INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERRIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“
CONTROL DE TEMPERATURA EN EL PROCESO DE
ULTRAPASTEURIZACIÓN DE LA LECHE
”
T E S I S
Q U E P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E : INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
P R E S E N T A N
RICARDO DANIEL MARTÍNEZ COLÍN
RAFAEL CARMONA GARCÍA
ASESORES
DR. ISRAEL ALVAREZ VILLALOBOS
DR. FLORENCIO SANCHEZ SILVA
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION
POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA
y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR
C. RICARDO DANIEL MARTÍNEZ COLÍN C. RAFAEL CARMONA GARCÍA
"CONTROL DE TEMPERATURA EN EL PROCESO DE ULTRAPASTEURIZACIÓN DE LA LECHE"
DISEÑAR UN LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA DE LA LECHE Y SINTONIZAR LOS CONTROLADORES INVOLUCRADOS EN LAS ETAPAS DE PRECALENTAMIENTO y CALENTAMIENTO DEL PROCESO DE ULTRAPASTEURIZACIÓN (UHT) UBICADO EN LAS INSTALACIONES DE LA EMPRESA LICONSA GERENCIA DEL SUR.
.:. CONTROL DE TEMPERATURA EN LA INDUSTRIA LECHERA. •:. PROCESO UHT, LICONSA GERENCIA DEL SUR.
.:. DISEÑO DE LAZOS DE CONTROL Y SINTONIZACIÓN DE LOS CONTROLADORES. •:. ESTUDIO ECONÓMICO.
•:. CONCLUSIOES y TRABAJO FUTURO.
MÉXICO D. F., A 26 DE ABRIL DE 2012.
RELACIÓN DE FIGURAS ... i
RELACIÓN DE TABLAS ... ii
NOMENCLATURA ... iv
RESUMEN ... v
INTRODUCCIÓN ... vii
OBJETIVO ... viiii
CAPÍTULO I “CONTROL DE TEMPERATURA EN LA INDUSTRIA LÁCTEA” ... 1
1.1 Características y propiedades de la leche ... 2
1.2 Problemas en la calidad de la leche ... 4
1.3 Tipos de tratamientos térmicos ... 6
1.4 Plantas de tratamiento UHT ... 10
1.5 Control de temperatura en el proceso de Ultrapasteurización de la leche ... 12
CAPÍTULO II “PROCESO UHT, LICONSA GERENCIA DEL SUR” ... 20
2.1 Proceso de ultrapasteurización de la leche UHT del tipo indirecto. ... 21
2.2 Problema en el proceso UHT del tipo indirecto, Liconsa Gerencia del Sur ... 25
2.3 Condiciones de la planta UHT, Liconsa Gerencia del Sur ... 27
2.4 Solución propuesta ... 38
CAPÍTULO III “DISEÑO DE LAZOS DE CONTROL Y SINTONIZACIÓN DE LOS CONTROLADORES” .... 40
3.1 Balance de materia y energía ... 41
3.2 Obtención de las funciones de transferencia ... 45
3.3 Lazos de Control y Simulación en lazo abierto ... 48
3.4 Sintonización de los lazos de control ... 56
CAPITULO IV
“ESTUDIO ECONÓMICO” ... 68
4.1 Programación de Tareas realizadas ... 69
4.2 Presupuesto ... 70
4.3) Análisis de Factibilidad... 72
CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ... 74
REFERENCIAS ... 77
APÉNDICE A “PERFILES DE TEMPERATURA DE LA LECHE” ... 80
APÉNDICE B “CURVAS DE REACCIÓN” ... 83
APÉNDICE C “ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA DE CALOR” ... 85
RELACIÓN DE FIGURAS
Figura 1.1 Efecto letal de tratamientos térmicos sobre las bacterias. 5 Figura 1.2 Efecto destructivo sobre todos los agentes que afectan la calidad de
la leche. 7
Figura 1.3 Tipos de envasadores asépticos. 10 Figura 1.4 Equipos utilizados en la UTH y su etapa de precalentamiento. 12 Figura 1.5 Respuesta de primer orden a la señal escalón. 14 Figura 1.6 Proceso controlado. 14 Figura 1.7 Configuraciones de controladores en compensación de sistemas de
control. 16
Figura 2.1 Deodorizador. 23 Figura 2.2 Glóbulos de grasa. 23 Figura 2.3 Diagrama de bloques del proceso. 24 Figura 2.4 Perfil de Temperatura del Producto. 25 Figura 2.5 Intercambiador de calor tubular. 27 Figura 2.6 Intercambiador de Placas. 28 Figura 2.7 Bomba sanitaria. 29 Figura 2.8 Secciones del Intercambiador de Calor Tubular. 36 Figura 3.1 Esquema correspondiente a las corrientes de los fluidos caliente y
frío. 40
Figura 3.2 Comportamiento de la temperatura de la leche cruda en la etapa de precalentamiento.
45 Figura 3.3 Comportamiento de la temperatura del agua en el intercambiador de
placas. 46
Figura 3.4 Simulación de la etapa de precalentamiento en lazo abierto (LA). 48 Figura 3.5 Respuesta de la etapa de precalentamiento de la leche en lazo
abierto (LA). 49 Figura 3.6 Simulación de la etapa de precalentamiento en lazo cerrado (LC). 50 Figura 3.7 Diagrama de bloques de la etapa de calentamiento fases 1, 2 y 3 en
lazo abierto (LA).
51 Figura 3.8 Respuesta de las fase 2 del calentamiento de la leche en lazo abierto
(LA).
52 Figura 3.9 Diagrama de bloques fase 2 del calentamiento en lazo cerrado (LC). 53 Figura 3.10 Diagrama de bloques fase 5 del calentamiento en lazo abierto (LA). 54 Figura 3.11 Respuesta de la fase 5 del calentamiento de la leche en lazo abierto
(LA).
54 Figura 3.12 Diagrama de bloques fase 5 del calentamiento en lazo cerrado (LC). 55 Figura 3.13 Etapa de precalentamiento, P vs PI vs PID. Etapa de
precalentamiento, P vs PI vs PID.
57 Figura 3.14 Etapa de enfriamiento fase 1, P vs PI vs PID. 58 Figura 3.15 Etapa de calentamiento fase 2, P vs PI vs PID. 59 Figura 3.16 Etapa de calentamiento fase 4, P vs PI vs PID. 60 Figura 3.17 Respuesta ante perturbaciones en la temperatura de la leche etapa de
calentamiento en su fase 2, P vs PI vs PID.
Figura 3.19 Respuesta ante perturbaciones en la temperatura de la leche, etapa de calentamiento en su fase 4, P vs PI vs PID.
63 Figura 4.1 Panel de control. 71 Figura A.1 Comportamiento de la temperatura de la leche cruda en la etapa de
precalentamiento.
80 Figura A.2 Comportamiento de la temperatura de la leche cruda en la etapa de
calentamiento fase 1. 80 Figura A.3 Comportamiento de la temperatura de la leche cruda en la etapa de
calentamiento fase 2. 81
Figura A.4 Comportamiento de la temperatura de la leche cruda en la etapa de calentamiento fase 3. 81 Figura A.5 Comportamiento de la temperatura de la leche cruda en la etapa de
calentamiento fase 4.
82 Figura A.6 Comportamiento de la temperatura de la leche estéril en la etapa de
enfriamiento fase 1.
