Estandarización de la humedad en el secado por aspersión de leche en polvo

Por qué la humedad de salida es la cifra que importa

En el secado por atomización de la industria láctea, la humedad residual es la propiedad del polvo que el operador puede modificar de forma más directa desde la sala de control. La norma del Codex para las leches en polvo fija un contenido máximo de agua del 5 % (m/m) para la leche en polvo entera, parcialmente desnatada y desnatada, excluida el agua de cristalización de la lactosa [1], y el método de referencia para comprobarlo es el método de estufa de ISO 5537 | IDF 26 [2]. Los valores típicos citados para polvos comerciales son 2,8–3,5 % para la leche entera en polvo y 3,5–4,0 % para la leche desnatada en polvo [3]. Por debajo del objetivo, el agua eliminada es producto que no se vende y calor desperdiciado; por encima, el polvo se pega, se apelmaza y se deteriora más deprisa.

Pegajosidad, apelmazamiento y vida útil: la transición vítrea

Un pequeño exceso de humedad tiene grandes efectos porque la lactosa de la leche en polvo secada por atomización es amorfa. Roos y Karel demostraron con modelos de azúcares que el agua reduce la temperatura de transición vítrea (T_g) de los azúcares amorfos y que el punto de pegajosidad empírico se sitúa ligeramente por encima de T_g [4]; Jouppila y Roos observaron que las leches en polvo que contienen lactosa presentan valores de T_g próximos a los de la lactosa pura, que disminuyen al aumentar el contenido de agua, y que la lactosa cristaliza por encima de una humedad crítica de almacenamiento [5]. En la leche desnatada en polvo, Hennigs et al. encontraron que el límite de pegajosidad entre 25–95 °C sigue la transición vítrea predicha de la lactosa desplazada 23,3 K hacia arriba [6], y Ozmen y Langrish midieron una T_g de 87,7 °C con 1,65 g de agua por 100 g de polvo seco y de 46,7 °C con 4,52 g/100 g, prácticamente igual a la temperatura del punto de pegajosidad [7].

La misma transición gobierna el almacenamiento. Thomsen et al. almacenaron leche entera en polvo con un 4,4 % de agua (actividad de agua 0,23, T_g 48 °C) y observaron que la cristalización de la lactosa liberaba agua ligada y elevaba la actividad de agua hasta 0,46, con un pardeamiento superficial simultáneo [8]. Un polvo que sale del secadero demasiado húmedo lleva al saco una T_g más baja, y el margen respecto a la temperatura de almacenamiento decide si se apelmaza y se pardea durante su vida útil [5][8].

Qué puede mover realmente el operador del secadero

En una planta de dos etapas, la cámara seca el polvo hasta aproximadamente un 4 % por encima de la humedad final y un lecho fluidizado elimina el resto, lo que permite trabajar con una temperatura del aire de salida 15–20 °C más baja que en el secado de una etapa y ahorra alrededor del 10 % de la energía [3]. La estructura de control clásica manipula la alimentación de concentrado al atomizador para mantener la temperatura del aire de salida en su consigna, ya que la temperatura de salida es el indicador indirecto más próximo disponible de la humedad del polvo [3]. La temperatura del aire de entrada, los sólidos totales del concentrado y la humedad ambiente desplazan la humedad obtenida a una temperatura de salida dada, y la temperatura de salida solo puede elevarse dentro de los límites que imponen la calidad del producto y la pegajosidad termoplástica [3].

La literatura de control plantea el problema en los mismos términos. Petersen et al. describen el principal reto del control de secaderos por atomización como cumplir la especificación de humedad residual evitando a la vez que el polvo se adhiera a las paredes de la cámara [9]. Sobre un modelo de secadero de cuatro etapas alimentado con perturbaciones registradas en la industria, el mismo grupo señala que el control PI industrial mantiene un objetivo fijo con independencia de las perturbaciones, mientras que los controladores predictivos basados en modelo adaptan el punto de operación, con un rendimiento económico considerablemente mejor en simulación [10]; una simulación anterior cifró la mejora de costes de un MPC no lineal de optimización económica frente al control PI en un 26,7 % [9]. La palanca es la misma en todos los esquemas: cuanto más cerca de la especificación se sitúe el objetivo de humedad sin cruzar el límite de pegajosidad, más rinde el secadero [9][10].

Dónde entra en el lazo un valor de humedad NIR en línea

Ambos esquemas están limitados por la calidad de su información sobre la humedad: la temperatura de salida es un indicador indirecto, y la referencia de estufa describe un polvo que ya ha salido del secadero [2]. La espectroscopía de infrarrojo cercano mide el agua a través de sus propias bandas de absorción y puede montarse sobre el flujo de polvo. Holroyd et al. revisaron los sistemas NIR en línea y on-line ensayados para leche en polvo y concluyeron que los sistemas NIR por transformada de Fourier pueden medir de forma fiable en línea la humedad, la grasa y la proteína [11]. En un secadero de lecho fluidizado para polvos farmacéuticos, Obregón et al. utilizaron una lectura de humedad NIR en línea como variable medida de un controlador predictivo basado en modelo que manipulaba el caudal de aire y la temperatura del aire de entrada [12]. Con un valor de humedad continuo, la consigna de temperatura de salida puede ajustarse según la humedad medida en lugar de la experiencia del operador, y el objetivo puede situarse con un margen conocido respecto al límite de pegajosidad [6][7]. Tres prácticas hacen defendible un lazo así:

• Mida donde la humedad es definitiva. En las plantas de dos etapas, el polvo de la cámara está todavía un 4 % más húmedo que el producto [3], por lo que la medición relevante para el control se realiza sobre el polvo que sale del último lecho fluidizado.
• Calibre frente a la referencia. El modelo NIR se ancla a resultados de ISO 5537 | IDF 26 obtenidos con los propios polvos de la planta [2], siguiendo ISO 21543 | IDF 201 [13]; el artículo complementario sobre el análisis de leche en polvo trata ese aspecto.
• Mantenga el límite de pegajosidad dentro del lazo. La línea del punto de pegajosidad depende tanto de la temperatura como de la humedad [6][7], de modo que un cambio de consigna se comprueba frente a la temperatura del polvo en el punto de medición, no solo frente al límite de la especificación [1].

Cómo lo aborda USTECH

Los analizadores NIR en línea ProLine17EC y ProLine17ECS se montan en transportadores de canaleta y flujos de polvo, detrás de una ventana de zafiro en una carcasa de acero inoxidable IP65; ProChem transmite el valor de humedad al sistema PLC o SCADA que gestiona las consignas del secadero, y la calibración se construye en caliX frente a los propios resultados ISO 5537 de la planta [2]. Lo cerca de la especificación que puede trabajar un secadero concreto, y la mejor manera de combinar el valor NIR con la temperatura de salida, se establecen en un estudio de viabilidad con sus propias muestras de polvo y análisis de referencia.