Proceso de Fermentacin Lctica de la Leche para la Obtencin de Yogurt en COOLECHERA Mediante el Uso de Cultivos Bacterianos de Tipo Lactobacillus BulgaricusP. Cuello, R. Domnguez, A. Movilla, J. Pertuz, H. Valencia Facultad de Ingeniera, Ingeniera Qumica, VIII semestreUniversidad del Atlntico, Km 7 Antigua va a Puerto Colombia, espacio 205A, A.A. 1890, Barranquilla, Colombia

ResumenLa produccin de derivados lcteos fermentados tales como el yogurt y otros, se da a nivel global mediante el uso de cultivos bacterianos que promueven la fermentacin de la leche para la obtencin de tales derivados, consumidos ampliamente en todo el mundo. El proceso de fermentacin de la leche para la obtencin de yogurt en COOLECHERA consiste de tres etapas de mezclado y preparacin de la leche para el proceso, seguida de una de pasteurizacin a 90C para luego ser fermentada la mezcla lctea preparada. La fermentacin es realizada en reactores batch cargados con 5000 litros de leche, mediante el uso de cultivos de lactobacillus bulgaricus a temperatura constante a 40C durante aproximadamente 8 horas, tiempo en que el pH desciende entre 4 4.5 y se completa el proceso de fermentacin hasta el punto deseado para obtener las propiedades organolpticas caractersticas del yogurt, el cual es luego empacado en cajas o bolsas de acuerdo a la presentacin. Para analizar los aspectos cinticos de la reaccin, se recurri a la literatura existente acerca de la reaccin global de produccin de acido lctico a partir de lactosa con el cultivo estudiado y algunos similares, encontrndose que el proceso obedece a tres modelos empricos, siendo estos la ecuacin logstica para la produccin de biomasa, la ecuacin de Luedekin y Piret para la produccin de acido lctico y la ecuacin de Hanson y Tsao para el consumo de sustrato, a partir de este ultimo modelo se logr concluir que la cintica del proceso vara de segundo a primer orden a desde el principio hasta el final del proceso respectivamente.Palabras claves: Derivados, fermentados, lactasa, cultivo, pH, lactobacillus, madurador. P. Cuello et al. Diseo de reactores 2012-2

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1. IntroduccinMuchos de los productos derivados de la leche, tales como la mantequilla, el queso y el yogurt fueron descubiertos de manera accidental a travs de la experiencia [1,2,4]. Mucho tiempo despus del descubrimiento de estos productos se conocera que el proceso que lleva a estos es la fermentacin de la leche y la formacin del cuajo. El descubrimiento y produccin de los derivados fermentados impuls el desarrollo de la industria lctea, que se estableci como tal en el transcurso de la revolucin industrial y de la urbanizacin masiva [1-3,5], como resultado de los avances tecnolgicos y del incremento de la poblacin en las ciudades, sin embargo la base de estas industrias se encuentra en las granjas, establecidas desde que el ser humano desarroll la agricultura miles de aos atrs [1-3].Los productos fermentados derivados de la leche, tales como el yogurt o el kumis son ampliamente consumidos en muchas partes del mundo [4] desde tiempos antiguos, debido a su facilidad de obtencin y de digestin, as como tambin a los efectos positivos en la salud que les han sido atribuidos a lo largo de la historia [1-5]. Existen muchas variedades de derivados fermentados producidas en distintos lugares del mundo, siendo muchas de estas autctonas de una regin, pas o seccin continental, haciendo parte de la cultura de estas [4]. Los derivados de la leche tratados son producidos a partir de procesos de fermentacin con determinados cultivos bacterianos, los cuales bsicamente transforman por medio de enzimas la lactosa y las protenas presentes en la leche en acido lctico o etanol (fermentacin lctica o alcohlica respectivamente) y en otros metabolitos respectivamente, los cuales le confieren a estos derivados sus propiedades organolpticas y nutritivas caractersticas [1-5]. Para producir un determinado derivado se deben utilizar los cultivos bacterianos apropiados a unas condiciones especificas y realizar las operaciones unitarias correspondientes para lograr obtener un producto de calidad [1,2], dichas operaciones generalmente se circunscriben a mezclado, pasteurizacin y posterior empacado.Los procesos de fermentacin para la obtencin de productos lcteos y de cido lctico y etanol han sido estudiados ampliamente en el siglo XX por diferentes investigadores [6,8-10,12-14,16], junto a otros procesos biolgicos, obtenindose varios modelos [10,11] con resultados aceptables que describen las diferentes etapas que ocurren en este proceso. Uno de los modelos ms empleados y mejorados a partir de su concepcin fue el modelo de Monod del crecimiento de un cultivo bacteriano [7], este modelo es de naturaleza emprica y se basa en el hecho de que las bacterias se alimentan de un nutriente que se agota con el tiempo [7, 15]. El proceso a estudiar es la fermentacin lctica de la leche para la obtencin de yogures. El proceso de fermentacin lctica de la leche con cultivos bacterianos para la produccin de derivados como el yogur es el paso vital en la produccin de dichos derivados, dicho proceso se suele llevar a cabo en reactores por tandas debido a la naturaleza de la reaccin [1,2]. Es fundamental controlar las condiciones a las que ocurre el proceso, especialmente la temperatura y la acidez en las que se maneja dicho proceso ya que los cultivos bacterianos y las enzimas que estos producen realizan sus funciones en unos determinados rangos de temperatura, fuera de las cuales se desactivan reversible o irreversiblemente [1,2,5-16], mientras que la acidez es una medida del avance de las reacciones en el proceso, de modo que a determinada acidez se tiene el producto con las propiedades organolpticas y nutritivas deseadas, siendo la acidez del proceso entonces la variable que fija el tiempo que demora el proceso [1,2]. 2. Caractersticas del proceso