82 Figura B.1 Curva de reacción en lazo abierto etapa de precalentamiento. 83 Figura B.2 Curva de reacción en lazo abierto etapa de calentamiento fase 2. 83 Figura B.3 Curva de reacción en lazo abierto etapa de calentamiento fase 4. 84
RELACIÓN DE TABLAS
Tabla 1.1 Concentración de las proteínas en la leche de vaca. 2 Tabla 1.2 Vitaminas de la leche y necesidades diarias. 3 Tabla 1.3 Enfermedades provocadas por la carencia de las diferentes
vitaminas.
3 Tabla 1.4 Composición de la leche procedente de diferentes especies de
mamíferos.
3 Tabla 1.5 Principales categorías de tratamientos térmicos en la industria
lechera.
6 Tabla 1.6 Efecto de las ganancias P, I y D sobre la respuesta del proceso. 17 Tabla 1.7 Ecuaciones de Sintonización (Integración mínima). 18 Tabla 2.1 Valores establecidos para la leche. 21 Tabla 2.2 Cantidad de tubos y características. 28 Tabla 2.3 Características del vapor. 29 Tabla 2.4 Características del agua. 30 Tabla 2.5 Identificación de Elementos en las etapas de Precalentamiento,
Calentamiento y Enfriamiento.
30 Tabla 2.6 Características de los Instrumentos de Campo. 34 Tabla 2.7 Elementos finales de Control. 36 Tabla 3.1 Balance de energía para las secciones 1 a la 6. 41 Tabla 3.2 Tiempo de residencia por sección. 42 Tabla 3.3 Balance de materia por sección. 43 Tabla 3.4 Parámetros de las etapas de precalentamiento y
calentamiento.
Tabla 3.5 Parámetros del criterio IAET. 47 Tabla 3.6 Parámetros τ, K y to de la curva de reacción. 56
Tabla 3.7 a Parámetros del controlador P. 56 Tabla 3.7 b Parámetros del controlador PI. 56 Tabla 3.7 c Parámetros del controlador PID. 56 Tabla 3.7 Atributos de las respuestas en lazo cerrado de los controladores
TC99, TC05, TC46 y TC44.
59 Tabla 3.8 Respuestas en lazo cerrado de los controladores TC99, TC05, TC46
y TC44 ante perturbaciones en la temperatura de la leche.
NOMENCLATURA
a
A área, m
2
Amplitud del escalón, ºC
Capacidad calorífica, kcal/(kg ºC) K Ganancia estática, adimensional KA Estado estacionario, adimensional Kp Ganancia de proceso
m
m’ Masa, kg pendiente, adimensional
Flujo másico, kg/h P Presión, bar
Flujo de calor, kcal/h T Temperatura, ºC t Tiempo, s o h
t1 Tiempo donde se alcanza el 28.3% del valor del estado estacionario, s t2 Tiempo donde se alcanza el 63.2% del valor del estado estacionario, s
Tiempo de retar del sistema, s V Volumen, l
Flujo volumétrico, l/h
Valor correspondiente al nuevo estado estacionario
Valor del estado estacionario inicial
[n] Número de referencia.
SÍMBOLOS GRIEGOS
Δ Diferencia, ºC
ρ Densidad, kg/l
τ Constante de tiempo, s
SUBÍNDICES
1 Entrada 2 Salida i Inicial f Final
RESUMEN
El presente trabajo contiene los problemas acerca del proceso de ultrapasteurización de la leche blanca, al realizar una sintonización inadecuada de los controladores responsables del control de temperatura de la leche en las etapas de precalentamiento y calentamiento. A partir del proceso de la ultrapasteurización UHT efectuado en las instalaciones de la empresa Liconsa Tlahuac, se realizó la selección del tipo de control correspondiente a los lazos de las etapas de precalentamiento y calentamiento, en función de las características de los equipos y los intervalos de operación para cada paso del proceso en estas dos etapas. Para realizar la selección entre los tipos de control Proporcional, Proporcional-Integral y Proporcional-Integral-Derivativo y conocer cuál es el conveniente para el proceso en las etapas de precalentamiento y calentamiento, como primer paso se estudiaron las características del intercambiador de calor, identificando el comportamiento de la temperatura de la leche en cada una de sus secciones con el propósito de identificar la función de transferencia que modele dicho comportamiento.
A partir de la identificación de los puntos de medición de la temperatura en estas etapas, se estructuro los lazos de control en base a la variable manipulada y la variable controlada. Con los datos de proceso y los balances de energía realizados de cada sección participante en estas etapas, se obtuvieron los tiempos de residencia y a su vez de ellos y del intervalo de operación se obtuvieron los parámetros K, to y τ de las funciones de transferencia
implementando el método estadístico de Ziegler-Nichols.
A partir de los lazos estructurados con las funciones de transferencia en su forma de diagrama de bloques con el software Simulink, se obtuvieron las curvas de reacción en lazo abierto ante el cambio del 20% en el valor de la señal escalón, de tal forma de identificar nuevamente con el método de Ziegler-Nichols los parámetros K, to y τ correspondientes a
dicho aumento en la señal.
Utilizando el criterio IAET (Integral del error absoluto ponderado en el tiempo), se sintonizaron los controladores propuestos P, PI y PID, de tal manera que se compararon las respuestas arrojadas de cada uno de ellos entre sí.
En la selección del tipo de controlador se consideraron dos puntos, el primero fue la respuesta inicial de la temperatura, y la segunda fue la compensación ante perturbaciones en la temperatura inicial de la leche y en la temperatura del medio de calentamiento.
INTRODUCCIÓN
La industria láctea es una de las más importantes dentro del ramo alimenticio debido a la elaboración de productos básicos en la dieta de los mexicanos. El principal producto es la leche blanca. La leche es elaborada en distintas modalidades dependiendo de las concentraciones de los componentes de la misma; sin embargo en cuanto a la durabilidad se dividen en dos categorías, los productos que necesitan refrigeración en su almacenado y los que no requieren temperaturas bajas para su conservación (leche de larga duración).
Este trabajo se basó en las instalaciones de la empresa Liconsa Gerencia del Sur ubicada en Tlahuac, en la cual existen problemas en la calidad de la leche producida dentro del proceso de Ultrapasteurización UHT (Temperatura Ultra Alta) para la elaboración de leche de larga duración. El problema consiste en no obtener un producto con los 6 meses de vida de anaquel que debería proveer el tratamiento térmico de ultrapasteurización.
La raíz de este problema proviene de la mala sintonización de los controladores PI responsables de mantener la temperatura en los intervalos de operación. En este trabajo se realizará la simulación de los lazos de control de las etapas de precalentamiento y calentamiento, correspondientes a la producción de leche blanca entera. Para ello se dividió el trabajo presentado en cuatro capítulos.
En el Capítulo I se explican los problemas existentes en la calidad de la leche al no alcanzar las temperaturas que aseguran el exterminio de microorganismos patógenos, así como los distintos tratamientos térmicos utilizados en la industria lechera. Además describe las distintas plantas para el tratamiento UHT, enlistando los equipos utilizados en los dos tipos de transferencia de calor, enfocándose a las etapas de precalentamiento y calentamiento. De igual forma se describe la metodología en el diseño del control de la temperatura.
En el Capítulo II se describe el proceso de la ultrapasteurización UHT, mencionando las capacidades de los equipos utilizados en la empresa Liconsa Gerencia del Sur y los intervalos de operación a los cuales trabaja la temperatura en cada una de las etapas del proceso, mostrando así el diagrama de flujo. Además de las condiciones de los equipos, instrumentos y lazos de control involucrados en las etapas de precalentamiento y calentamiento en base al DTI del proceso. Al final de este capítulo se describirá la solución propuesta ante el problema identificado.
