Aislamiento de Concentrado de Suero
-
Upload
juan-vanegas -
Category
Documents
-
view
42 -
download
0
Transcript of Aislamiento de Concentrado de Suero
AISLAMIENTO DE CONCENTRADO DE SUERO
Profesores:Zuñiga Barrientos Sandro
Miranda Medrano Juan Arturo
Alumnos:Aguilar Villegas Víctor Alberto
Laureano Abarca JonathanVanegas Portilla Juan Israel
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Objetivos
Objetivo general:
Establecer los requisitos, especificaciones y parámetros de operación de una planta dedicada a la
purificación de suero de leche.
Objetivos específicos:
1. Describir los equipos empleados en el proceso y dar sus especificaciones.
2. Describir las líneas de proceso y dar sus especificaciones.
3. Elaborar balances de materia y energía para el proceso.
4. Analizar el funcionamiento del proceso y proponer optimizaciones para el mismo.
5. Generar alternativas y evaluarlas, desde el punto de vista técnico y desde el económico.
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Justificación
Los grandes procesos industriales fundamentan la calidad de sus productos terminados en
desarrollos de ingeniería. Los grandes procesos industriales solo son posibles si son guiados por las
manos de un ingeniero o un grupo de ingenieros.
El suero de leche representa una alternativa como materia prima para la producción de un amplio
grupo de productos: panes, dulces, bebidas lácteas, etc. Puede ser usado como sustrato para el
crecimiento de microorganismos, pues contiene lactosa, a partir de la cual se puede producir ácido
láctico. El suero de leche tiene aproximadamente un 25 % de proteínas originales de la leche; es
un residuo de industrias por lo que su obtención es fácil, al tiempo que representa una ventaja
económica. Si se tiene la maquinaría suficiente, la purificación del suero resulta sencilla. Este
trabajo pretende ofrecer una descripción y especificación de las instalaciones necesarias para una
planta dedicada a la purificación de suero de leche.
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Introducción
El suero de leche:
El suero de leche es el líquido obtenido después de la separación de la cuajada o fase micelar.
Sus características corresponden a un líquido fluido, de color verdoso amarillento y turbio, es decir,
el residuo principal del proceso de elaboración del queso después de la formación de la cuajada,
en el cual casi toda la proteína y la grasa se han eliminado. (Badui Dergal, 2006).
Organismos que modulan las exportaciones de suero:
El Consejo Norteamericano de Exportaciones de Lácteos (USDEC) es una organización
independiente por membrecía que representa los intereses de los productores de leche, compañías
comercializadoras y distribuidores de exportaciones de la industria lechera. Los miembros del
USDEC representan más del 80% de la producción de leche en Estados Unidos e incluyen
compañías con la mayor variedad de productos lácteos disponibles en todo el mundo. (US DAIRY
EXPORT COUNCIL, 1997).
Características del suero de leche:
Aproximadamente a partir de 10 litros de leche de vaca se puede producir de 1 a 2 kg de queso y
quedara promedio de 8 a 9 kg de suero. Por lo que cerca del 90% del volumen de la leche será el
suero, el cual contendrá la mayor parte de los compuestos hidrosolubles de ésta. El 95% de la
lactosa presente en la composición original de la leche lo estará en el suero, así como el 25 % de las
proteínas originales y el 6% de la grasa original. La composición variara, dependiendo del origen
de la leche y el tipo de queso elaborado, pero si se desea un promedio, puede ser el siguiente:
93.1% de agua, 4.9% de lactosa, 0.9% de proteína cruda, 0.6% de cenizas (minerales), 0.3% de
grasa, 0.2% de ácido láctico y vitaminas hidrosolubles. (Badui Dergal, 2006).