2.1. Equipos utilizados y operaciones realizadas en el procesoEn la figura 1 se puede observar un esquema general del proceso, con todos los equipos utilizados en este.El proceso de fermentacin empieza con la leche que llega a un tanque de almacenamiento llamado tanque 14 al cual le llega leche producida en el mismo da, mientras que a otro tanque, de mezcla esta vez, le llega leche y se le agrega azcar a una razn de 12 bultos de azcar de 50 Kg cada uno por cada 1000 litros de leche a 40 C, luego la leche del tanque 14 y la leche del tanque de mezcla son llevadas a un tanque el cual se encuentra conectado a un pasteurizador, este tanque se conoce como tanque de balance del pasteurizador el cual mezcla la leche del tanque 14 con la leche del tanque de mezcla para luego pasar al pasteurizador donde 5000 litros de leche se calientan a 90 C durante 45 minutos, luego esta leche preparada pasa a los maduradores.El proceso de fermentacin de la leche en el madurador demora en total 8 horas, durante las dos primeras horas se baja la temperatura de la leche lentamente a 40 C, despus de las dos primeras horas se agregan los cultivos bacterianos, estos vienen en sobres dosificados, el cual se agrega 1 sobre por cada 1000 litros de leche y se efecta agitacin de 10 a 15 minutos, luego se esperan en promedio 6 horas donde en las 4 primeras horas el cultivo bacteriano se activa y en el resto del tiempo las bacterias continan fermentando la leche disminuyendo su pH, se toman muestras para ver si la acidez es la adecuada, para el caso trabajado se habla de un pH de 4 a 4.5 [1,2,5], si la acidez es adecuada el proceso se corta, es decir, se enfra la leche por medio de agua de enfriamiento a 24 C y luego se toma otra muestra para liberacin esto es para verificar que este lista la mezcla para ser envasada. Al finalizar la tanda del proceso se lava el reactor durante 20 minutos y luego el reactor comienza a trabajar en otra tanda.El producto una vez est listo para ser envasado se efecta esta etapa del proceso de manera manual por los operarios. 2.2. Caractersticas de los reactoresEl proceso consiste en la fermentacin lctica de la leche para la produccin de yogurt, dicho proceso se lleva a cabo en reactores tipo batch que se conocen como maduradores debido a que se realizan procesos de fermentacin en ellos, cabe anotar que se encuentran tres tanques diferentes los cuales funcionan cada uno de manera independiente para producir cada uno de los productos que se deseen, de acuerdo a la demanda de productos que se pidan para la venta en el mercado, es decir, que si se necesita mayor produccin por ejemplo de yogurt se utilizan los tres reactores para aumentar la oferta de yogurt con el fin de satisfacer la demanda del mercado.Los reactores por tandas tienen un cuerpo cilndrico con un techo en forma de domo, dos de los reactores son de 4 metros de alto y tienen un volumen de 6000 litros, el tercero es de 3,5 metros de alto y tienen un volumen de 5000 litros. Los reactores empleados son tanques que estn en contacto con el ambiente por lo cual la presin de estos es la presin atmosfrica (no hay presurizacin), los reactores estn hechos de acero inoxidable y cuentan con una camisa de enfriamiento cada uno, los reactores en la parte superior, en el domo, cuentan con una tapa por la cual se le pueden agregar los cultivos bacterianos y cualquier otro aditivo que se quiera adicionar a la mezcla (partculas solidas, saborizantes y dems aditivos que le den las propiedades caractersticas al producto deseado) adems por medio de la apertura de la tapa se toman muestras del producto durante el proceso para analizarla en un laboratorio y determinar si el proceso se debe finalizar. Estos reactores cuentan con agitadores de 6 paletas cada uno para homogeneizar la mezcla, adems tiene formas especiales con diversos espacios libres para generar turbulencias. Cada reactor cuenta con una mirilla para observar el nivel y el estado de la mezcla. Los reactores poseen 4 tuberas tres de ellas por encima y una por debajo del mismo, dos de las tuberas de la parte de arriba se utilizan para alimentar al reactor con leche pasteurizada, estos tubos terminan en lados opuestos del domo para distribuir mejor la leche alimentada, el otro tubo de la parte superior se utiliza para circular agua de enfriamiento a travs de las camisas del reactor cuando sea requerida esta operacin. El tubo de la parte inferior comunica con una maquina envasadora donde se retira el producto por gravedad. Las nicas condiciones que se controlan en el reactor son la temperatura de la mezcla y la velocidad de agitacin en tres niveles, esto se hace por medio de controles externos de los maduradores que se ubican en la parte inferior donde el operario puede manejarlos. En la figura 2 se puede observar un esquema detallado de las partes del reactor.Para la reaccin deseada el reactor trabaja a una temperatura de 35 45C, temperatura a la que el cultivo bacteriano esta activo y trabaja en sus ms ptimas condiciones, debido a que los cultivos bacterianos empleados son termfilos [1,2,10]. Por otra parte el pH de la mezcla debe ser verificado en un tiempo de proceso total de 8 horas en promedio, para ver si esta en los niveles ptimos que den las propiedades deseadas a los productos, este pH debe estar entre 4 y 4.5 para evitar la desactivacin de las bacterias por el exceso de acidez y la descomposicin de los productos (para evitar que se rancien).