OBJETIVO
CAPÍTULO I
“CONTROL DE TEMPERATURA EN
1.1 Características y propiedades de la leche
Debido a sus características, la leche es el único alimento consumido durante el primer periodo de la vida de los mamíferos que cubre los requerimientos alimenticios básicos, ya que las sustancias de la leche proveen la energía necesaria y los materiales estructurales, fundamentales para el crecimiento durante esta etapa tan importante de estos seres vivos, entre ellos, el ser humano. Dentro de las sustancias constitutivas de la leche se encuentran proteínas, vitaminas y minerales. Cada una de ellas brinda distintas bondades que se describirán a continuación.
Las proteínas que contiene la leche al ser ingeridas y descompuestas en productos más simples por el sistema digestivo, son transportadas hasta las células donde forman parte de la construcción de las propias proteínas constituyentes del ser humano. Existe una gran diversidad de proteínas que constituyen a la leche, muchas de ellas contenidas en pequeñas proporciones, teniendo la clasificación que se muestra en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1: Concentración de las proteínas en la leche de vaca [1].
Concentración
en la leche % de proteína total
g/kg (p/p)
Caseína
α s1-caseina 10 30.6
α s2-caseina 2.6 8
β-caseína 10.1 30.8
κ-caseína 3.3 10.1
Total de caseína 26 79.5
Seroproteinas
α-lacto albúmina 1.2 3.7
β-lacto globulina 3.2 9.8
Albúmina del suero sanguíneo 0.4 1.2
Inmunoglobulinas 0.7 2.1
Otras 0.8 2.4
Total de Seroproteinas 6.3 19.3
Proteinas de la membrana del
glóbulo de grasa 0.4 1.2
Proteina total 32.7 100
Tabla 1.2: Vitaminas de la leche y necesidades diarias [1].
Vitamina Cantidad en 1l de leche, mg Necesidad diarias de un adulto, mg
A 0.2-2 1-2
B1 0.4 1-2
B2 1.7 1-4
C 5-20 30-100
D 0.002 0.01
Cada vitamina fortalece distintas funciones del cuerpo humano, y cuando no se consume las porciones mínimas requeridas, el cuerpo humano se hace propenso a la adquisición de distintas enfermedades (Tabla 1.3).
Tabla 1.3: Enfermedades provocadas por la carencia de las diferentes vitaminas [1].
Carencia de
Vitamina Enfermedad referente
A Ceguera nocturna, menor resistencia a enfermedades infecciosas
B1 Crecimiento lento
B2 Pérdida de apetito, indigestión
C Fatiga, piorrea, susceptibilidad a infecciones (escorbuto)
D Deformaciones del esqueleto (raquitismo)
Como último elemento están los minerales, cuya concentración en la leche es menor al 1%. Este porcentaje contiene calcio, potasio, sodio y magnesio, en forma de fosfatos, cloruros, citratos y caseinatos que son los responsables de la fortificación del sistema óseo del cuerpo humano.
En conjunto todas estas sustancias son esenciales para el desarrollo físico y mental del ser humano. El consumo de leche cotidiano que tiene una persona, hace que la demanda de este alimento sea de una gran magnitud, es por ello que el ser humano por sí mismo, no alcanza a cubrir esta cantidad de leche, por lo cual ha recurrido a la producción de leche extraída de diferentes animales como son: cabras, ovejas y vacas. Cada uno de estos animales produce leche con las mismas sustancias, sin embargo se presentan en distintos porcentajes (Tabla 1.4).
Tabla 1.4: Composición de la leche procedente de diferentes especies de mamíferos [1].
Especie Proteína total Caseína Seroproteina Grasa Carbohidratos Cenizas
% % % % % %
Humana 1.2 0.5 0.7 3.8 7 0.2
Vaca 3.5 2.8 0.7 3.7 4.8 0.7
Cabra 3.6 2.7 0.9 4.1 4.7 0.8
Como se observa en la Tabla 1.4, la leche de vaca tiene una composición más equilibrada que las demás, es por ello que esta especie de animal, es la fuente primaria de este alimento tan importante en la dieta del ser humano.
Por otro lado, la leche de vaca no puede ser consumida directamente por el hombre después de la ordeña, ya que debe de pasar por un proceso de tratamiento que la purifique y evite la generación de microorganismos debido a las características de la leche. Este proceso es necesario, para tener una leche de calidad adecuada para el consumo diario, y que no signifique una fuente de infección por las condiciones a las que se expone. A continuación se muestra los problemas en la producción de la leche y las primeras soluciones de los mismos.
1.2 Problemas en la calidad de la leche
Existen microorganismos patógenos en la leche los cuales afectan su calidad y el tiempo de duración permisible para su consumo, dando como resultado ineficiencias en las propiedades nutricionales de la leche por las cuales forma parte de la dieta de la mayor parte de la población en México y en el mundo. Como solución a estos problemas, se desarrollaron una serie de tratamientos térmicos con distintas especificaciones durante su realización, pero partiendo de un mismo modelo de proceso.
A finales del siglo XIX el tratamiento térmico a la leche ya era un hecho habitual, sin embargo estaba enfocado para conseguir otros productos derivados como el queso y la mantequilla, y no para detener el crecimiento bacteriológico en la leche, y menos se empleaban estos tratamientos para obtener una leche de larga duración.
En un principio, antes de la introducción de los tratamientos térmicos, la leche significaba una fuente de infecciones, debido a que es un medio perfecto para la reproducción de bacterias, enzimas, y otros microorganismos que dan paso a enfermedades como tuberculosis y tifus.[1]
El primer tratamiento térmico que se le realizo a la leche se llamó “pasteurización” en
quemado, diferente olor y color al habitual, o la supervivencia de bacilos B.T. en la leche [1].
Otro elemento que afecta las propiedades de la leche y da paso a graves enfermedades, es la formación de la enzima fosfatasa presente en la leche cruda. Este tipo de enzima es destruida mediante la pasteurización haciendo una combinación de tiempo-temperatura en su tratamiento. Esta combinación es la exposición de la leche a 63 ºC durante 30 min, lo que asegura la eliminación de todos los patógenos de la leche, puesto que destruye al bacilo B.T., que es el microorganismo más resistente al tratamiento térmico [1].
La combinación de tiempo y temperatura se debe de manejar cuidadosamente, ya que de ello dependerá el éxito del tratamiento. En la Figura 1.1 se muestra el comportamiento de los principales patógenos que afectan la calidad de la leche, como son el bacilo de la tuberculosis, las baterías de tifus y coliformes.
Como se observa, la gráfica indica las distintas combinaciones posibles para eliminar a los microorganismos, por ejemplo, se debe de mantener a la leche a una temperatura de 70 ºC en un lapso de 20 s para destruir el bacilo de la tuberculosis, o exponerla a 65 ºC por 2 min
y así eliminar el mismo tipo de patógeno. El eje de tiempo (‘Y’) no tiene un
comportamiento lineal, sin embargo, para efectos de comparación en el comportamiento de reproducción de los microorganismos se elaboró de esta manera.
