Embed Size (px)
DESCRIPTION
ing agroindustrial
Citation preview
ASIGNATURA: TERMODINÁMICA
CARRERA: Ingeniería Agro-industrial
Objetivos generales.
Definir Termodinámica y su aplicación en la Agroindustria.
INTRODUCCIÓN.
La palabra termodinámica se deriva de las voces griegas thermos, que significa
“calor” y dynamis que significa fuerza o “poder”. Por ello termodinámica significará
literalmente “fuerza del calor”, lo cual podría denotar cosas tales como la
transformación que se produce al quemar madera, carbón o petróleo. Por lo tanto
se trata de una ciencia que se ocupa en general de las transformaciones de la
energía por ejemplo, la conversión de calor en trabajo, o de la energía química en
energía eléctrica.
Para Reynolds y Perkins (1980), la termodinámica es una de las ramas más
importantes de la ingeniería. Es la Ciencia que explican cómo trabajan las cosas,
el por que algunas no trabajan y la razón por las que otras sencillamente no
pueden trabajar. Se utiliza para el diseño de motores de automóviles, plantas
generadoras de energía, equipos de aire acondicionado, por mencionar algunos.
En la industria alimentaria su uso no es la excepción, si se considera que en la
obtención de un producto se requieren de varias etapas y que en cada una de
ellas ocurren transformaciones de materia y energía en los diversos equipos que
se utilizan.
La termodinámica es la base en el diseño de los equipos de refrigeración,
esterilización, evaporadores a vacío, deshidratadoras utilizados para conservar
alimentos. En muchas de estas operaciones se requiere vapor a presión que
suministran las calderas a través de tuberías y que llega a los equipos y transfiera
su calor a los alimentos, con diferentes propósitos.
Importancia de la termodinámica en la Agroindustria.
Todos los procesos para producir industrialmente los productos agrícolas
involucran un complejo de equipos que funcionan a base de intercambios de
energía en forma de calor, tales como: marmitas, autoclaves, calderas,
hornos, calentadores, enfriadores, etc…; también, equipos que transfieren
energía en forma de trabajo como turbinas, bombas y compresores.
Cada uno de estos equipos puede ser analizado, en cuanto al intercambio
energético, con los métodos y principios de la Termodinámica. La
comprensión acerca de las formas en que se transfiere energía y poder
cuantificar esas transferencias energéticas son asuntos que competen a la
termodinámica; es allí donde esta ciencia cobra su mayor importancia, pues en
toda industria es preciso poder cuantificar la energía requerida para un proceso
cualquiera y con ello estimar el tamaño de los equipos a utilizar; esto también
proporciona una base para el cálculo de los costos que conlleva el producir
artículos de esta naturaleza.
Conceptos de termodinámica, transferencia de calor y transferencia de masa
aplicados en la industria láctea.
Los principios de la ciencia física y ciencias fundamentales que estudian los
procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo así como
la dinámica de fluidos y los flujos másicos son aplicados en el tratamiento y
transformación de la leche. La usabilidad de estos principios se ven reflejados
en el diseño de equipos, desarrollo de nuevas líneas de proceso y en la
mecanización y automatización de los procesos. En est lección no
ahondaremos en las temáticas propuestas por cuanto el programa de
ingeniería de alimentos oferta en su plan de estudios cursos académicos
dedicados a profundizar en estos temas. Sin embargo, es importante tener
presente estos conceptos pues nos fortalecen en la comprensión de los
fenómenos físicos que se suceden en la transformación de la leche y en el
funcionamiento de los equipos utilizados en las líneas de proceso de la
factoría.
Conceptos de termodinámica, transferencia de calor y transferencia de masa aplicados en la industria láctea.
Los principios de la ciencia física y ciencias fundamentales que estudian los
procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo así como
la dinámica de fluidos y los flujos másicos son aplicados en el tratamiento y
transformación de la leche. La usabilidad de estos principios se ven reflejados
en el diseño de equipos, desarrollo de nuevas líneas de proceso y en la
mecanización y automatización de los procesos. En est lección no
ahondaremos en las temáticas propuestas por cuanto el programa de
ingeniería de alimentos oferta en su plan de estudios cursos académicos
dedicados a profundizar en estos temas. Sin embargo, es importante tener
presente estos conceptos pues nos fortalecen en la comprensión de los
fenómenos físicos que se suceden en la transformación de la leche y en el
funcionamiento de los equipos utilizados en las líneas de proceso de la
factoría.