2.3. Justificacin del diseo del reactorEl diseo de los maduradores se debe a varios factores, el primero y ms importante es el hecho de que se trabaja con cultivos bacterianos, los cuales presentan unos intervalos de temperaturas y acidez especificas de activacin [1,2], as como unos tiempos de activacin relativamente largos, para el caso estudiado de 4 horas, para luego empezar en si el proceso de fermentacin, lo anterior deja por fuera de discusin el uso de reactores de flujo continuo para este proceso, sin embargo para otros procesos que involucren la obtencin de cido lctico con un sustrato distinto y con otros fines, tales como los de investigacin, es posible el uso de reactores continuos para procesos de fermentacin [16]. Un segundo factor que justifica el uso de reactores batch a presin atmosfrica es el hecho de que se trabaja con una mezcla lquida, que durante las reacciones puede producir algunos gases, ms que todo CO2, el cual no es conveniente que permanezca en el reactor ni que genere una presin adicional, por lo cual este problema se elimina al estar en contacto con la atmosfera. Un tercer y ltimo factor es el hecho de que durante el proceso se deben agregar aditivos y el mismo cultivo bacteriano, los cuales son slidos y no es posible agregarlos por tuberas, esto justifica la presencia de una tapa en la parte superior de los reactores y complementa el hecho de que se encuentren a presin atmosfrica.3. Aspectos generales de la reaccin, modelos utilizados y determinacin del orden cintico de reaccin3.1. Reacciones de inters involucradas en el procesoEl proceso de fermentacin lctica acontece en condiciones anaerbicas, es decir, en ausencia de oxgeno, cuyo producto final es el cido lctico obtenido a partir de una serie de etapas de reacciones tenindose como sustrato a la lactosa (C12H22O11), estando presente la enzima lactasa involucrada en la hidrlisis de la lactosa a glucosa y galactosa (C6H12O6 ambas), enzima aportada por bacterias del tipo lactobacillus y tambin por algunas bacterias del tipo streptococcus [10], las cuales son las encargadas de ejecutar la degradacin de carbohidratos, y tambin tomndose en cuenta la cantidad de bacterias en el cultivo que prosiguen con las etapas posteriores a la hidrolisis mediante mecanismos de respiracin celular. Para el proceso tratado, el tipo de cultivo predominante empleado es el lactobacillus bulgaricus. A continuacin se presentan las reacciones realizadas por las bacterias relacionadas a la produccin de cido lctico (C3H5O3) [1,2]:

Hidrlisis

Gluclisis

ADP: Adenosn Difosfato.ATP: Adenosn Trifosfato.NADH: Nicotinamida adenina dinucletido.Pi: Grupo fosfato, necesario para balancear la ecuacin estequiomtrica, se encuentra en la forma (HPO42-).

Fermentacin lctica

La accin de la enzima lactasa es la que inicia todo el proceso de fermentacin, estando involucrada en la etapa de la hidrolisis, propiciando la reaccin por medio de un ataque axial a la molcula de lactosa por medio de un glutamato nuclefilo de la lactasa, de modo que durante el proceso se libera primero la molcula de glucosa y luego la de galactosa por medio de un ataque hidroflico [17, 18]. El mecanismo de accin aceptado para esta enzima se puede observar en la figura 3. Figura 3. Mecanismo de reaccin de la hidrlisis de D-Lactosa para formar D-Glucosa y D-Galactosa por medio de la enzima lactasa [17].

El resto del proceso, la gluclisis y la fermentacin lctica son producto de la respiracin celular anaerobia, la explicacin para estos procesos se puede reducir sencillamente a un proceso de oxido-reduccin para la glucolisis, y se puede facilitar la explicacin para la fermentacin lctica tratndola como una reaccin cido-base.La reaccin se podra ver de un modo global refirindose a la lactosa como sustrato, siendo S la concentracin de sustrato; la cantidad de bacterias en el cultivo se representara en el trmino de concentracin de biomasa, X, ya que las bacterias se reproducen, y la concentracin de producto, es decir de cido lctico se representara como P, resultando la siguiente expresin [6]:

3.2. Modelos empricos ajustados al proceso Debido a que no se proporcion informacin experimental a cerca de la fermentacin lctica, se recurre a la literatura cientfica, por lo que segn lo expuesto por Jakymec et al. [6], en el cual se estudia la cintica en condiciones similares a las de operacin suministradas por la empresa, tales como reactor Batch, temperaturas y presiones similares, tiempos de carga comparable y el uso de cultivos lactobacillus bulgaricus. Se proponen los siguientes modelos cinticos de mayor ajuste:

Consumo sustrato, S.Ecuacin de Hanson y Tsao:

Donde Ks es la constante de saturacin del sustrato (L/g*h), S la concentracin de sustrato y X la concentracin de biomasa.

Produccin de Biomasa, X.Modelo Logstico:

Siendo max la mxima velocidad especifica de crecimiento (h-1) y Xmax la mxima concentracin de biomasa alcanzada en la fermentacin.

Generacin de producto, P.Ecuacin de Luedekin y Piret:

Siendo una constante adimensional, una constante de produccin (h-1) y P la concentracin del producto.Estos modelos son capaces de describir el comportamiento del proceso cuando se emplean cultivos de bacterias lactobacillus bulgaricus, sin embargo algunos de los modelos presentados u otros similares, la mayora basados en la ecuacin de Monod o en el modelo de Gompertz [6,8-10,12-14,16], son aplicables a estos cultivos y a otros tipos de cultivos bacterianos involucrados en la produccin de derivados lcteos de fermentacin lctica, tales como los sporolactobacillus CASD, lactobacillus Planarum, lactobacillus helveticus, lactococcus lactis, y streptococcus cerevisiae, entre otras [10], siendo algunos de estos modelos aplicables tambin al cultivo de lactobacillus bulgaricus [6].