Principales proteínas del suero de leche :
Entre el porcentaje de proteínas promedio en el suero las más abundantes son las siguientes:
a) Beta -lactoglobulina
Es la principal proteína del suero, entre las funciones que tiene está la fijación de minerales, ya
que posee regiones con gran cantidad de aminoácidos cargados negativamente, lo que le permite
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
fijar a los minerales, la beta -lacto globulina posee un dominio hidrofóbico, por lo que facilita la
absorción de algunas vitaminas liposolubles como el retinol.
b) Alfa -lactoalbúmina
Igualmente esta proteína tiene dominios cargados negativamente, por lo que facilita la absorción
de calcio, tiene una gran afinidad por iones como el zinc, manganeso, cadmio, cobre y aluminio, que
son esenciales para el organismo.
c) Lactoferrina
Posee propiedades antibacterianas y antioxidantes. Esto se debe a que secuestra y solubiliza el
hierro del suero sanguíneo, disminuyendo la cantidad de éste disponible para el desarrollo
bacteriano, haciéndolo disponible para su absorción a nivel intestinal. En el siguiente cuadro 2 y en
el cuadro 3 se pueden observar las concentraciones de proteína en la leche en las que observamos
un porcentaje promedio de las proteínas que se quedan en el suero (FAO)
Cuadro 2 - Concentración de las proteínas de la leche más importantes.
Proteína Concentración (g/l)Aproximación del %
de proteínas.
Caseinatos 24-28 80
Alfa- caseinatos 15-19 42
Beta –caseinatos 9-11 25
Kappa-caseinatos 3-4 9
Gamma-caseinato 1-2 4
Proteínas del suero 5-7 20
Beta- lactoglobulina 2-4 9
Alfa-lactalbumina 1-1.5 4
Proteasa –peptonas 0.6-1.8 4
Proteínas de la sangre 1.4-1.6 2
Suero albumina 0.1-0.4 1
Inmunoglobulinas 0.6-1.0 2
100
(Fuente: Fennema, 1965)
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Cuadro 3. Características de las proteínas sensibles al calor en el suero del queso.
ProteínaAproximación del
% de proteínas.Peso molecular Punto isoeléctrico
Beta-
lactoglobulina48 18400-36800 5.2
Alfa-lactalbumina 19 14200 5.1
Proteasa –
peptonas20 4000-80000 5.1-6.0
Proteínas de la
sangre13
Suero albumina 5 69000 4.8
Inmunoglobulinas 8 160000 5.5-6.8
(Fuente de WIT, 1981);(Harper, 1984).
Obtención del suero de leche:
La mayoría del suero en la actualidad es proveniente del proceso de la elaboración de quesos.
En la elaboración de la mayoría de los tipos de queso se le adicionan un cultivo de bacterias
productoras de ácido láctico y una enzima coagulante comúnmente conocida como cuajo ,estos
se le agregaran al recipiente en el cual se procesara el queso junto con la leche pasteurizada. Tal
combinación de la actividad enzimática y la acidez producirá una desestabilización de las
proteínas que conforman las micelas de caseína. Mientras estas se separan se forma una gelatina
tridimensional suave en el recipiente llamado coágulo. (Badui Dergal. 2006.)
Este coágulo se corta en pequeños cubos y la masa se calentara lentamente a 36 °C - 38 °C
aproximadamente (cocinado).el proceso de cocinado causa que la gelatina se contraiga, soltando
compuestos de agua y leche presente en los cubos. A estos cubos o cuajada tendrán caseína,
grasa de la leche y sales que se adhieren a la matriz creada por proteínas o se atrapa
físicamente en ella.
El líquido que se presenta después de la formación de la cuajada, el suero, contiene los
compuestos de leche solubles. El suero es drenado del recipiente antes de que se lave, este saldrá
del recipiente antes de que se procese la cuajada. Durante el proceso se calcula que
aproximadamente de cada 10 unidades de leche se producirá aproximadamente 1 sola unidad de
queso y 9 unidades de suero de leche (US DAIRY EXPORT COUNCIL, 1997).
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Tipos de suero de leche:
El suero obtenido de la producción de queso principalmente (liquido) tiene un porcentaje del 93% del
agua pero tiene aproximadamente la mitad de los nutrientes originales de la leche.