Existen otros elementos que afectan a la leche en características como el sabor, olor, color y tiempo de vida, estos microorganismos en el pasado, no eran tomados en cuenta, por lo que no existía un tratamiento especial que permitiera combatirlos. En la actualidad se han desarrollado variantes de tratamientos térmicos, los cuales son de mayor intensidad que los utilizados en la eliminación de los patógenos de la leche, que permiten una vida de anaquel sin cambiar en grandes proporciones las demás características físico-químicas de la leche [1].
Este tipo de tratamientos especializados fueron concebidos al tener el problema de los tiempos cada vez más prolongados entre las entregas del producto, que significan la disposición para el desarrollo y multiplicación de encimas y microorganismos, a pesar de las técnicas modernas de enfriamiento. Son por estas razones, que se debe de llevar a cabo los tratamientos térmicos de forma adecuada para la solución de este tipo de problemas que afectan la calidad de los productos lácteos. Para lograr un tratamiento térmico eficiente, se debe de considerar la clasificación en la que se dividen, tomando en cuenta el intervalo de temperatura manejado y el tiempo de duración, ya que así se tendrá el intervalo de control de dichas variables que permitan la conservación de las características de la leche.
1.3 Tipos de tratamientos térmicos
A partir de los efectos que tienen los tratamientos desde la perspectiva microbiológica, se dividen en distintos procesos de acuerdo a las combinaciones existentes de tiempo-temperatura. La Tabla 1.5 muestra los intervalos de tiempo contra la temperatura expuesta al producto, en los cuales operan cada uno de los tratamientos:
Tabla 1.5: Principales categorías de tratamientos térmicos en la industria lechera [1].
Proceso Temperatura Tiempo
Termización (63-65) ºC 15 s
Pasteurización LTLT 63 ºC 30 min
Pasteurización HTST (72-75) ºC (15-20) s
Ultra pasteurización (125-138) ºC (2-4) s
Esterilización UHT (135-140) ºC (4-7) s
Esterilización en el envase (115-120) ºC (20-30) min
A continuación se describirá en qué consiste cada uno de estos tratamientos que se llevan a cabo en diferentes etapas del procesado de la leche y sus principales diferencias.
1.3.1 Termización
En ocasiones debido a los tiempos prolongados de recepción de la leche y la capacidad reducida de las plantas para procesarla, existen silos de almacenado a temperatura baja; sin embargo, esto no asegura la detención del crecimiento bacteriológico. La Termización soluciona este problema. Este tratamiento consiste en la elevación de la temperatura de la leche en un intervalo de 63 ºC a 65 ºC durante un periodo de 15 s y enfriada rápidamente a 4 ºC.
Se debe de controlar adecuadamente el tiempo del tratamiento, ya que al exponerla a un tiempo prolongado representa la pérdida de las propiedades nutricionales de la leche. Toda la leche se debe de procesar dentro de 24 horas desde su recepción, la Termización solo se lleva a cabo en casos excepcionales.
1.3.2 Pasteurización
La pasteurización se divide en dos categorías:
Pasteurización LTLT (Temperatura Baja-Tiempo Largo): de sus siglas en inglés
“Low Temperatura, Long Time”, caracterizada por un tiempo de 30 min a una
exposición de 63 ºC.
Pasteurización HTST (Temperatura Alta-Tiempo Corto): de sus siglas en ingles
“High Temperatura, Short Time”, se maneja a un intervalo de 72 ºC a 75 ºC con un
tiempo de mantenimiento de 15 s a 20 s, seguida de un enfriamiento.
Los efectos que tiene la pasteurización en los agentes microbiológicos que afectan la calidad de la leche se muestran en la Figura 1.2.
Figura 1.2: Efecto destructivo sobre todos los agentes que afectan la calidad de la leche.
1.3.3 Ultrapasteurización
Este tratamiento térmico permite que la leche conserve sus propiedades (físico-químicas) alrededor de 3 meses. La Ultrapasteurización consiste en el calentamiento de la leche a un intervalo de 125 ºC a 138 ºC durante un periodo de 2 s a 4 s, seguido de su enfriamiento inmediato a menos de 7 ºC.
1.3.4 Tratamiento UHT
En muchos lugares de consumo, no se cuenta con un equipo de refrigeración que permita al producto pasteurizado o ultrapasteurizado, una buena eficiencia de los efectos en la conservación de la calidad de la leche. Es por ello que a partir del proceso de ultrapasteurización se desarrolló el tratamiento UHT, obteniendo 3 meses adicionales en la conservación de la leche en anaquel.
De sus siglas en inglés “Ultra High Temperature” (ultrapasteurización a temperatura ultra
alta), consiste en una sucesión rápida entre el calentamiento de la leche a una temperatura que varía entre 135 ºC y 140 ºC, y su enfriamiento a 4 ºC. La aplicación del tratamiento UHT no se limita solo a la industria lechera, se extiende dentro de toda la industria alimenticia, teniendo los siguientes productos:
Leche líquida y recombinada. Leche concentrada.
Natas. Batidos.
Productos lácteos fermentados. Bebidas a base de lacto suero. Helados de crema.
Postres.
Bebidas ricas en proteínas. Bebidas de soya.
Alimentos infantiles. Zumos vegetales y frutales. Bebidas tales como café y té.
Recubrimientos y base de grasas vegetales. Sopas.
Salsas. Purés.
Condimentos.
Soluciones nutritivas.
etapa de precalentamiento. En secciones posteriores se describirá a fondo este proceso, describiendo los equipos empleados y la conexión entre los mismos, además de las capacidades y variables a controlar para alcanzar las condiciones óptimas de operación del tratamiento.
1.3.5 Esterilización
Se encuentra en la última etapa del procesado de los productos lácteos. Una vez pasada la normalización de la grasa, homogenización y demás etapas, la leche es envasada normalmente en botellas de plástico o vidrio, a una temperatura que oscila entre 115 ºC y 120 ºC en un tiempo de 20 min a 30 min [2]. La esterilización se lleva a cabo mediante el empleo de los siguientes equipos:
Esterilizador vertical: Consiste básicamente en una cámara central que se mantiene a temperatura de esterilización por medio de vapor a presión, y es equilibrada respecto a los lados de entrada y salida por medio de columnas de agua, que proporcionan la presión interior equivalente (Figura 1.3 a).
Esterilizador horizontal: Consiste en una válvula rotatoria accionada mecánicamente, a través de la cual pasan los envases llenos de leche hasta una zona de presión y temperatura alta (Figura 1.3 b).
a) Esterilizador continuo vertical para botellas.
1. Primera etapa del calentamiento.
2. Sello de agua y segunda etapa de calentamiento. 3. Tercera etapa de calentamiento.
4. Etapa de esterilización. 5. Primera etapa de enfriamiento. 6. Segunda etapa de enfriamiento. 7. Tercera etapa de enfriamiento. 8. Cuarta etapa de enfriamiento. 9. Etapa final de enfriamiento. 10. Tambores superiores de arrastre.
Zona roja: Vapor
b) Esterilizador horizontal con cierre de válvula rotatoria y sistema de presurización positiva.
1. Carga automática de botellas o latas. 2. Válvula rotatoria.
3. Área de esterilización. 4. Ventilador.
5. Área de prenfriamiento.
6. Enfriamiento final a presión atmosférica. 7. Descarga de la cadena transportadora.
Figura 1.3: Tipos de envasadores asépticos
1.4 Plantas de tratamiento UHT
Las plantas de UHT se clasifican dependiendo del equipo de transferencia de calor que se utilicen. A continuación se enlistan los equipos utilizados en cada categoría correspondiente al tratamiento de UHT:
a) Tratamientos directos: el medio de calentamiento entra en contacto con el producto, los sistemas de transferencia se dividen en:
Inyección de vapor con intercambiador de calor de placas. Inyección de vapor con intercambiador de calor tubular. Infusión de vapor con intercambiador de calor de placas. Infusión de vapor con intercambiador de calor tubular.
