Teórico Sueros y Tecnología de membranas

Suero y tecnología de
membranas
Facultad de veterinaria
Departamento de Ciencia y Tecnología de la Leche
Montevideo-Uruguay
Octubre 2014
Dr. MSc. Darío J. Hirigoyen
Temas a desarrollar
1. Sueros de lechería
2. Datos locales
3. Principio de funcionamiento de la filtración de membranas (FM)
4. Aplicación de filtración de membrana en industria alimentaria e industria láctea.
5. Características de las distintas configuraciones.
6. Propiedades y clasificación de membranas.
7. Ultrafiltración(UF);Micro filtración (MF);Nanofiltración (NF);Osmosis inversa (OI).
8. Criterios para elegir un sistema de filtración de membrana.
9. Problemas encontrados en la filtración de membrana.
10.Colmataje
11.Limpiezas de las membranas.
12.Ejemplo de sistema de recuperación de proteína.
13.Algunos productos obtenidos por esta tecnología.
14.Conclusiones.
15.Bibliografia
Sueros de lechería
• Antiguamente considerado un residuo de la elaboración
de algunos productos lácteos, principalmente quesos, el
suero ha experimentado en las últimas décadas un
profundo y acelerado proceso de revalorización.
• Son líquidos formados por parte de los componentes de
la leche, que resultan de diversos procesos de
elaboración de productos lácteos, por ejemplo de
quesos, de manteca, de caseína o de ricotta
de residuo contaminante a producto de alto
valor agregado
una fábrica de queso que procesa 280.000 litros de leche
cruda por día, por ejemplo, produce alrededor de 250.000
litros de suero líquido y puede contaminar tanta agua
como una ciudad de 50.000 habitantes
En la industria quesera se genera luego de su elaboración un
efluente industrial rico en proteínas (aprox. 6gr/lt).
Aproximadamente, la cantidad de suero residual es 5 a 10
veces mayor que la de queso producido. Se calcula que en
Europa se producen 75 millones de toneladas anuales de suero
de queso, 27 en América del norte y 8 en otras áreas del
mundo, lo que resulta en un total de 110 millones de toneladas.
La a -lactalbúmina es una proteína rica en triptofano -alrededor del 6% en
peso, y partir de ella se obtiene precursores de la serotonina, una substancia
que regula la vigilia y el sueño.
Por hidrólisis de la -lactalbúmina se obtiene un péptido formado por la unión
secuencial deTyr-Gly-Leu-Phe, el cual es una exorfina que posee acción
opiácea.
La -lactalbúmina posee un efecto contraceptivo.
La b-lactoglobulina globulina es una proteína de gran valor nutritivo con la
que se preparan hidrolizados enzimáticos para suplementar dietas de
reanimación para convalecientes. De sus hidrolizados se preparan leches
con bajo contenido de fenilalanina, para alimentar recién nacidos que
padecen fenilcetonuria.
Finalmente, además de poseer buenas propiedades espumantes, la b lactoglobulina puede ser usada para la fortificación de bebidas soft y jugos de
fruta gracias a su gran solubilidad y estabilidad.
Principio de funcionamiento de la filtración de
membranas
Sistemas que emplean un gradiente, de presión o
electrostático, para forzar el paso de componentes de una
solución a través de una membrana porosa semipermeable,
para que se obtenga una separación sobre la base del
tamaño, e incluso de la carga molecular (University of
Guelph, 2005).
.
líquido que pasa a través de la membrana
(concentrado) la fracción no pasa a través de
la membrana.
La presión requerida para forzar el paso a través de alguna
membrana suele ser proporcional al tamaño de los poros, siendo
necesario incrementar sustancialmente su magnitud a medida
que el tamaño de estos decrece (Brans et al. 2004).
Poro más pequeño, mayor presión
15 Psi / 1BAR
1000 Psi / 69,8BAR
Entre ambos lados de la membrana se establece un diferencial
de presión denominado “presión transmembranaria” que es
utilizado como un parámetro importante asociado al rendimiento
del proceso de membranas (Gesan-Guiziou et al. 2000).
Aplicación de tecnología de filtración de
membranas en la industria alimentaria
Son tecnologías utilizadas en la producción y conservación de los
alimentos con el objeto de aumentar la higiene, seguridad y vida útil,
tratando de mantener un sabor natural.
Filtración de membrana en la industria láctea
•
Sus aplicaciones pueden dividirse en tres categorías:
aplicaciones a leche, aplicaciones a suero y otras
aplicaciones.
Filtración de membrana en la industria láctea
Se ha convertido en una parte valiosa del proceso de
producción, especialmente en la manufactura de ingredientes
lácteos. Operando mediante la concentración y por el
fraccionamiento de la leche en base a las diferencias en el
peso y tamaño molecular relativo (Twiford 2004).
