Control de sólidos totales en evaporadores de permeado de suero

Por qué importa la concentración a la salida de un evaporador de suero

En la industria láctea, el suero y el permeado de ultrafiltración salen de las etapas de separación como corrientes diluidas que deben concentrarse antes de la cristalización o el secado. El Tetra Pak Dairy Processing Handbook describe diseños de evaporadores de película descendente que concentran el suero desde un contenido de sólidos del 6 % hasta el 32 %, e indica contenidos típicos de sólidos tras la evaporación del 58–65 % para el suero y del 70–75 % para el permeado [1]. El concentrado que sale del último efecto alimenta la cristalización de la lactosa y el secado por atomización, y el manual especifica para cada una de estas etapas posteriores un intervalo concreto de materia seca [1][2].

La evaporación de película descendente y sus límites

En un evaporador de película descendente, el producto fluye hacia abajo como una película sobre la superficie interior de tubos verticales mientras el vapor se condensa en el exterior; las discontinuidades de la película provocan sobrecalentamientos locales, el producto se adhiere y se resienten la transferencia de calor y la limpieza [1]. Hasta dónde puede llevarse la concentración depende de propiedades del producto como la viscosidad y la estabilidad térmica [1]. En evaporadores neozelandeses que concentraban leche desnatada, leche entera y suero de mantequilla, Jebson e Iyer midieron coeficientes de transferencia de calor de 0,3 a 3,2 kW/m² por °C y observaron que la viscosidad de la alimentación y la cantidad de movimiento del vapor eran los principales factores que los controlaban [3]; los datos corresponden a productos lácteos, no a suero.

En el suero y el permeado, la fracción mineral añade un segundo límite. Tanguy et al. señalan que la masa depositada en los tubos del evaporador durante la concentración del suero depende principalmente de la composición mineral del suero, que varía considerablemente según el proceso de producción [4]. Al concentrar permeados de ultrafiltración obtenidos de leche acidificada a pH 4,6–6,3 con distintos ácidos, se obtuvo o bien ausencia de precipitación, o bien precipitación de fosfato cálcico y citrato cálcico, un comportamiento que podía evaluarse a partir de los iones presentes, sus formas aniónicas al pH del concentrado y los límites de solubilidad de las sales de calcio [4].

La cristalización de la lactosa y el secador

Wong y Hartel revisan cómo el diseño del cristalizador, los parámetros de proceso y las impurezas rigen la cristalización de la lactosa a partir de soluciones de suero, y concluyen que el proceso industrial dista aún mucho de estar optimizado [5]. En la fabricación de lactosa, el suero o el permeado de ultrafiltración se evapora primero hasta un 60–62 % de materia seca y después se transfiere a tanques de cristalización [2]. Para la obtención de polvos, el concentrado de suero suele evaporarse, enfriarse por expansión súbita y cristalizarse para formar pequeños cristales de lactosa, ya que así se obtiene un producto de menor higroscopicidad que no se apelmaza al absorber humedad; el permeado cristalizado se alimenta al secador por atomización al cabo de unas 4–6 h [2].

O’Shea et al. añaden que el seguimiento de la viscosidad del concentrado ayuda a evitar el bloqueo de las bombas, a limitar el ensuciamiento maximizando a la vez la eliminación de agua en la evaporación y a evitar el ensuciamiento de las boquillas en el secado por atomización [6].

Medición de los sólidos totales: opciones de referencia y en línea

ISO 6731 | IDF 21 especifica el método de referencia por secado en estufa para los sólidos totales de la leche, la nata y la leche evaporada [7]. Los concentrados de suero y de permeado quedan fuera de su ámbito de aplicación declarado, por lo que el método de secado de referencia de la planta para estos productos debe definirse y documentarse.

Floren et al. comprobaron que las lecturas de refractómetros Brix digitales y ópticos estaban muy correlacionadas con los sólidos totales en soluciones de lactorreemplazante de aproximadamente 5,5 a 18 % de sólidos totales, pero que era necesario sumar 1,08 a 1,47 a la lectura Brix para estimar los sólidos totales [8]. Bista et al. evaluaron a escala de laboratorio un caudalímetro acústico en línea con concentrado de proteína láctea a 45 °C en un intervalo de 4–21 % de sólidos totales: la impedancia acústica podía relacionarse con el contenido de proteína y de sólidos totales con un R² superior a 0,96, pero la relación dependía de la proporción entre proteína y sólidos totales [9]. En ambos casos, la conversión a sólidos totales es específica de la composición, y ninguno de los dos estudios abarcó el suero ni el permeado.

Pu et al. revisan cómo la espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR), utilizada off-line en productos lácteos desde la década de 1970, se ha convertido en una tecnología analítica de procesos on-line e in-line, y abordan el muestreo en línea, el desarrollo de calibraciones y la instalación [10]. ISO 23291 | IDF 248 ofrece directrices para la espectrometría infrarroja in-line y on-line en el procesado lácteo, incluida la determinación de proteína, grasa y sólidos totales en leche líquida y productos lácteos mediante espectrometría de infrarrojo medio y cercano [11].

Cerrar el lazo de los sólidos del concentrado

Bakker et al. centraron el desarrollo de un evaporador lácteo de película descendente de doble efecto en el control de los sólidos totales del concentrado y comunicaron una mejora del control en cascada respecto a modelos anteriores [12]. De ello se derivan tres prácticas:

• Ancle la señal en línea a una referencia documentada. Contrástela periódicamente con el método de secado de la planta sobre su propio concentrado; una conversión obtenida con otro producto no es transferible [7][8].
• Trate las corrientes de suero como productos distintos. La composición mineral varía con la producción y determina los depósitos [4], y la composición modifica la respuesta del sensor [9]; valide por separado el suero dulce, el suero ácido y el permeado.
• Mida donde se toma la decisión de control. La salida del último efecto alimenta la cristalización y el secado [2], y la viscosidad en ese punto influye en el bombeo y la atomización [6]; medir antes del cristalizador permite corregir a tiempo.

El enfoque de USTECH

Para el concentrado del evaporador, el analizador FT-NIR de proceso ProLine2550 está especificado para la medición en línea de líquidos y suspensiones en tuberías, y el ProLine17EC es un robusto analizador NIR en línea con grado de protección IP65 y ventana de zafiro. La suite caliX construye calibraciones PLS frente a los valores de referencia de la planta, y ProChem conecta el analizador con el PLC/SCADA con alarmas y control de consigna para el lazo de concentración. Si una calibración para un determinado concentrado de suero o de permeado alcanza la exactitud que requiere el proceso se determina en un estudio de viabilidad con sus propias muestras y análisis de referencia; no se presupone a partir de cifras publicadas.