Principios de termodinámica.En la industria láctea, la mayor parte de las operaciones y procesos que se
llevan a cabo, comprometen el intercambio de calor. Un ejemplo de ello es el
tratamiento térmico que se da en la leche cuando se enfría en la recolección de
leche cruda y cuando es pasterizada. En ambos casos, el calor o el frio
intervienen como mecanismo de conservación de la leche.
El calor puede definirse como la forma de energía que se transfiere de un
sistema a otro debido a una diferencia de temperatura existente entre dos
sistemas. El calor pasa de una forma natural desde un cuerpo más caliente
hacia un cuerpo que se encuentra a temperatura más baja.
Por su parte, la termodinámica estudia la cantidad de calor puesta en juego
cuando el sistema pasa de un estado de equilibrio a otro. No se ocupa del
tiempo que transcurre ni de los estados de no equilibrio y la transferencia de
calor, estudia la velocidad de transferencia de calor entre dos sistemas.
Desde lo anterior, se plantea que un requisito indispensable para que haya
transferencia de calor es que haya una diferencia de temperatura entre los dos
sistemas. La transferencia de calor se produce desde el sistema de
temperatura alta al sistema de temperatura baja. Cuanto mayor es el gradiente
de temperatura mayor es la velocidad de transferencia de calor. La unidad de
calor es la caloría, que estudia la cantidad de energía necesaria para variar en
1 grado Celsius la temperatura de 1 gramo de agua a 15ºC. También se puede
utilizar el julio que es igual a 0.2389 calorías.
El calor especifico C de un producto o materia se considera como una medida
de la capacidad del material para almacenar calor y se define como la cantidad
de calor necesaria para variar en una unidad de temperatura una unidad de
peso de la sustancia por calentamiento o enfriamiento, sin que cambie su
estado. El calor específico depende de cada producto, de la temperatura, del
porcentaje de agua y de la presión. La unidad del calor específico es J / (kg*C):
Julio /Kg * Celsius.
El calor específico puede ser a volumen constante (Cv) o a presión constante
(Cp). Cp > = Cv. Para los gases ideales Cp = Cv + R; R -> Constante de
Boltzman. En general, los calores específicos dependen de la presión y la
temperatura, sin embargo para un gas ideal sólo dependen de la temperatura.
A bajas presiones los gases reales se aproximan al comportamiento ideal y,
por tanto, sus calores específicos sólo dependen de la temperatura
La forma de energía que se transfiere de un sistema a otro debido a una
diferencia de temperatura entre los dos sistemas de denomina CALOR.
La cantidad de calor necesaria para modificar la temperatura de un cuerpo esta
dada por:
En donde,
C.p=calor latente específico en J/Kg ℃
M=masa del cuerpo en Kg△Τ=variación de la temperatura en ℃El calor latente es la cantidad de calor absorbida o sustraída en el cambio de
estado físico de una sustancia sin que se modifique su temperatura[3]. El calor
latente de fusión del hielo es de 80 calorías por gramo ó 334.880Julios/Kg.
Esto quiere decir, que para convertir 1 Kg de agua a 0ºC en hielo a 0ºC hay
que sustraer 80.000 calorías o 334.880 Julios
El calor de fusión de la materia grasa de la leche es de 20 calorías por gramo ó
83.720Julios/Kg. El calor latente de vaporización del agua a presión
atmosférica normal es de 539,1 calorías por gramo ó 2.256.673 Julios/Kg
El calor específico aparente incluye el calor específico y el calor latente. Una
aplicabilidad del anterior concepto es en la fabricación de helados en donde el
estado del producto va cambiando progresivamente y resulta complejo
determinar la cantidad de calor que ha servido para un cambio de estado y la
parte que ha servido para el enfriamiento.
Sistemas de transmisión de calor.La transferencia de calor siempre se produce del sistema de temperatura más
elevada hacia el de temperatura más baja. La transferencia de calor se detiene
cuando los dos sistemas alcanzan la misma temperatura. La energía no se
transfiere de un sistema de temperatura baja a otro de temperatura más alta si no
se realiza trabajo.
