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.


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.


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


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)


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).


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).


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).


Diagrama de bloques


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


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


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.


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Aislamiento de Concentrado de Suero