Nota: El primer equipo corresponde a la UHT y el segundo a su etapa de precalentamiento.
b) Tratamiento indirecto: existe una pared (tubular o placas) entre el medio de calentamiento y el producto, estos sistemas son
Intercambiadores de calor de placas Intercambiadores de calor tubulares
Intercambiadores de calor de superficie roscada
Los equipos utilizados en las distintas clasificaciones del tratamiento de UHT se muestran en la Figura 1.4. Estos equipos también son utilizados en los tratamientos térmicos de Termización, pasteurización y ultra-pasteurización; siendo el intercambiador de calor de placas el equipo comúnmente utilizado, debido a la fácil modificación de su capacidad de trabajo.
a) Cabezal de inyección de vapor. b) Cámara de infusión.
e) Intercambiador de calor de placas.
Zona roja: Elemento calentador.
Zona azul: Elemento calentado.
Figura 1.4: Equipos utilizados en la UTH y su etapa de precalentamiento.
1.5 Control de temperatura en el proceso de Ultrapasteurización de la leche
En cualquiera de los procesos térmicos efectuados en la industria láctea, la variable crítica corresponde a la temperatura del producto, para lograr que esta se encuentre dentro de los valores permisibles de operación se debe de tener un lazo de control que efectué la corrección de la desviación en la temperatura debido a una perturbación o a las diferentes condiciones que presente esta variable en el producto. Para ello se requiere el diseño del algoritmo de control, el cual consiste en tres pasos:
1) Determinar que debe de realizar el sistema y cómo debe de hacerlo (especificaciones de diseño).
2) Determinar la configuración del compensador o controlador, de acuerdo a la configuración existente en la conexión entre los elementos que conforman al lazo de control.
1.5.1 Especificaciones de control
Se refieren a las características que debe de cumplir la respuesta del proceso, siendo únicas para cada aplicación individual; dentro de estas características se incluyen las siguientes especificaciones [5]:
Estabilidad relativa: Es la medida del grado de estabilidad del sistema, de tal manera que expresa que tan estable es el sistema a estudiar.
Error en estado estable: Es la desviación permanente de la respuesta con respecto al punto de condigna.
Respuesta transitoria: Se define como la parte de la respuesta en el tiempo que se obtiene a partir del primer estado estacionario (condiciones iniciales) hasta la estabilización del sistema.
Perturbaciones: Señal externa al sistema, que altera la respuesta al escalón en estado estable.
Sobrepaso máximo: Es el porcentaje excedido del valor final de la respuesta al escalón, comúnmente un sistema con gran sobrepaso es inestable.
Tiempo de retardo: Es el tiempo requerido para que la respuesta al escalón alcance el 50% del valor final.
Tiempo de levantamiento: Se define como el tiempo requerido para que la respuesta al escalón se eleve del 10% al 90% de su valor final.
Tiempo de asentamiento: Es el tiempo requerido para que la respuesta al escalón disminuya y permanezca dentro de un porcentaje específico de su valor final (aproximadamente +/- 5%).
Estas características parten de la respuesta al escalón en lazo abierto, en donde a través de métodos de identificación estadístico se obtiene el modelo matemático en forma de función de transferencia. Dentro de estos métodos estadísticos de identificación se encuentran los siguientes [6]:
Método de Ziegler & Nichols (Primer Orden) Método de Harriort (Segundo Orden)
Método de Smith (Segundo Orden)
Los procesos térmicos en su mayoría dan como resultado respuesta de primer orden, el método correspondiente para la identificación de la función de transferencia de estos procesos es el de Ziegler & Nichols; este método establece lo siguiente:
A partir de la respuesta al escalón (Figura 1.5) se obtiene los parámetros donde:
, Siendo el 28.3% y el 63.2% del valor final .
, Correspondiente al retardo del sistema.
Figura 1.5: Respuesta de primer orden a la señal escalón.
1.5.2 Configuraciones del controlador
La dinámica de un proceso lineal controlado puede representarse por el diagrama de bloques mostrado en la Figura 1.6, donde el vector y(t) corresponde al vector de salida que contiene a las variables controladas; para obtener el comportamiento deseado de este vector, se debe de encontrar la señal de control u(t) que satisfaga todos los objetivos de diseño [5].
Figura 1.6: Proceso controlado.
La mayoría de los métodos de diseño de sistemas de control, se basan en una configuración fija, la cual corresponde en la elección de una estructura básica del diseño completo y el lugar donde se encuentre el controlador. A partir de la estructura se realiza el modelado de los elementos involucrados en el lazo de control y la determinación de los parámetros de trabajo del controlador.
Dentro de las distintas configuraciones existentes en la estructuración del lazo de control se encuentran las siguientes (Figura 1.7):
Compensación mediante realimentación: El controlador se encuentra colocado en paralelo al proceso, sumando las señales del controlador y la respuesta del proceso obteniendo la acción de control final.
Compensación mediante la realimentación de estado: En esta configuración se genera la señal de control mediante la realimentación de las variables de estado a través de ganancias constantes reales.
Compensación en serie realimentada: Esta estructura fusiona la compensación en serie con la compensación realimentada.
Compensación directa con compensación: Existe un controlador fuera del lazo cerrado, la señal de este controlador es sumada con la señal de realimentación. Compensación prealimentada: Surge al adicionar un controlador secundario colocado en paralelo a la compensación en serie, de tal manera que el segundo controlador se encuentre fuera del lazo sumando su señal con la del controlador primario.
a) Compensación en serie
b) Compensación mediante realimentación
d) Compensación en serie realimentada
e) Compensación directa con compensación en serie
f) Compensación en prealimentación
Figura 1.7: Configuraciones de controladores en compensación de sistemas de control.
1.5.3 Principios fundamentales de diseño
Después que sea escogida la configuración del controlador, el siguiente paso es la selección del tipo de control y los valores de los parámetros que satisfagan las especificaciones de diseño. El tipo de control seleccionado debe de ser el más simple, puesto que al ser más complejo su costo es elevado y la confiabilidad del mismo se reduce, además que su dificultad en el diseño es mayor. La selección del tipo de control involucra la experiencia que se tenga del proceso a controlar y de la intuición del diseñador.
Pasando al dominio de Laplace las ecuaciones 1.1, 1.2 y 1.3 quedan:
Siendo:
: Coeficiente proporcional ‘P’
: Coeficiente Integral ‘I’
: Coeficiente Derivativo ‘D’
Cada uno de estos coeficientes tiene un efecto sobre la respuesta del sistema, en la Tabla 1.6 se muestra los parámetros: tiempo de levantamiento (tl), sobrepaso máximo (Sm),
tiempo de asentamiento (ts) y error en estado estable (Ess), mostrando el efecto que
proporcionan cada una de las ganancias de los controladores.
Tabla 1.6: Efecto de las ganancias P, I y D sobre la respuesta del proceso.