Los mecanismos básicos de transferencia de calor son: conducción,
convección y radiación. En la industria lechera los mecanismos más utilizados
son los de conducción y convección en donde intervienen las operaciones de
calentamiento y enfriamiento.
Transmisión de calor por conducción.La conducción es el mecanismo de transferencia de calor debido a la
interacción entre partículas adyacentes del medio. No se produce movimiento
macroscópico de las mismas. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases
aunque es característica de los sólidos, puesto que en gases y líquidos
siempre se producirá convección simultáneamente.
La transmisión de calor por conducción se sucede por ejemplo, cuando se
tiene un gas en el que existe un gradiente de temperaturas y no hay
movimiento global. El gas ocupa todo el espacio entre dos superficies. Cuando
las moléculas vecinas chocan ocurre una transferencia de energía desde las
moléculas más energéticas a las menos energéticas. En presencia de un
gradiente de temperaturas la transferencia de calor por conducción ocurre en el
sentido de la temperatura decreciente, en dirección positiva del eje de las x
como se muestra en la figura .
En los líquidos la situación es muy similar que en los gases, aunque las
moléculas están menos espaciadas y las interacciones son más fuertes y
frecuentes. En los sólidos la conducción se produce por cesión de energía
entre partículas contiguas.
En un sólido no conductor la transferencia de energía ocurre solamente por
vibraciones reticulares, en cambio en los sólidos conductores se debe también
al movimiento de traslación de los electrones libres. En la conducción
macroscópicamente no involucra transporte de materia.
La transferencia de calor por conducción sigue la ecuación conocida como la
primera ley de Fourier.
La ley de Fourier sigue la siguiente ecuación]:
Q = - k A dT/ dx
En donde,
Q es el calor transmitido por conducción proporcional al gradiente de
temperatura dT dx. Expresado en W.
K Es la conductividad térmica en W/m ºC
dT/ dx es el gradiente de temperatura en ºC/m en la dirección del flujo del calor
x
A es el área transversal de transferencia en m²
De acuerdo al segundo principio de la Termodinámica, el calor debe fluir hacia
la zona de temperatura más baja. Entonces, el gradiente de temperaturas es
negativo si la temperatura disminuye para valores crecientes de x, por lo que si
el calor transferido en la dirección positiva debe ser una magnitud positiva, en
el segundo miembro de la ecuación anterior hay que introducir un signo
negativo
Cuando se tienen capas sucesivas de distintos materiales como por ejemplo en
la pared de un frigorífico, la transmisión de calor Q es:
Q = A (T₁ – T₂)/ L₁/K₁ + L₂/K₂ + Lᶾ/Kᶾ.
En donde, L₁, L₂, Lᶾ corresponden al espesor de cada uno de los materiales y
K₁, K₂, Kᶾ corresponde a la respectiva conductividad térmica. Se tiene que
cuanto mayor es el término L/K menor es la transmisión de calor y viceversa.
Para el caso de tuberías, la ecuación anterior es modificada por cuanto las
superficies a través de las cuales se transmite el calor son variables. En ese
sentido, se utiliza la siguiente ecuación:
Q = 2 ΠL (T₁ – T₂) / [Ln (D₂/D₁) /K₁ + Ln (Dᶾ/D₂) /K₂ + Ln (D4/Dᶾ)/Kᶾ]
En donde, L es igual a la longitud del tubo, D₁, D₂, Dᶾ y D4 corresponden al
diámetro de los tubos en orden creciente y T₁ – T₂ es la caída de temperatura
desde el centro hacia el exterior del tubo.
Transmisión de calor por convección.
En la transmisión por convección se transfiere la energía entre una superficie
sólida y el fluido adyacente (líquido o gas). Comprende los efectos combinados
de la conducción y el movimiento del fluido. Existe movimiento macroscópico
de las partículas del fluido. Cuanto más rápido es el movimiento del fluido
mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de dicho
movimiento la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido
adyacente sería por conducción pura.
Puede darse convección forzada y natural. La convección forzada ocurre
cuando el fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios
artificiales como ventiladores y bombas por ejemplo. La convección natural
ocurre movimiento del fluido debido a causas naturales. Las fuerzas de empuje
son inducidas son inducidas por la diferencia de densidad debida a la variación
de temperatura en ese fluido. En contraposición con la conducción, la
convección implica transporte de energía y de materia, por lo tanto, esta forma
de transmisión de calor es posible solamente en los fluidos y es además
característica de ellos.