También eliminando
contaminantes que representen
riesgos físicos o biológicos (Makardij
et al. 1999).
Estos procesos no involucran cambios de fase que puedan
ocasionar el deterioro o la modificación de las características
fisicoquímicas y sensoriales deseables de la leche o de sus
constituyentes
(Bennett 1997; Makardij et al. 1999).
Como modificaciones pueden mencionarse pérdidas de
compuestos volátiles con un consecuente efecto sensorial,
así como oxidaciones
(D’souza y Mawson 2005).
Características de las distintas configuraciones
Propiedades y clasificación de membranas
Otros criterios a tener en cuenta
Material de fabricación:
de polímeros orgánicos (polisulfonas, teflón, propilenos,
poliamidas, polisulfuros, polipropilenos),
compuestas de sales inorgánicas (ZrO2, Al2O3, TiO2).
acetato de celulosa (celulósicas),
Es deseable que las membranas, sean capaces de resistir :
•la presión transmembranaria;
•la temperatura a la que sean sometidas;
•las características químicas de la leche ;
•la acción de los diferentes agentes sanitizantes y de
limpieza con que sean tratadas posteriormente a su uso
(Vaillant et al. 2004).
Otros criterios a tener en cuenta
Las membranas celulósicas tienden a ser más sensibles
a la temperatura (50 °C máximo), al deterioro químico
(pH entre 3 y 8) y biológico.
Las poliméricas resisten mejor los factores anteriores
(pH 2-12, temperaturas < 80 °C), PERO no soportan muy
bien la compactación y los agentes clorados,
Las inorgánicas se muestran como las más resistentes
a todos los factores anteriores (pH 0-14, temperaturas
> 300 °C, presiones > 1MPa) (Mahaut 1992).
Tipos AE y NC de nitrato de celulosa pura
• para la pre filtración y medición de polvo, filtración
clarificante y esterilizante
• muy buena humectabilidad, para soluciones
acuosas
• hidrófilos, estables hasta 125 °C
• Varias aplicaciones por porosidades diferentes,
desde 0,1 µm hasta 12 µm.
Tipos ST y OE de acetato de celulosa pura
• ideales para análisis biológicos y clínicos,
ensayo de esterilidad,
• capacidad de unión a proteínas muy baja
• adecuados para medios acuosos y alcohólicos
• hidrófilos
• estables hasta 180 °C, aptos para gases
calientes
• tamaños de poro desde 0,15 µm hasta 1,2 µm
Tipo celulosa pura, sin humectantes.
• humectación espontánea,
• elevadísima resistencia química, adecuado
para medios acuosos y orgánicos
• hidrófilo, mecánicamente estable
• autoclavable hasta 121 ºC
• tamaños de poro desde 0,2 µm hasta 1 µm.
Tipo TE de PTFE con soporte de poliéster
• ideal como filtro de aireación en cualquier ámbito
• para la separación de agua libre de soluciones
orgánicas
• hidrófobo, estable hasta 145 °C
• tamaños de poro desde 0,2 µm hasta 5 µm
Tipo PC de policarbonato puro
• para soluciones acuosas y orgánicas
• hidrófilo, estable hasta 140 °C
Tipo NL de poliamida pura
• filtro universal para filtración clarificante y
esterilizante
• para soluciones acuosas y orgánicas
• hidrófilo, estable hasta 135 °C
• tamaños de poro de 0,2 µm y 0,45 µm
Ultrafiltración (UF)
Se trata de un proceso de separación / fraccionamiento usando un corte
de PM 10.000 Da, a 40 Psi, y temperaturas de 50-60 °C con
membranas de polisulfona .
Su principal función en la industria láctea es incrementar los sólidos de
la leche.
Se aplica generalmente a la leche
descremada, y la lactosa y los
minerales no se fraccionan.
En cambio en el retenido queda el
100 % de la proteína, pero el mismo
% de lactosa y minerales libres en
solución (en la fase acuosa) como
existían en el descremada .
Ultrafiltración (UF)
La presencia de grasa, especialmente en alto nivel, reduce el flujo de
permeado en la UF, especialmente por un fenómeno ligado a la polarización
de la concentración.
Por esta razón muchos de los procedimientos de UF se ejecutan sobre
leche descremada.
Las uniones proteína-mineral que experimenta la leche durante la UF, han
demostrado tener un impacto negativo sobre las características de
coagulación de la leche por acción del cuajo en términos del tiempo,
problema que puede solucionarse por adición de CaCl2 antes del proceso
quesero
Ultrafiltración (UF)
En la tina quesera es otra forma de aumentar
los sólidos antes de la tina de queso.
Ofrece beneficios a los productores de queso,
produce menos suero y aumenta el
rendimiento.