Dependiendo del tipo de queso que se esté produciendo, el suero líquido básico puede ser de dos
tipos: ácido y dulce.
Ahora bien, el suero acido proviene principalmente de la producción de quesos cottage y ricotta.
Durante el proceso una importante cantidad de la lactosa de la leche se convierte en ácido láctico
antes de separar la cuajada del suero. Conforme se incrementa la acidez una mayor cantidad de
sales de calcio se separan de la leche y el calcio se vuelve soluble. Se producirán menos uniones
del calcio por el caseinato.
El proceso de producción del queso cottage, produce suero con una más alta acidez titulable, con
un mínimo de 0.35% de acido láctico, menor contenido de lactosa, un más alto nivel de calcio y un
perfil mineral diferente que el del suero dulce.
El suero proveniente de la producción del queso tipo cheddar, suizo, mozzarella y de tipos
similares, en contraste con el anterior, contendrá una acidez menor, por lo que se le considerara un
suero de tipo dulce, el cual debe de tener un máximo de acidez del 0.16% (ácido láctico), un mayor
porcentaje de lactosa y más bajos niveles de calcio que el tipo acido. La mayoría de los productos
de suero norteamericanos se derivan del suero dulce. La composición aproximada de los dos tipos
de suero mencionados es la contenida en el cuadro 4. (Badui Dergal. 2006.) (US DAIRY EXPORT
COUNCIL, 1997).
Cuadro 4. Composición de los sueros del queso.
Dulce% Acido%
Solidos totales 6.5 5.2
Lactosa 4.9 4.3
Proteína 0.8 0.6
Nitrógeno no proteico
(% del total)22.0 27.0
Ácido láctico 0.15 0.75
Cenizas 0.56 0.46
pH 6.2 4.6
(Badui, 2006).
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Uso del suero de leche:
Los procesadores de suero en Norteamérica utilizan el suero dulce líquido que sale de la producción
de queso, posteriormente lo procesan en polvo, designándolo de la siguiente manera: suero bajo en
lactosa suero bajo en minerales o desmineralizado, concentrado de proteína de suero (WPC) por sus
siglas en ingles Whey Protein Concentrate o aislados de proteína de suero en el cual la lactosa un
componente del suero se extrae.
Para realizar el procedimiento los fabricantes emplean una serie de técnicas diferentes incluyendo
la ultrafiltración, cristalización, precipitación, osmosis inversa y otros métodos de separación física
con la finalidad de crear productos lácteos con las especificaciones exactas del consumidor final
por lo tanto si evaluamos estas características se pueden producir cientos de productos lácteos
diferentes con diferentes niveles de proteína, así como contenido de lactosa, propiedades
funcionales y otras especificaciones. (US DAIRY EXPORT COUNCIL, 1997).
Procesamiento del suero:
Uno de los objetivos en el proceso del suero es evitar la conversión de lactosa en ácido láctico, la
forma más sencilla de evitar esta conversión a través de microorganismos es realizando una
pasteurización con el fin de destruir microorganismos cultivados del queso u otra opción es
disminuir la temperatura a menos de 7ºC para detener la conversión de la lactosa, mientras se
pasteuriza el suero.
Así mismo durante la producción de queso quedan partículas presentes en el suero las cuales
es conveniente eliminar, así como grasa presente en el suero. El método más común es la
centrifugación o usando un clarificador en el caso de las partículas y un separador hablando de las
grasas.
Otra de las características del procesamiento del suero es que, dependiendo de la composición
deseada en las propiedades funcionales del suero, se utilizaran métodos distintos para llegar a las
deseadas por el cliente.
Entre los diferentes procesos los principales a los que se somete el suero para llegar a las
propiedades deseadas son los siguientes:
Secado por aspersión
En el proceso de secado, se procesan soluciones concentradas de suero de leche las cuales son
atomizadas por una corriente de aire caliente, de tal manera que se controla el tamaño de las gotas, Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
así como la temperatura y el flujo de aire, es posible evaporar el contenido de agua presente a
temperaturas relativamente bajas. Este procedimiento es ampliamente utilizado para producir
suero en polvo.