La ecuación que describe este tipo de transmisión de calor se rige por la ley de
enfriamiento de Newton.
Q = h A (Ts – Tm),
En donde,
h = Coeficiente de transmisión de calor por convección en W/m² ºC
A = Área de la superficie de transferencia
Ts = Temperatura en la superficie del sólido
Tm = Temperatura media del fluido.
El coeficiente de transmisión de calor por convección forzada depende, en
general, de la densidad, de la viscosidad y de la velocidad del fluido, así como
de sus propiedades térmicas (conductividad térmica y calor específico) y la
velocidad viene impuesta al sistema por una bomba, ventilador, etc, y se puede
medir directamente.
El coeficiente de transferencia de calor en la convección natural depende de la
diferencia de temperaturas entre la superficie y el fluido, del coeficiente de
dilatación térmica del fluido que determina el cambio de densidad por unidad
de diferencia de temperatura y del campo de fuerzas exteriores que; que en
general, corresponde a la gravedad
Transmisión de calor Mixta.
En la industria lechera sucede en la mayoría de los casos transmisión de calor
mixta; es decir, por conducción y por convección; los cuales ocurren en
paralelo pero no de manera simultánea. Un ejemplo de lo anterior, es la
refrigeración de la leche utilizando un intercambiador de calor. En ese caso,
hay transferencia de calor por convección entre el agua que enfría y la leche
que es enfriada y transferencia por conducción a través de la pared de las
placas que separa la leche del agua. Lo anterior se comprenderá de mejor
manera cuando se revise el tratamiento térmico aplicado a la leche en la
pasterización.
En la transferencia de calor mixta a través de capas sucesivas, la ecuación a
aplicar es:
Q=U A ∆T
En donde,
U=Coeficiente global de transmisión de calor en W/m² ºC
Se tiene que en un sistema de transferencia de calor a través de varios
componentes con igual superficie como por ejemplo, cámaras frías, la ecuación
es:
1/U= 1/(h int)+ L1/K1+L2/K2+L3/K3+ 1/(h ext)
En donde,
h int.=coeficiente de transmisión de calor por convección en el interior de la
cámara
h ext.=coeficiente de trasmisión de calor por convección en el exterior de la
cámara
L1/K1,L2/K2 y L3/K3=espesor y conductividad térmica de los materiales que
componen y aislan la cámara
Ahora, si la temperatura del aire en la cámara de refrigeración es de 0ºC y la
temperatura media del aire exterior es de 20ºC, la trasmisión de calor es:
Utilizamos la ecuación para capas sucesivas:
Q=U A ∆T
Q/A=0.217 (20-0)
Q/A=4.33W/m²
Balance de energía
El balance de energía, es necesario para calcular el consumo energético que
se necesita en la elaboración de un producto y para controlar las pérdidas de
energía. Se calculan de la misma manera que el balance de materia; en el
sentido de interpretar que la cantidad de calor que entra es igual a la cantidad
de calor que sale más el calor acumulado en el producto.
Se tiene que para calentar o enfriar un producto lácteo (por ejemplo en la
pasterización de leche) la cantidad de energía que se necesita para la
operación viene dada por la siguiente ecuación:
Q=M C.p ∆Τ
En donde,
Q=trasmiión de calor en W,1watt equivale a 1julio/s
M=masa que fluye en Kg
∆Τ=diferencia de temperatura en el producto
C.p=Calor específico
Calentamiento de gasesEl aire es ampliamente utilizado en la industria láctea; especialmente en la
pulverización de leche. También es necesario purificarse el aire de las cámaras
de refrigeración o de las torres de secado o renovarse el aire de la fábrica y
todo esto supone un gasto energético. Para tal efecto se tiene en cuenta el C.p
del aire: 1.010J/Kg º
Producción de vaporEl vapor es la fuente de energía más utilizada en la industria lechera. Con él se
llevan a cabo las operaciones de lavado de cantinas, los procesos de
pasterización, esterilización, leches concentradas y en general varias de las
operaciones de la factoría.
El vapor resulta de la evaporación del agua cuando se le suministra calor. A
presión normal el punto de ebullición normal es de 100ºC y su calor latente de
vaporización es de 2.257Kilojulios/Kg[15]. Si a la misma presión se le añade
más calor la presión aumenta según el calor especifico del vapor y toda esa
energía queda disponible para los intercambios de calor que se dan en los
procesos tecnológicos.