En la industria del Helado se logra aumentar las
proteínas sin los efectos secundarios de una mayor
concentración de lactosa, logrando una mayor vida
de anaquel por el menor choque térmico en el ciclo
de descongelado.
Elaboración de productos de leche "sin hidratos de
carbono", utilizados en los mercados emergentes
de productos de dieta.
La Microfiltración (MF)
Es un proceso de separación de membrana similar a la UF, con
mayor tamaño de poro de la membrana permitiendo que las
partículas en el rango de 0,2 a 2 micrómetros pasen a través.
La presión utilizada es generalmente más bajo que el de
proceso de UF. La configuración de la membrana es
normalmente de flujo cruzado.
Este tamaño de poro permite usualmente retener la mayoría de
las esporas, bacterias, hongos y levaduras, por lo cual la MF
puede ser considerada como una técnica de pasteurización
que no requiere de tratamientos térmicos, o también
permitiendo una mayor validez de productos con técnicas de
pasteurización estándar. (leche con V½ de almacenaje
extendido)
La Microfiltración (MF)
MF se utiliza en la industria láctea para la fabricación de leche
estéril a baja temperatura debido a la retención de las bacterias.
Produce un concentrado de
leche rico en caseína, que
puede ser utilizado para
fabricación de quesos, y un
flujo de proteínas de suero de
leche libre de grasas que
puede ser procesado por UF,
para crear un concentrado de
proteínas de suero.
En este tipo de procesos en leche, las membranas de tipo
cerámico han demostrado ser las que ofrecen mejores
relaciones de rendimiento y durabilidad.
Nanofiltración (NF)
Puede considerarse un proceso dual, generalmente se aplica
en conjunto con una ósmosis inversa.
Suele involucrar una separación en base a tamaño molecular y
otra basada en la carga eléctrica, lo que en teoría permite
apartar los iones monovalentes de los polivalentes
Ósmosis inversa (OI)
Es un proceso donde el tamaño de poro de la membrana es muy
pequeño, lo que permite solamente que el agua y tal vez muy pequeñas
cantidades de solutos de muy bajo peso molecular pasen a través de las
membranas . Se trata de un proceso de concentración utilizando un
corte de PM 100 Da, 700 Psi , temperaturas menores de 40 ° C con
membranas de acetato de celulosa y 70-80 ° C con membranas de
material compuesto.
Es altamente utilizado, en la preconcentración de lácteos o de
alimentos líquidos previo a una
evaporación, pulido de condensado de
evaporador y purificación de agua de
proceso.
Ósmosis inversa (OI)
Logra la separación únicamente del agua presente en la leche, gracias a
que el tamaño del poro empleado es sumamente pequeño ( entre 5 a 15
A°). Es un método energéticamente eficiente para eliminar agua,
concentrar compuestos de bajo peso molecular o purificar efluentes
Concentra la leche, no emplea calor y puede generar retenidos con un
contenido máximo de 30% en sólidos (Twiford 2004).
Resulta ser de utilidad, especialmente en el abaratamiento del transporte
de. la leche fluida en largas distancias (Australia y Nueva Zelanda) (Clarke
1979; Zadow 1995).
Algunas aplicaciones
•(pre concentra leche previo
evaporación y reduce costos
transporte). Permeado limpieza.
Elaboración de queso
Cremas heladas
Productos lácteos
cultivados
Aumento de capacidad
de evaporadores
•WPC con 34al 85% de P)
Elaboración de queso
Fortificado de proteínas de
leche
Productos lácteos
cultivados
Cremas heladas
Cremas heladas reducidas
en carbohidratos
Leche reducida en
carbohidratos
•(leche entera / descremada
Remoción de
bacterias / leche de
larga vida
Fraccionamiento de
caseína
Otras aplicaciones
OI, NF, MF y UF en suero
Clarificación de salmuera de queso
Reducción de BOD/COD de condensado de evaporador y aguas de
proceso.
Recuperación de soda caustica y/o clarificación de solución ácida para
reutilizar.
Ventajas de la aplicación tecnología de FM
Es un proceso continuo
Normalmente operan a temperatura ambiente.
El consumo energético es reducido (gastos de bombeo)
Se evitan cambios químicos y térmicos que se producen por
métodos convencionales.
Son sistemas modulares, muy flexibles.
Facilitan el proceso de automatización.
Inconvenientes de aplicar tecnología de FM
Son sistemas caros especialmente por las membranas, que
son el 30% de la inversión.
La vida útil de las membranas es de 5 a 10 años en función del
material , del producto permeado y del mantenimiento.
Criterios para elegir un sistema de filtración de
membrana
• Los sistemas de filtración de membrana pueden ser
manejados tanto en flujo frontal, como en flujo tangencial. La
elección de un determinado tipo de sistema de membrana
está determinada por un gran número de aspectos, tales
como costes, riesgos de adaptación de las membranas,
densidad de embalaje y oportunidades de limpieza.