Concentración al vacío
Este procedimiento como su nombre lo indica es bajar la presión para evaporar el agua presente a
temperaturas bajas. Los sistemas nuevos calientan el suero liquido con una eficiencia de energía
máxima y un daño térmico mínimo a los componentes del suero.
Tecnología usando membranas
Está relacionada con el paso del suero líquido a través de una membrana semipermeable, con todos
sus componentes disueltos esto se realizara a través de una fuerza impulsora la cual será la
presión en la membrana, el funcionamiento radica en el paso de moléculas más pequeñas a través
de las membranas y el impedimento del paso de las moléculas grandes a través de la membranas, al
incrementar o disminuir el tamaño del poro es posible separar o concentrar selectivamente los
componentes del suero.
Osmosis inversa
Se utilizan membranas con poros más pequeños. Las membranas de polímeros utilizadas cuentan
con poros que permiten que las moléculas de agua pasen a través de ellas, reteniendo y
concentrando a todos los solutos del suero de leche, incluyendo las moléculas de minerales,
lactosa, proteínas y lípidos. Este sistema, está sujetos al mínimo de calor, sin embargo, el grado
de concentración es limitado si se presenta viscosidad en el concentrado.
Ultrafiltración
Las membranas que se utilizan son más porosas. Estas membranas de polímeros están diseñadas
para retener moléculas y partículas con pesos moleculares altos y para separar moléculas
pequeñas como la lactosa, sales, y agua encontradas en el suero de leche. La solución diluida de
lactosa, minerales y nitrógeno sin proteína que penetra a través de la membrana se le conoce como
"permeado". A la solución de proteínas y grasas que no penetra a través de la membrana se llama
"retención". El grado de concentración es limitado por el incremento en la viscosidad de la retención.
Así mismo con el fin de facilitar la separación de la lactosa de la retención, puede agregarse agua
continuamente a la retención. Este procedimiento permite el lavado de la lactosa y sales de las
proteínas y produce una más alta relación de la proteína con los sólidos.Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Microfiltración
Utiliza un proceso de cruce de membrana manejado el flujo por una diferencia de presión en una
membrana en el cual se producirá un rechazo un rechazo por moléculas de peso molecular mayor a
100000kda. Este proceso de microfiltración remueve grandes glóbulos de grasa y moléculas de
grasa que se concentran y se separan de los demás componentes del suero. La microfiltración se
utiliza para producir aislados de proteína bajos en grasa y libres de grasa. La microfiltración
combinada con la ultrafiltración puede mejorar la eficiencia.
Intercambio de iones
Los procesos de intercambio de iones incluyen resinas con carga que unen a las proteínas, mientras
que se separan la lactosa, grasa y minerales. Para realizar este proceso comúnmente, el suero se
acidifica para desarrollar una carga positiva en las moléculas de proteína. Así hace contacto con las
resinas con carga negativa. Las moléculas de proteína positivas se unen a la resina negativa,
mientras que la lactosa, grasas y minerales se separan de las proteínas. Para separar las resinas
de las proteínas el sistema se hace alcalino, causando que las proteínas desarrollen una carga
positiva y se separen de la resina que va a ser enjuagada. El intercambio de iones en conjunto con la
ultrafiltración se utiliza para producir el aislado de proteína del suero. (Badui Dergal, 2006). (US
DAIRY EXPORT COUNCIL, 1997).
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Diagrama de bloques
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
Suero liquido pasteurizado
Microfiltración
Crema del suero Diafiltración (agregar agua)
Concentrado de Proteína del Suero (Bajo en grasas, alto en proteína)
Concentrado y Secado por Asperción.