Para generar vapor se utiliza la caldera; en donde, el vapor es generado
porque se da una transferencia de calor a presión constante, en el cual hay un
cambio de estado de líquido pasando a vapor. En el mercado hay varios tipos
de calderas de acuerdo a las temperaturas y presiones finales, tipo de energía
calorífica disponible y volumen de producción de vapor.
Las calderas pueden ser dependiendo de la circulación de agua y gases:
humotubulares en donde el agua circula por el exterior de los tubos y
acuotubulares; en donde el agua circula por el interior de los tubos. Lo
importante en las calderas es que estas produzcan vapor a presión constante y
seco y que también; los gases de salida sean lo más limpios posibles y con el
menor exceso de aire.
En cuanto al mantenimiento de la caldera, es importante verificar la calidad del
agua pues si se utilizan aguas duras puede provocar incrustaciones lo que
lleva a un desgaste del equipo en las paredes de la caldera
La capacidad de una caldera está determinada por la cantidad de agua que
puede evaporar y por la energía necesaria para realizar este trabajo. La unidad
internacional es el kilowatt que corresponde a la evaporación de 1.59Kg/h de
agua a 100ºC ó . La eficacia E de una caldera es la medida de la utilización de
la energía disponible en el combustible en relación a la cantidad de vapor
producido.
E= ((calor total de vapor)- (calor en el agua de alimentación))/(calor disponible
en la cantidad de combustible consumido)
Producción de frioLa refrigeración basa su fundamente en poner en contacto la sustancia a
refrigerar con una más fría pues la transferencia de calor se produce casi
siempre desde un cuerpo más caliente a otro que se encuentre frio ó más frio.
Para refrigerar se utiliza hielo e incluso se usa como unidad de medida por el
sistema imperial de medidas. En este sistema, la tonelada de refrigeración se
define como el enfriamiento que realiza una tonelada de hielo cuando funde a
0ºC durante 24 horasEn el sistema internacional la unidad de medida es el
kilowatt y se tiene que una (1) tonelada de refrigeración es igual a 3,517kW.
El banco de hielo puede operar de las siguientes formas:
1. Un fluido refrigerante circula dentro de la tubería de flujo de agua, al reducir
la temperatura se forma hielo en las paredes exteriores de los tubos. Una vez
que se activa la bomba del agua para que esta fluya por la tubería se produce
un choque térmico, la temperatura comparativamente más alta del agua que
fluye provoca el derretimiento del hielo formado en las paredes exteriores, lo
que da como resultado el enfriamiento del agua.
2. El agente refrigerante permanece estático y no se produce el derretimiento
del hielo ni el proceso de enfriamiento hasta que el agua comienza a circular
por la tubería.
Los agentes refrigerantes más utilizados son:
*Amoniaco: Es el refrigerante por excelencia, es el menos costoso. Sin
embargo es un producto bastante peligroso que requiere de vigilancia
permanente.
*Freón: Es más costoso que el amoniaco pero también es menos peligroso que
el amoniaco y el manejo no requiere de tanto cuidado.
*Propilen – glicol: Se caracteriza por tener un punto de fusión bajo y un punto
de ebullición alto. Es bastante utilizado cuando se van a enfriar alimentos que
se encuentran en cámaras de refrigeración y se aplica directamente al
alimento.
*Salmueras: Se utiliza una mezcla de agua y sal. Este refrigerante se utiliza en
la congelación de paletas de agua sin adición de leche y crema.
Cuando se desean establecer las necesidades de frio de los productos, es
necesario tener en cuenta las características de los mismos. En ese sentido, el
calor específico y la viscosidad del alimento influyen en el enfriamiento; como
también el extracto seco y la temperatura inicial del producto lácteo en este
caso. Al respecto; al disminuir la temperatura se tiene que la viscosidad
aumenta, los glóbulos grasos tienden a solidificarse lo que traduce por ejemplo,
en un intercambio de calor más lento además porque tiende a formarse una
película de materas sólidas sobre las paredes del intercambiador.
Elaboración de productos fermentados – YogurSegún la resolución 2310 de 1986 expedida por el Ministerio de Salud de la república de Colombia. El yogur se define como el producto lácteo coagulado, obtenido a través de fermentación láctica por la acción de las bacterias Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus los cuales deben ser abundantes y viables en el producto final.