• Las membranas nunca son aplicadas como una única placa
plana, porque una gran superficie a menudo da lugar a altos
costes de inversión. Es por esto que los sistemas son
construidos de forma muy compacta, de manera que se
consigue una gran superficie de membrana en el mínimo
volumen posible.
Problemas de uso de un sistema de Filtración
de Membrana
•
Durante los procesos de filtración de membrana la obstrucción de las
membranas es inevitable, incluso con un pre-tratamiento suficiente. Los
tipos y las cantidades de suciedad dependen de muchos factores diferentes,
tales como la calidad del permeato, tipo de membrana, material de la
membrana y diseño y control de los procesos.
•
Partículas, bioobstrucción y “scaling” son elementos de suciedad en una
membrana. Estos contaminantes hacen que se requiera una mayor
carga de trabajo, para poder garantizar una capacidad continua de las
membranas. Llegará el punto en el que la presión aumentará tanto que
ya no será rentable ni económica ni técnicamente.
Retiro y control de la Película biológica,
Biofilm o capa de limo
Colmataje
A medida que transcurre el tiempo en un proceso de FM, se registra una
disminución progresiva del volumen del flujo de permeado por una serie de
fenómenos que ocurren simultáneamente: polarización de la concentración
y aumento en la viscosidad
El aumento en la viscosidad que se
genera provoca la disminución en el
flujo de permeado, siendo este
un fenómeno muy marcado al procesar
leche entera, y en general en todo
fluido con un alto contenido
de proteínas (Yan et al. 1979).
Consiste en la formación de una alta
concentración de soluto en la
superficie adyacente a la membrana.
Es provocado por un balance entre el
transporte convectivo de los solutos
efectuado por el solvente y la
acumulación de soluto no permeado a
través de la misma membrana
(D’souza y Mawson 2005).
Colmataje
Los materiales acumulados en la membrana pueden
experimentar cuatro fenómenos que no necesariamente
ocurren de manera independiente (Brans et al. 2004):
• Adsorción en la membrana.
• Bloqueo superficial de los poros.
• Formación de capa superficial a lo largo de toda la
membrana.
• Penetración profunda de los poros provocando bloqueos
internos no reversibles, siendo más acentuado este último
problema entre mayor sea el diámetro del poro
(Tong et al. 1988; Akoum et al. 2003;
D’souza y Mawson 2005).
Recuperación de proteína mediante
ultrafiltración
Suero y suero retenato
Retenato evaporado
Permeado
Condensado
Vapor
Unidad de UF
Permeado colectado en tanque
Tanque buffer para suero retenido
Evaporador
Secado
Embolsado
Proceso para recuperar proteína
desecada concentrada mediante UF.
Composición del suero común y del
resultante del permeado y retentado
Componente
Peso en 100 Kg
Suero ordinario
Kg
%
Peso en 17 Kg
Retentado
Kg
%
Peso en 83 Kg
Permeado
Kg
%
Preconcentrado de suero lácteo
Se reduce el costo del transporte. Cuando no se procesa en la misma planta. Con
la preconcentración elimina gran parte del agua existente reduciendo los gastos
de transporte.
Reduce el consumo energético de la evaporación.Si el suero lácteo se procesa
en la misma planta su preconcentración mediante OI, permite reducir los
consumos energéticos globales de la fabricación y aumentar la capacidad de
producción de los evaporadores existentes.
Feta y otros quesos similares se elaboran por
concentración total de la leche mediante UF.
Añadiendo fermentos o ácido, cuajo, sal y
otros aditivos al retentado, este puede
envasarse directamente en el recipiente
adecuado. Los quesos frescos basados en
leche o nata fermentada, tales como el Quark
o los quesos cremosos, pueden fabricarse
también por UF. Después de la fermentación,
el producto se concentra al nivel deseado,
seguido por el tratamiento final y envasado. El
proceso UF resulta en una calidad alta y
uniforme, y un rendimiento muy elevado.
Productos obtenidos por esta tecnología
Concentrado de Proteínas de
Leche por Ultrafiltración (MPC)
galletas
pan
Chocolate
pasteles
Bollería
Confitería
caramelos
cocidos
Carne/pescado
merengue
quesos
yogures
lácteos
helados
bebidas
emulsiones
Ingredientes
lactosuero
en productos
alimentarios
sustitución
infantiles
A.Adelgazantes
Productos
dietéticos
nutracéuticos
Prebióticos
Inhaladores
A.Ancianos
A.clínica
farmacéuticos
Nutricionales
prematuros
continuación
Péptidos bioactivos
Probióticos
surimi
comprimidos
Conclusiones
Bibliografia
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