Parámetro Tl Sm ts Ess
Kp Disminuye Aumenta Poco Afectado Disminuye
Ti Aumenta Disminuye Disminuye Eliminado
Td Poco afectado Disminuye Disminuye Poco afectado
Existe una gran variedad de métodos de sintonización, a partir de la respuesta en lazo abierto o en lazo cerrado. Algunos de ellos son:
Método de ultima ganancia (Lazo Cerrado)
Método de Curva de reacción (Lazo Abierto, método utilizado) Método de Ziegler-Nichols (Lazo Abierto)
Método de Dahlin (Lazo Abierto)
El método de Curva de reacción consiste en un cambio del 20% en la señal escalón en lazo abierto, después que se halla estabilizado la respuesta inicial del sistema; a partir de la nueva curva se obtiene los parámetros mediante el método de identificación de Ziegler-Nichols. Después de la obtención de los parámetros, se procede a la determinación de los coeficientes de los controladores, para lo cual se recurre a criterios de sintonización. Cada criterio brinda diferentes atributos a la respuesta del sistema, en este método de curva de reacción los criterios utilizados corresponden a integración mínima del error, y estos son:
Integral del valor absoluto del error (IAE) Integral del cuadrado del error (ICE)
Integral del valor absoluto del error ponderado en tiempo (IAET) Integral del cuadrado del error ponderado en tiempo (ICET)
La diferencia entre estos criterios, es que el ICE compensa mejor los efectos de perturbaciones en la respuesta inicial, mientras el IAE compensa las perturbaciones en la respuesta final. Las versiones ponderadas en tiempo de cada criterio mencionado, amortiguan las oscilaciones existentes de las perturbaciones en el tiempo. La Tabla 1.7 muestra las ecuaciones que obtienen los parámetros de los controladores para cada uno de los criterios mencionados [6].
CAPÍTULO II
2.1 Proceso de ultrapasteurización de la leche UHT del tipo indirecto.
El proceso general del ultrapasteurización de la leche a temperatura ultra alta (UHT), se divide en cuatro pasos
Pre esterilización de la planta. Este paso consiste en la circulación de agua a temperatura alta, con el propósito de esterilizar los componentes de la planta y de igual forma llevarla a condiciones óptimas para la transferencia de calor efectuada en el intercambiador.
Producción. Una vez pre-esterilizada la planta, se lleva a cabo la circulación del producto, para su tratamiento térmico (exterminación de microorganismos). Limpieza intermedia aséptica. Se lleva a cabo cuando el equipo se encuentra en un nivel de ensuciamiento intermedio, el agente limpiador es una solución de sosa caustica al 35%.
Limpieza en sitio (CIP). Es una limpieza completa, mediante soluciones de sosa caustica al 35% y ácido nítrico al 50%.
Para la producción de leche de larga duración se llevan a cabo una serie de procedimientos que van desde la recepción de la leche hasta el envasado del producto. A continuación se describen cada una de las etapas que conforman a este tratamiento térmico.
1) Recepción
La leche proveniente de los puntos de acopio, al ingresar a la planta es sometida a pruebas de cantidad (Tabla 2.1). A partir de las pruebas realizadas se autoriza el paso de la leche hacia el silo de almacenado.
Tabla 2.1 Valores establecidos para la leche [4]
Analito Valor de referencia Incertidumbre g/100g
Proteína 19,07 0,21
Grasas 24,32 0,34
Cenizas 4,31 0,07
µg/g
Vitamina A 6,79 0,57
Vitamina E 108,9 19
Vitamina C 646,3 37,3
mg/kg
Sodio 2509 63
Potasio 9240 376
Calcio 6931 199
Magnesio 615 14
2) Clarificado
En esta etapa se eliminan partículas sólidas no propias de la leche, tal como pasto y pelo de vaca. Estos objetos ajenos a la leche, son extraídos por medio de la clarificadora en base de fuerza centrífuga.
3) Enfriamiento
Una vez clarificada la leche, se transporta hacia un silo de almacenado, conservando su temperatura a 5 ºC, con el propósito de detener el crecimiento de microorganismos patógenos.
4) Descremado y estandarización
El descremado retira toda la crema contenida en la leche, y de acuerdo a la modalidad del producto que se vaya a producir, en la etapa de estandarización se proporciona la cantidad de grasa requerida por dicha modalidad, teniendo las siguientes concentraciones:
Leche entera 30 g/L Leche descremada 20 g/L Leche light 5 g/L
5) Almacenado y envió al tanque de balance
La leche estandarizada llega al tanque de almacenamiento, donde se mantiene a una temperatura de 5°C. Después la leche es bombea desde el tanque de almacenamiento hasta el tanque de balance del equipo de ultrapasteurización.
6) Precalentado
La leche contenida en el tanque de balance es bombeada a la sección regenerativa del intercambiador de calor tubular, calentando el producto a una temperatura de 79°C.
7) Deareación
1. Condensador
2. Entrada tangencial de la leche
3. salida de la leche con un sistema de control de nivel
Figura 2.1: Deodorizador[3]
8) Homogenización
En la homogenización se lleva a cabo la reducción de las partículas de grasa de la leche, a un tamaño no mayor de 2 micras (Figura 2.2), con el propósito de que en el producto final no se creen coágulos de grasa (desnaturalización).
Figura 2.2: Glóbulos de grasa [3].
9) Calentamiento
El producto homogenizado pasa nuevamente al intercambiador tubular, donde se eleva su temperatura en 4 fases. La primera va de 79 ºC a 95 °C, después de esta etapa existe un tubo de sostenimiento de 60 s para la estabilización de la proteína; la segunda fase eleva la temperatura de la leche de 95 ºC a 121 ºC; la siguiente fase lleva la temperatura de 121 ºC a 136 ºC; y por último la temperatura se eleva a 137 °C para sostenerla en un serpentín de 4 s a 7 s.
[image:35.612.136.248.70.284.2]10)Enfriamiento
Después del tiempo de sostenimiento, la leche es enfriada en dos fases, la primera es por medio de agua, llevando la temperatura de la leche a 95 ºC; y la segunda se efectúa a la par del precalentamiento, ya que la leche estéril es la que proporciona la energía calorífica en la etapa de precalentamiento de la leche cruda.
11)Envasado
El producto que sale del enfriamiento regenerativo continúa hasta el envasado aséptico a una temperatura de 22 °C a 24 °C. El envasado aséptico es un procedimiento que consiste en la esterilización del envase llenándolo con el producto estéril, produciendo envases herméticamente cerrados para evitar la contaminación del producto.
La Figura 2.3 muestra el diagrama de bloques partiendo del tanque de balance y culminando en el envasado del producto [3]. El perfil de temperatura de la leche correspondiente a esta parte del proceso se muestra en la Figura 2.4 [8].
Figura 2.3 Diagrama de bloques del proceso.
Tanque de balance Bomba centrifuga Deodorizador Bomba de vacio
Homogenizador
Int. Calor Tubular Cal. Producto - Agua Ultrapasteurización
Int. Calor Tubular Enf. Producto - Agua Envasado Leche 79°C Leche 75°C L ech e 79 °C Leche 137°C Leche 137°C L ech e 95 °C Leche 22°C
4 s – 7 s
-0,5 barg
Calentamiento de producto crudo
Enfriamiento de producto esterilizado Leche
Figura 2.4: Perfil de Temperatura del Producto
2.2 Problema en el proceso UHT del tipo indirecto, Liconsa Gerencia del Sur
La empresa Liconsa Gerencia del Sur cuenta con una planta de tratamiento de UHT del tipo indirecto, la cual fue instalada en el año 2009. Al ser una planta relativamente nueva, los ingenieros encargados de la producción de la leche se ven en la problemática de no elaborar un producto con la calidad requerida para su venta, debido a que la temperatura de la leche no se logra mantener dentro del intervalo de operación al que está diseñado la planta de tratamiento UHT, dando como resultado un producto con la durabilidad mínima en anaquel (4 meses) [9].