El sustrato puede ser leche con o sin adición de aditivos como leche en polvo, suero en polvo, leche descremada en polvo. Los preparados de yogur contienen fruta, color y esencia de las mismas.
23.1 Descripción proceso de elaboración del yogur
23.1.1 Selección de leche
La leche debe cumplir con los requisitos descritos para elaboración de cultivos lácticos. Así también intervienen otros factores como:
- La concentración de sólidos totales debe ser alta (11.5 – 12%ST) puesto que mejoran la viscosidad y consistencia del producto, previenen la separación del suero, mejora el sabor y enmascara un poco la acidez.
23.1.2 Estandarización
La leche destinada a la producción de yogur debe ser estandarizada con el fin de controlar parámetros como sabor, viscosidad, textura, estabilidad y valor nutricional del producto final. En ese sentido, la leche debe estandarizarse en los sólidos totales (ST) entre 10 al 15% lo cual se logra con la adición de leche en polvo descremada o suero en polvo. Con esto se logra mejorar la consistencia y viscosidad del producto final. Aunque el % de MG va de acuerdo a la ficha técnica de producción de cada factoría; lo que comúnmente se observa es que él % de materia grasa de la leche empleada es estandarizada en un 3%.
La cantidad de leche en polvo que se debe adicionar para estandarizar los sólidos totales de la leche se calcula partiendo de la relación existente entre el extracto seco de la leche y la densidad de la misma, estableciendo una proporción con el peso específico deseado.
Ejemplo:
Se requiere que la leche destinada a la producción de yogur tenga 1.032Kg/l y La leche inicial tiene una densidad de 1.029Kg/l. La materia grasa de la leche es de 2.8%. Para alcanzar la densidad de 1.035 Kg/l debe añadiré leche en polvo. Calcular cuántos Kg. De leche en polvo deben adicionarse para aumentar a la densidad de 1.032Kg/l.
Para el cálculo del Extracto seco utilizamos la siguiente fórmula[1]:
Extracto seco: MG (5 * %MG + Densidad)
Extracto seco₁: Extracto seco para leche inicial con densidad de 1.030Kg/l
Extracto seco : Extracto₂ seco para leche inicial con densidad de 1.032Kg/l
Extracto seco₁: 0.28 (5*2.8 + 29)
Extracto seco₁: 12.04%
Extracto seco : 0.28 (5*2.8 + 32)₂
Extracto seco : 12.88%₂
Calculamos la diferencia entre los dos extractos secos:
Extracto seco -₂ Extracto seco₁ = 12.88 – 12.04% = 0.84%
Si el volumen de leche a procesar es de 5.000l:
Peso especifico de la leche inicial: 5.000l * 1.029 (Kg/l) = 5.145Kg.
Entonces se tiene:
Por cada 100kg de leche hay una diferencia de extracto seco de 0.84Kg
Para 5.145Kg de leche hay una x de extracto seco que se debe aumentar.
x=(5.145 Kg*0.84Kg)/100= 43.22Kg
Entonces hay que añadir 42Kg de leche en polvo para subir la densidad de la leche a 1.032Kg/l
23.1.3 Homogenización
La homogenización además de permitir la ruptura del glóbulo graso, hace que las micelas de caseína se rompan y se coloquen en la superficie del glóbulo graso lo cual aumenta la capacidad de ligado de agua mejorando la consistencia del producto. El fenómeno anterior se conoce como concentración aparente de la caseína[2].Según Spreer (1975) la homogenización debe hacerse a 58 – 60ºC y 150 – 200Kp/cm².
23.1.4 Tratamiento térmico
El tratamiento térmico permite eliminar la flora contaminante, libera aminoácidos al desnaturalizar la proteína que sirven de sustrato al inoculo utilizado. El tratamiento térmico que se emplea es comúnmente a temperaturas altas de 85 – 95ºC durante 30 minutos pues es recomendable que se dé una coagulación parcial de las proteínas lo que induce a una buena textura del producto final y una disminución en el riesgo de sinéresis; como también el efecto germicida es mayor así es que las cepas inoculadas a través del cultivo láctico no son inhibidas por cepas extrañas. La selección de la temperatura de y el tiempo de calentamiento, debe estar ligada entonces a controlar los dos factores mencionados anteriormente: reducción de carga microbiana indeseable y coagulación de la mayor cantidad de proteínas séricas y escasa precipitación de la caseína.