WPC-80
Diafiltración (agregar agua)
Concentrado de Proteína del Suero (Alto en proteína)
Concentrado y Secado por Asperción
WPC-50 a WPC-80
Ultrafiltración
Concentrado de Proteína del Suero (Bajo en proteína)
Concentrado y Secado por Asperción
WPC-34 a WPC-50
Penetra el procesamiento de la lactosa
Penetra el procesamiento de la lactosa
Descripción del proceso
Suero en polvo
Dos grupos de productos de suero
• Productos de suero dulce. También conocido como suero de queso, se produce durante la
elaboración de queso, cuando se aplica cuajo. Este grupo forma una gran familia de productos de
composición muy similar, en tanto que sus propiedades son muy diferentes. El valor de pH del
suero dulce puede ir de 5.2 a 6.7
• Productos de suero agrio. Estos pueden incluir suero ácido, suero de queso cottage y
suero agridulce. El suero ácido, también conocido como suero de caseína, se origina de la
manufactura de ácido láctico. El origen del suero de queso cottage se explica por sí mismo. El
ácido láctico creado mediante fermentación natural le da al suero una alta acidez. Los valores de
pH de este grupo abarcan rangos de 3.8 a 4.6. Si no se dedica suficiente cuidado al suero de
queso, la fermentación natural lo vuelve agrio. Este proceso obviamente no es deseable, ya que
el suero agrio (no ácido) no se considera un producto natural.
Productos de suero secados por atomización
Producción de suero en polvo.
Las operaciones principales utilizadas para la producción de polvo de suero a partir de (suero
líquido pasteurizado) son:
• Precalentamiento
• Concentración
• Enfriamiento instantáneo
• Pre-cristalización o fraccionamiento del suero de leche
• Secado por Atomización
• Enfriamiento en un lecho fluidizado vibratorio
Secado por atomización sin tratamiento de cristalización
Este proceso consiste en el precalentamiento, concentración, secado por atomización y
enfriamiento neumático.
Pre-cristalización y tratamiento de cristalizado
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
La distribución básica del proceso es modificada al realizar una pre-cristalización antes del
secado por atomización. La viscosidad del concentrado es razonablemente baja, las temperaturas
ajustadas y controladas con exactitud, el desplazamiento de la solución utilizada desde la
superficie de cristales puede acelerarse mediante la agitación y la cantidad requerida de cristales
apropiados de lactosa puede asegurarse con la siembra de cristales apropiada. Durante el
proceso de cristalización hay suficiente tiempo para alcanzar el grado teórico de cristalización. Si
la temperatura de salida es de 50 a 55ºC el polvo obtenido tendrá una humedad del 10 al 14%
Elección del proceso de suero
La elección del proceso depende del tipo de suero disponible, el mercado al que está dirigida la
comercialización del polvo de suero y la ubicación de la planta. La habilidad de manejar suero
dulce y de producir un producto que no propicie la formación de grumos requiere de una
distribución simple. Si el polvo secado se destina a mezclas de polvo seco, la habilidad de flujo es
esencial y el proceso debe ser equipado con etapas de cristalización y enfriamiento con objeto de
garantizar esta propiedad. El clima local debe también ser tomado en cuenta, dado que se
recomienda a las plantas en climas húmedos utilizar un proceso que produce un producto menos
higroscópico con poca tendencia a formar grumos.
Fraccionación del suero
En lugar de producir suero en polvo ordinario o precristalizado, se ha comprobado que vale la
pena instalar una planta de ultrafiltración cuando grandes cantidades de suero están disponibles.
El suero se divide en dos fracciones. Una de naturaleza retentiva para producir WPC (whey
protein concentrates/Concentrados de Proteína de Suero en diferentes grados 35, 60 u 80) o
inclusive WPI (whey protein isolates/Aislados de Proteína de Suero con contenido de proteínas
más elevado que 90% sobre una base sólida) y un permeado. Para lo cual se utilizan procesos
de microfiltracion y ultrafiltración :
Microfiltración de Suero
La Microfiltración se caracteriza por tener un rango de corte de peso molecular (MWCO) de
50,000 a 500, 000.