Además de realizar la sintonización al tanteo, los ingenieros encargados del proceso, no dejan que responda el proceso en su totalidad, de acuerdo con los valores seleccionados de los parámetros de los controladores, de tal manera que cambian continuamente dichos valores afectando la respuesta del sistema de forma drástica. Al trabajar con este tipo de sintonización se crean los siguientes problemas [9]:
Corto tiempo de vida de la leche en anaquel: El tiempo de vida de la leche al ser el mínimo, representa un gran problema puesto que significa acortar el plazo de tiempo en la distribución y en la venta del producto, teniendo que disminuir la producción total, para que el producto que no se llegue a vender, no sea rechazado por el consumidor al desarrollar microorganismos dentro del embase.
Paro continuo del proceso: Al tantear los valores de los parámetros de los controladores de forma continua, se generan fluctuaciones en la temperatura de la leche, dando como resultado incrustaciones de producto en el intercambiador de calor, por lo que su tiempo de trabajo se ve reducido al tener que parar el proceso para realizar la limpieza que elimine la incrustaciones.
Desgaste prematuro de las piezas: Acortando el tiempo de producción debido a la necesidad de limpieza de la planta, se reduce el tiempo de vida de la misma, ya que los componentes involucrados como válvulas, instrumentos y los mismos equipos, se ven sometidos a un efecto de descaste provocado por la naturaleza química de los agentes limpiadores.
Mayor demanda de servicios auxiliares: Puesto que el proceso requiere de una temperatura de ambientación cada vez que se inicia el proceso, se requiere de la circulación de agua caliente que temple los elementos de la planta.
Elevación de costos: Uno de ellos es la utilización de reactivos en la limpieza con mayor frecuencia. Otro costo involucra la reposición de piezas desgastadas por los efectos químicos de la limpieza. Y el último corresponde a las pruebas de la calidad de la leche, realizadas por el laboratorio debido al paro continuo del proceso.
Referente a la etapa de precalentamiento, al sufrir los problemas mencionados, desarrolla un problema adicional, que se ve reflejado en la etapa de homogenización, ya que de la temperatura final de la leche en esta etapa, depende la eficiencia de la homogenización. Si la temperatura de la leche después de la etapa de precalentamiento no se encuentra alrededor de 79 ºC, existe la posibilidad que la leche experimente su desnaturalización (precipitación de grasa).
2.3 Condiciones de la planta UHT, Liconsa Gerencia del Sur
Esta planta cuenta con el equipo Flex 10 000 de la compañía Tetra Pak que trabaja con leche blanca entera. A continuación se describirá las características de los equipos y de la instrumentación empleada en los lazos de control, así como las características de los servicios auxiliares ocupados en las etapas de precalentamiento y calentamiento. El diagrama de flujo (Apéndice D) muestra las condiciones de operación de las variables de proceso en estas etapas; en él se identifican las secciones del intercambiador de calor tubular, las bombas centrifugas, el intercambiador de calor de placas y el circuito cerrado de agua [2].
2.3.1 Equipos
Intercambiador de calor tubular
Los intercambiadores de calor tubulares (Figura 2.5), están diseñados para grandes capacidades, en este caso la capacidad corresponde a 13 000 l/h. Este tipo de equipos pueden trabajar durante un tiempo mayor entre limpiezas, comparado con un intercambiador de placas.
a) Vista interna del intercambiador de calor tubular
b) Vista externa del intercambiador de calor tubular
Figura 2.5: Intercambiador de calor tubular
El tipo de intercambiador es el multi/mono tubo, o mejor conocido como tubos y coraza. Como se aprecia en la Figura 2.5, el intercambiador cuenta con tubos paralelos cubiertos por una cámara llamada coraza. El fluido caliente viaja en la parte de la coraza, mientras que el fluido frio por medio de los tubulares.
El intercambiador de calor está dividido en 12 secciones, y cada una de ellas contiene una diferente cantidad de tubos. La Tabla 2.2 muestra el número de tubos, la temperatura y presión máxima de trabajo, el material, el diámetro y la capacidad de cada una de las secciones del intercambiador de calor tubular [2].
Tabla 2.2 Cantidad de tubos y características [2]
Sección Cantidad de tubos
Cantidad de tubos internos
Diámetro (mm)
Presión (bar) Temperatura (°C) Volumen (L) Material
Coraza Tubo Coraza Tubo Coraza Tubo
1 8 7 20 16.0 40.00 180.00 180.00 18.1 11.4 Acero Inox.
2 3 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 16.9 12.4 Acero Inox.
3 5 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 16.9 12.4 Acero Inox.
4 4 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 16.9 12.4 Acero Inox.
5 4 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 16.9 12.4 Acero Inox.
6 6 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 16.9 12.4 Acero Inox.
7 2 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 16.9 12.4 Acero Inox.
8 1 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 16.9 12.4 Acero Inox.
9 1 12 51 16.0 40.00 180.00 180.00 19.1 11.2 Acero Inox.
10 1 12 16 16.0 40.00 180.00 180.00 - - Acero Inox.
11 2 N/A - 16.0 40.00 180.00 180.00 - - Acero Inox.
12 14 N/A - 16.0 40.00 180.00 180.00 - - Acero Inox.
Intercambiador de Calor de Placas
El intercambiador de calor de placas se encuentra conectado con la última fase de calentamiento, siendo el responsable de proveer el agua de calentamiento para las fases 3 y 4. El equipo trabaja con vapor a un flujo de 1430 kg/h como fluido caliente, mientras que el agua del circuito cerrado trabaja a un flujo de 25 000 kg/h. El intercambiador es de placas soldadas por lo cual no puede expandirse en capacidad (Figura 2.6). Cuenta con 30 canales correspondientes al agua y 30 canales correspondientes al vapor [2].
Bombas Centrífugas
Las bombas son las encargadas de impulsar a los fluidos caliente y frio a lo largo de todo el proceso UHT (Figura 2.7). El tipo de bombas utilizadas son centrifugas, cuyas capacidades de trabajo son de 13 000 l/h y 25 000 l/h.
Figura 2.7 Bomba sanitaria [2]
2.3.2 Servicios auxiliares
Los servicios auxiliares son una parte vital del proceso ya que de ellos depende el funcionamiento óptimo del proceso, la planta UHT ocupa esencialmente agua y vapor de agua como servicios auxiliares.
Vapor de agua
El vapor es el servicio que se utiliza para calentar el agua del circuito cerrado, las características del vapor se muestran en la Tabla 2.3. La línea de suministro cuenta con las siguientes características [2]:
Esta provista de un controlador de presión a fin de mantener una presión de alimentación constante.
[image:41.612.231.384.167.292.2]Instalación de una válvula de cierre maestra en la línea de suministro. Tuberías de vapor aisladas como protección contra lesiones personales.
Tabla 2.3:Características del vapor.
Calidad Vapor saturado seco
Humedad Máx. 5% condensado
Ph 8,5 - 9,2
Dióxido de Carbono Máx. 2 ppm
Cloruro Máx. 8 ppm
Agua
La Tabla 2.4 muestra las características del agua del circuito cerrado. La instalación del circuito cerrado de agua está provisto de [2]:
Válvula de cierre maestra. Presión del suministro constante.
El agua utilizada en la planta debe ser blanda.