23.1.5 Inoculación
Después del tratamiento térmico la leche es enfriada a temperatura de 42ºC y se adiciona en proporción del 2 – 3% del cultivo láctico. En los cultivos REDISET D.V.S se adiciona el sobre que contiene el cultivo directamente sobre el tanque. Hasta hace algunos años el uso de cultivos industriales era generalizado en las pequeñas, medianas y grandes industrias. Sin embargo, en la actualidad el uso de cultivos REDISET D.V.S es el que más se utiliza por la disminución en riesgos de contaminación, aparición de fagos y la uniformidad en el producto final a lo largo de producciones sucesivas de esta línea de producción. En ese sentido, los laboratorios comerciales se han encargado de diseñar lotes de cultivos con variación de las cepas utilizadas de manera que se da una rotación de las mismas con el fin de evitar la presencia de bacteriófagos.
23.1.6 Fermentación
La leche una vez que se ha inoculado se somete a incubación a determinada temperatura y tiempo de incubación que para el caso del yogur es de 42ºC durante un tiempo que oscila entre las 3 a 4hr. La temperatura de incubación se mantiene constante con el fin de regular el proceso de fermentación acido láctica. En donde el principal producto que se obtiene es el ácido láctico y pequeñas cantidades de diacetilo y acetoína y ácidos volátiles como el ácido acético y fórmico que le dan aroma al yogur. El contenido de acidez de un yogur depende de las necesidades del mercado que tenga la empresa. Sin embargo, estos
valores están entre 0.80 – 0.95% de ácido láctico. Otro indicador que se emplea bastante es el pH; el cual es siempre el que corresponde a punto isoeléctrico de la caseína.
Una vez que haya finalizado el proceso de fermentación, hay rompimiento lento del coagulo formado y se inicia con el enfriamiento rápido del producto para frenar el desarrollo de los microorganismos y obviar el incremento excesivo de acidez posiblemente con separación de fases y formación de grumos. En ese sentido hay que revisar muy bien el tiempo que se demora en enfriar el producto y si las condiciones de enfriamiento son lentas hay que tratar de empezar a enfriar el yogur sin agitación (rompimiento de coagulo) antes de que se alcance el pH correspondiente al punto isoeléctrico de la caseína. Como agentes caloríficos para la incubación y refrigeración se utilizan el vapor, agua y en algunos casos aire.
En la siguiente grafica se observa el comportamiento de la curva de crecimiento que siguen los microorganismos y la curva de acidificación que se da durante la fermentación del yogur por los m.o inoculados:* L: distancia de separación de dos placas por las cuales atraviesa un líquido.
*La placa superior se mueve a una velocidad constante debido a una fuerza F.
*El esfuerzo (Ԏ) de corte es ejercido por la placa superior sobre el líquido.
Ԏ = F/A, en donde F es la fuerza y A es el área de la placa superior en donde se aplica la fuerza.
*La deformación (ᵞ) que se genera en el fluido está dada por el desplazamiento del material (x) y por el espaciamiento entre la placa superior e inferior (L). Entonces; y = x/L
23.1.7 Adición de aditivos
El yogur puede considerarse como la bebida láctea fermentada de mayor requerimiento en el mercado. Es así que la variedad de productos adicionados al yogur hacen que se tenga a disposición del consumidor una gran oferta de este producto. Al respecto se tiene que el yogur utiliza edulcorantes que atenúan el sabor ácido como la sacarosa (azúcar comercial) que es adicionada al inicio del tratamiento térmico con el fin de eliminar la posible carga de mohos y levaduras susceptibles de encontrar en este alimento. La adición de azúcar, aumenta la presión osmótica dentro de la leche y retarda un poco el desarrollo del cultivo. Para productos dietéticos se utiliza la sacarina.
Al yogur es común adicionar frutos, colorantes y esencias con el fin de ampliar la diversidad de sabores de un mismo producto. Los sabores que más predominan en el medio son fresa, mora, melocotón, guanábana, y piña aunque el mercado ofrece una variedad de sabores y presentaciones al consumidor. En cuanto a este tema, es importante destacar que la tecnología ha avanzado y en este caso se menciona que anteriormente, los preparados de frutas, colorantes y esencias se adicionaban por lotes de sabor después del rompimiento del coagulo y enfriamiento lo que trae consigo bastante riesgo de contaminación por manipulación excesiva de estos preparados y del yogur base. En la actualidad los volúmenes de producción de yogur han aumentado y se preparan por baches aun en la marmita de producción sin que haya demasiada manipulación pues de la marmita pasa directamente a la sección de empaque.
