uniformemente distribuido dentro de los tubos de calentamiento. Una pelcula fina entra a los tubos de calentamiento fluyendo hacia abajo, donde es calentada a temperatura de ebullicin y as, es parcialmente evaporada. En la mayora de los casos es usado vapor (D) para calentar el evaporador. El producto y los vapores, ambos fluyen hacia abajo en un flujo paralelo. Este movimiento de gravedad inducida hacia abajo es aumentado cada vez ms por el flujo a co-corriente de vapor. La separacin del producto concentrado (C) forma su vapor (B) lo que se lleva a cabo en la parte baja del intercambiador de calor (3) y en el separador (5). Los evaporadores de pelcula descendente pueden ser operados con diferenciales de temperatura muy bajos entre el medio de calentamiento y el lquido a evaporar y adems, tienen tiempos de contacto con el producto muy cortos, justo unos cuantos segundos por paso. Estas caractersticas hacen al evaporador de pelcula descendente especialmente adecuado para productos sensibles al calor.

No obstante, los evaporadores de pelcula descendente deben ser diseados con bastante cuidado para cada combinacin de condiciones de operacin. Mojar suficientemente la superficie de calentamiento por el lquido (espesor de pelcula de producto), es extremadamente importante para una operacin de la planta sin problemas. Si la superficie de calentamiento no est suficientemente mojada, se presentaran parches e incrustaciones de producto seco, o peor an, los tubos de calentamiento se atascarn por completo. En casos crticos la tasa de mojado puede aumentarse extendiendo o dividiendo los efectos de evaporacin, manteniendo las ventajas de un solo paso de operacin (no re circulando el producto).

El diseo apropiado del sistema distribuidor de producto en el cabezal del evaporador es crtico para alcanzar un mojado completo y uniforme de los tubos. Debido al bajo volumen de lquido contenido en este tipo de unidades, los evaporadores de pelcula descendente pueden ser rpidamente arrancados y cambiados al modo de limpieza u a otro producto fcilmente.

Los evaporadores de pelcula descendente son sumamente sensibles a modificaciones de parmetros tales como suministro de energa, vaco, nivel de alimentacin, concentraciones, etc. Cuando estn equipados con un sistema automtico de control bien diseado, pueden producir un producto concentrado muy consistente.

Ya que los evaporadores de pelcula descendente pueden ser operados con pequeos diferenciales de temperatura hace posible emplearlos en configuraciones de mltiples efectos o con sistemas de compresin mecnica de vapor en las plantas modernas con consumos de energa verdaderamente bajos.

La produccin de vaco en los evaporadores se asegura, en parte, por la condensacin de los vapores. La condensacin se puede efectuar incorporando agua al vapor (condensado de contacto directo, o en la superficie de un intercambiador de calo alimentado con agua fra (condensador de superficie).

Es necesario con el objetivo de limitar su acumulacin en el sistema, extraer los gases no condensables (oxigeno y nitrgeno) procedentes de los productos tratados, del agua de condensacin y de las fugas de la instalacin. Esta operacin se lleva a cabo mediante una bomba de vaco.

DIMENSIONAMIENTO DEL EVAPORADOR UTILIZADO EN LA INDUSTRIA LECHERA.

La planta de produccion de leche evaporada se ha diseado con un sistema de evaporacin mltiple con cuatro efectos en corriente directa. En este proceso se considera como valor constante y conocido el flujo de leche entera alimentada, 10000 Kg/hr, concentracin inicial, 12.0% de slidos, y concentracin final, 48.0% de slidos. Otros parmetros fundamentales para el sistema de evaporacin estn dados por las temperaturas de los efectos y la presin del vapor de calefaccin. En este caso, las temperaturas de los evaporadores permanecen constantes; adems, son bajas para evitar la desnaturalizacin de protenas.

Figura 2. Temperaturas correspondientes a la entrada, efecto 1, 2, 3 y 4El flujo est dispuesta de tal manera que la leche se alimenta al primer efecto del evaporador a una temperatura superior a la temperatura de ebullicin en el evaporador. Esto se consigue calentando la leche durante uno minutos en un pasteurizador hasta 90 C. De esta manera se obtiene una evaporacion instantanea que contribuye a una distribucin uniforme de la leche a travs de los tubos.La leche a concentrar fluye a traves de los efectos 1-2-3-4.DATOS Y CLCULOS:

RESULTADOS OBTENIDOS

Como se puede visualizar en los resultados obtenidos en el dimensionamiento del evaporador, las reas de transferencia de calor para cada calandria son muy aproximadas entre s, lo que proporciona simplicidad de operacin. Adems se han obtenido otros parmetros tiles de operacin como los caudales manejados en cada efecto. Una vez obtenidas las reas de los tubos, se ha podido determinar el nmero total de tubos requeridos para la transferencia de calor, a dems se ha determinado el dimetro mnimo para la calandria.BIBLIOGRAFIA

Romain Janet, Michel Roignant, Grard Brul.Ingeniera de los procesos aplicada a la industria lctea.Editorial Acribia. Espaa 2005

Gsta Bylund.Manual de industrias lcteas.

Sitios web:

http://www.exeedu.com/publishing.cl/av_cienc_ing/2013/Vol1/Nro3/5-ACI1178-12-full.pdf

OBSERVACIONES DEL DOCENTE

Muy buen trabajo, considerar las sugerencias presentadas.

Enviar el trabajo final en formato PDF en la brevedad posible.

Presentar el trabajo impreso en carpeta de color azul para evitar confusin con otras ctedras. Da mximo de presentacin 01/11/2013

El trabajo en PDF SE ENTREGAR en un mismo CD junto con los trabajos de los dems grupos de la ctedra.

Objetivos del TP?

Enumerar las tablas y figuras existentes.

Breve descripcin

Citas bibliogrficas?

Eliminar este formato de figura.

Formato UNA