Microfiltración de Suero: Retención de proteínas de grasa o de suero con peso molecular alto a
partir de proteínas de suero pequeñas, nitrógeno no proteico (NPN), lactosa y minerales de un
peso molecular menor.
Remoción de grasa para la producción de WPI (aislados de proteína de Suero): Las limitaciones
en la remoción de grasa del suero por separación mecánica da como resultado un alto nivel de
concentrados de proteína de Suero (WPC) altos en grasas. Este nivel alto de grasas limita el Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
contenido máximo de proteína en el polvo final de WPCs, por lo general de 80-84% dependiendo
de la calidad del material alimentado. Los aislados de proteína de trigo requieren una reducción
de contenido de grasas en el producto final de < 0.5%.
Remoción de bacterias: La producción de concentrados de proteína de suero (WPC) y Aislados
de Proteína de Trigo (WPI) con un recuento bajo de bacterias se puede lograr utilizando
membranas de MF cerámica para lograr una reducción de cuando menos Log 4 (99.99%) de
bacterias y esporas, dependiendo de la carga en el material alimentado.
La ultrafiltración (UF) utiliza membranas para separar macromoléculas y partículas, de
moléculas pequeñas y solventes. Las membranas utilizadas en UF se caracterizan por su peso
molecular de corte, el cual es el peso molecular del soluto que es retenido en un 95-99 % por la
membrana. El estudio de la ultrafiltración está orientada a tratar de predecir el flux en un sistema
dado en función de los parámetros de operación como son: presión, temperatura, concentración
de proteína y flujo de alimentación (Tejeda, et. al., 1995).
Metodología para la recuperación de estas proteínas aplicando la ultrafiltración utilizando
cartuchos de fibra hueca de corte molecular de 100 y 1 kDa.
Las condiciones de operación que lograron maximizar el flux del filtrado utilizando el cartucho de
100 kDa. Las condiciones que se obtuvieron fueron: Temperatura: 45ºC; Flujo de alimentación: 18
x10-6 m3/s; pH: 6.5 a 7.0; y Presión transmembrana: 136 kPa.
El filtrado obtenido se concentra en un cartucho de corte molecular de 1 kDa. El concentrado
obtenido, se sometió a la operación de diafiltración para la eliminación de sales y lactosa y
obtener las proteínas de interés con un mayor nivel de purificación. El perneado puede ser
evaporado más aún para producir lactosa en diferentes grados. Durante este proceso, es posible
remover el valioso mineral Fosfato de Calcio.
Secado
Un ejemplo de quipo usado en el secado del suero de leche es :
Una secadoraTall Form Dryer, TFD con Vibrofluidizador . En donde, la atomización tiene lugar
gracias a la atomización por tobera a una presión de hasta 350 bar.
El polvo de suero obtenido por virtud de este proceso es muy delicado, polvoriento, higroscópico
y, por consiguiente, propenso a hacerse grumos. La higroscopicidad y los grumos están influidos
por el tipo de suero y por las condiciones climáticas locales. La higroscopicidad, los grumos y
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos
todos los problemas asociados con la naturaleza pegajosa del polvo ordinario de suero debido a
la presencia de la lactosa en el estado amorfo.
La lactosa está en un estado amorfo e inestable en aire atmosférico o en humedad normal,
durante el proceso de secado por atomización. El monohidrato de lactosa a es la única forma que
permanece estable al contacto con humedad. El contenido de lactosa del suero en polvo
comprende más de 70% de los sólidos totales, en comparación con 30% en la leche entera, lo
que hace que el problema del contenido de lactosa en el suero en polvo sea más severo. No
obstante, dado que la solubilidad de la lactosa es de 17 g/100 cm3 H2O a 20°C, es fácil guiar el
proceso de secado de tal forma que una mayoría de la lactosa pueda ser transformada a la forma
estable de monohidrato de lactosa a durante el proceso de secado.
Ingeniería sin Fronteras: sus ideas guían nuestras manos