23.1.8 Empaque
Una vez que el yogur ha sido preparado con los diferentes sabores se empaca según la presentación comercial en garrafas o vaso termo formado con foil de aluminio. Aunque es de aclarar que hay un tipo de yogur en donde la fermentación se realiza directamente en el empaque y es el yogur aflanado que se menciona más adelante.
La conservación del yogur empacado debe hacerse a 4ºC hasta antes de consumo pues disminuye la posibilidad de que se incremente la acidez y mantiene la estabilidad del producto final.
23.2 Clasificación del yogur según su proceso de elaboración
De acuerdo al proceso de elaboración el yogur recibe diversos nombres:
*Yogur aflanado: la leche es fermentada directamente sobre en empaque y no hay rompimiento de coagulo.
*Yogur agitado: El coagulo es roto una vez acaba el tiempo de incubación, luego se agita y posteriormente se envasa y se refrigera de manera lenta para recuperar la textura viscosa.
*Yogur líquido: El coagulo es roto una vez acaba el tiempo de incubación, se homogeniza y se refrigera inmediatamente antes del envasado. Su consistencia se mantiene líquida.
En el siguiente esquema se muestra el diagrama de flujo para la producción de yogur:Figura 65. Esquema diagrama de flujo elaboración de yogur
Fuente: Adaptado de Almanza, F., Barrera, E. (1991). Tecnología de leches y derivados. Unisur. Santa Fe de Bogotá. (Colombia).
23.3 Defectos que pueden presentarse en el yogur
En la producción de yogur pueden darse algunos defectos en el producto final que afectan especialmente el sabor, aroma, textura, viscosidad y la presentación inadecuada del producto final como la sinéresis o separación de fases. A continuación se presentan las fallas más comunes que se presentan y la causa de ellas:
Tabla 19. Defectos del yogur
Fuente: Adaptado de Almanza, F., Barrera, E. (1991). Tecnología de leches y derivados. Unisur. Santa Fe de Bogotá. (Colombia). Página 110 – 114.
Defectos del yogur
Defecto Causa
Separación de suero
Tº altas de inoculación
Tiempos prolongados de incubación
Bajo contenido de sólidos
Agitación inadecuada del coagulo
Acumulación de crema Ausencia o insuficiente homogenización
Agua condensada en el interior de la tapa del envase
Variación en la temperatura y presión de aire en el empaque
Olores y sabores no propios
Amargo
Almacenamiento prolongado del yogur, alta actividad proteolítica de los cultivos, crecimiento de m.o contaminantes
Forraje Deficiencias en calidad de leche cruda
Quemado o cocido severo tratamiento térmico de la leche
Sabor u olor a fruta contaminación por levaduras
Falta de aromacorto tiempo de incubación, baja temperatura de incubación, bajos sólidos totales en la leche
Harinoso, pegajoso Adición excesiva de leche en polvo
Rancidez Degradación de grasa por contaminación
Sabor a queso Contaminación por m.o proteolíticos
Sabor oxidado Exposición prolongada a la luz
Yogur muy dulce Adición excesiva de azúcar
Alta acidez Tiempo prolongado de incubación
Baja acidez Presencia de inhibidores en la leche
Defectos en consistencia y viscosidad
Suavidad anormal Tratamiento térmico excesivo a la fruta
Yogur blandoBajo contenido de proteína, batido excesivo o antes de formación completa del coagulo
Grietas, hendiduras Batido mecánico inadecuado
ArenosidadSevero calentamiento de la leche, exceso de leche en polvo,
Viscosidad anormal Contaminación del cultivo, baja temperatura de incubación
Gomoso, pegajosoFallas en los estabilizantes utilizados: altas cantidades, adición inadecuada de los mismos
Yogur líquido anormal
Bajo contenido de sólidos, fuerte batido del coagulo, refrigeración insuficiente, corto tiempo de almacenamiento en frio, cultivos de baja producción de viscosidad.