3.3. Determinacin de los rdenes cinticos de reaccinAl analizar los aspectos relacionados con el reactor y la reaccin que transcurre en este, se observa que al efectuar un balance de moles en el reactor para el sustrato, que esta en fase lquida se tiene que:

Como el volumen manejado es constante y nS = SV se simplifica la expresin a:

De acuerdo a la ecuacin de Hanson y Tsao planteada para el consumo de sustrato en esta reaccin se tiene que:

Por lo cual es posible observar que el orden global de esta reaccin a primera vista sera de segundo orden, antes de continuar con el anlisis se debe considerar que la poblacin bacteriana presenta una curva de crecimiento, esta se muestra en la figura 4, en la que se puede observar que la curva se divide en cuatro etapas o fases [19]:

La primera fase consiste en la fase de adaptacin en la que las bacterias se adaptan a las condiciones de crecimiento y todava no pueden dividirse ya que apenas se estn activando. La segunda fase es la fase exponencial o fase logartmica, la cual es un periodo de duplicacin celular donde la poblacin bacteriana crece en proporcin a su tamao en el tiempo.

La tercera fase es la fase estacionaria, donde la tasa de crecimiento disminuye como consecuencia del agotamiento de nutrientes y acumulacin de toxinas, aqu el nmero de bacterias es aproximadamente constante.

La ltima fase es la fase de declive o muerte bacteriana que se da debido a que se agotan los nutrientes y a otros factores, como un medio excesivamente cido generado por las bacterias.

Considerando el hecho de que la produccin de acido lctico se da en la fase de crecimiento logartmico y en la fase estacionaria, se tiene entonces que la cintica de la reaccin de consumo tiene dos comportamientos, el primero es el que se da durante el periodo de crecimiento logartmico de la poblacin bacteriana (y por ende de la biomasa), que se describe de acuerdo a la ecuacin logstica, para el cual el orden global aparente de reaccin es de 2, siendo el orden individual tanto para biomasa como para sustrato de 1, mientras que el segundo comportamiento sera cuando el crecimiento bacteriano se detenga y la concentracin de biomasa permanezca constante, luego entonces el termino X de la ecuacin de Hanson y Tsao es una constante que se puede incluir en la constante de saturacin del sustrato, resultando el orden global aparente y el de concentracin del sustrato iguales, siendo estos de orden 1, quedando la ley de velocidad de la siguiente forma:Figura 4. Curva de crecimiento bacteriano con respecto al tiempo [19].

Donde C = KSX.

4. ConclusionesEl proceso de fermentacin lctica de la leche para la obtencin de yogurt es un proceso que esta regido por las condiciones optimas a las que el cultivo bacteriano puede fermentar la leche de manera eficiente y rpida, para el cultivo empleado por la empresa Coolechera, lactobacillus bulgaricus, estas son una temperatura de trabajo de 40C y 8 horas de proceso, donde la acidez final debe estar dada por un pH de 4-4.5, valores de operacin esperados para bacterias termfilas. Este proceso debe ser llevado a cabo con el ms sumo cuidado para evitar la inhibicin o la desactivacin del cultivo bacteriano, o que la materia prima que entre al reactor no este a las condiciones necesarias para efectuar el proceso.Tambin se puede concluir que el proceso se da por lotes principalmente debido al largo tiempo de activacin del cultivo, de 4 horas, sin embargo los otros factores mencionados en la justificacin del diseo del reactor influyen considerablemente.Por otra parte se puede concluir que la cintica de la reaccin de fermentacin vara de acuerdo al crecimiento del cultivo bacteriano, lo cual lleva a que la ley de velocidad de reaccin deducida a partir de la literatura [6] tenga dos formas, una con dependencia a la concentracin del cultivo y del sustrato, y otra con dependencia solo a la concentracin del sustrato, siendo la concentracin del cultivo constante, resultado en dos diferentes orden de reaccin globales aparentes, de 2 y 1 respectivamente.No se debe olvidar que existen diferentes modelos que pueden describir adecuadamente el proceso de fermentacin tanto para el cultivo bacteriano estudiado como para otros relacionados al mismo proceso, de modo que para un anlisis mas completo se requerira efectuar investigaciones que provean de datos para poder efectuar los anlisis correspondientes. Aun as los datos tomados de la literatura provienen de fuentes confiables, por lo cual se concluye que la validez del anlisis realizado para efectos de ilustracin no es un problema.

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