Tabla 2.4: Características del agua
Sabor Ninguno
Olor Ninguno
Turbidez máx. 3 NTU
Color máx. 20 mg/l Pt
Demanda de oxigeno máx. 20 mg/l KMnO4
Total de sólidos disueltos máx. 500 mg/l
Ph 7 – 8,5
Dureza < 10° dH (máx. CaCO3)
Amonio Cantidades de trazas
Amoniaco máx.0,5 mg/l NH4
Hierro Ninguno
Manganeso Ninguno
Nitrato máx.30 mg/l NO3
Sulfato máx.100 mg/l So4
Cloro (M,S) máx. 0,2 mg/l Cl2
Cloruro (M,S) máx. 30 mg/l Cl
-Acido carbónico agresivo máx. 0 mg/l CO2
Cantidad total de bacterias máx. 100/ml Cantidad total de bacterias coliformes a 35°C máx. 1/100 ml Cantidad total de bacterias coliformes a 44°C máx. 0/100 ml
Cobre máx. 0,05 mg/l Cu
Zinc máx. 1,0 mg/l Zn
2.3.3 Instrumentación
[image:42.612.154.459.229.462.2]De acuerdo con el Diagrama de Tuberías e Instrumentación (DTI) de las etapas de precalentamiento y calentamiento del proceso UHT (Apéndice D), la instrumentación identificada en estas etapas está dada en la Tabla 2.5 [2].
Tabla 2.5: Identificación de Elementos en las etapas de Precalentamiento, Calentamiento y Enfriamiento.
Nº de Tag Tipo de Instrumento Localización Servicio
TI-01 Indicador de Temperatura Principal Panel Muestra la Temperatura de la Leche en la salida del tanque de balance
Nº de Tag Tipo de Instrumento Localización Servicio
V20 Válvula Sanitaria Campo Conduce la Leche Cruda a las etapas de Precalentamiento, Deareación y Homogenización
TE-99 Temperatura Sensor de Campo Sensa y transmite la Temperatura de la leche cruda a la salida de la Sección 1
TC-99 Controlador de Temperatura Principal Panel Se comunica con el controlador TC-05 para la regulación de la válvula V99
PT-62A Transmisor de Presión Campo
Sensa y Transmite la magnitud de la Presión de la Leche Cruda en la entrada
de la Sección 1 del Intercambiador Tubular
PT-62B Transmisor de Presión Campo
Sensa y Transmite la magnitud de la Presión de la Leche Esterilizada en la
salida de la
Sección 1 del Intercambiador Tubular
PDI-62 Indicador de Presión Diferencial Principal Panel Muestra la diferencia entre las Presiones transmitidas por PT-62A y PT-62B
PAL-62 Alarma de Presión Baja Principal Panel Alerta a través de una lámpara cuando la Presión mostrada por PDI-62 es baja
TE-03 Temperatura Sensor de Campo Sensa la Temperatura de la Leche Proveniente de la etapa de Homogenización
TI-03 Indicador de Temperatura Principal Panel Muestra la Temperatura de la Leche Proveniente de la etapa de Homogenización
TR-03 Registrador de Temperatura Principal Panel Temperatura de la Leche Proveniente de Gráfica el comportamiento de la la etapa de Homogenización
PT-60 Transmisor de Temperatura Campo Sensa y Transmite la Presión de la Leche proveniente de la etapa de Homogenización
PI-60 Indicador de Temperatura Principal Panel Muestra la Presión de la Leche proveniente de la etapa de Homogenización
PAH-60 Alarma de Presión Alta Principal Panel Alerta a través de una lámpara cuando la Presión mostrada por PI-60 es alta
TE-05 Temperatura Sensor de Campo
Sensa la Temperatura de la Leche Estéril a la entrada de la Sección 1 del Intercambiador de Calor Tubular
TI-05 Indicador de Temperatura Principal Panel Estéril a la entrada de la Sección 1 del Muestra la Temperatura de la Leche Intercambiador de Calor Tubular
TC-05 Controlador de Temperatura Principal Panel Controla la Apertura de la Válvula V99
TE-04 Temperatura Sensor de Campo después del tubo de Sostenimiento de Sensa la Temperatura de la Leche Proteína
TI-04 Indicador de Temperatura Principal Panel después del tubo de Sostenimiento de Muestra la Temperatura de la Leche Proteína
Nº de Tag Tipo de Instrumento Localización Servicio
TC-49 Controlador de Temperatura Principal Panel Modula la apertura de la Válvula V49
DV49 Purga de Vapor Campo Libera el Vapor atrapado en la Sección 3 del Intercambiador de Calor a la entrada
V49 Regulación Válvula de Campo
Regula el Flujo del Vapor hacia la Sección 3 del Intercambiador de Calor
Tubular
F49 Filtro Campo Impide el paso de Impurezas en el Vapor de la Sección 10 del Intercambiador de Calor Tubular al dren
CR49 Purga de Vapor Campo Libera el Vapor atrapado en la Sección 3 del Intercambiador de Calor en la salida
TE-44 REF
Sensor de
Temperatura Campo
Sensa la Temperatura de la Leche en la entrada del Serpentín de Retención,
Referencia para TE-44
TE-44 Temperatura Sensor de Campo Sensa la Temperatura de la Leche en la entrada del Serpentín de Retención
TC-44 Controlador de Temperatura Principal Panel Manipula la Apertura de la Válvula 44
TE-46 Temperatura Sensor de Campo Sensa la Temperatura de la Leche en la salida del Serpentín de Retención
TR-46 Registrador de Temperatura Principal Panel Temperatura de la Leche a la salida del Grafica el comportamiento de la Serpentín de Retención
TE-46
REF Temperatura Sensor de Campo
Sensa la Temperatura de la Leche en la salida del Serpentín de Retención,
Referencia para TE-46 y TE-42
PI-06 Indicador de Presión Campo Muestra la Presión de la Leche en la salida del Serpentín de Retención
TE-42 Temperatura Sensor de Campo Sensa la Temperatura de la Leche en la entrada de la Sección 6 del Intercambiador de Calor Tubular
TAL-42 Temperatura Baja Interruptor de Principal Panel Temperatura de la Leche Sensada por TE-Alerta a través de una lámpara cuando la 42 es baja
TE-26 Temperatura Sensor de Campo salida de la Sección 7 del Intercambiador Sensa la Temperatura de la Leche en la de Calor Tubular
PT-61A Transmisor de Presión Campo Sensa y Transmite la Presión de la Leche en la entrada de la Sección 6 del Intercambiador de Calor Tubular
PT-61B Transmisor de Presión Campo Sensa y Transmite la Presión del Agua en la entrada de la Sección 6 del Intercambiador de Calor Tubular
PDI-61 Indicador de Presión Diferencial Principal Panel Muestra la diferencia entre las Presiones transmitidas por PT-61A y PT-61B
PAL-61 Alarma de Presión Baja Principal Panel Alerta a través de una lámpara cuando la Presión mostrada por PDI-61 es baja
TC-26 Controlador de Temperatura Principal Panel Manipula la apertura de la Válvula V26
TE-06 Temperatura Sensor de Campo Sensa la Temperatura de la Leche en la entrada del Área de Envasado Aséptico
Nº de Tag Tipo de Instrumento Localización Servicio
TE-08 Temperatura Sensor de Campo Sansa la Temperatura del Agua en la salida del Intercambiador de Placas
PI-08 Indicador de Presión Campo Muestra la Presión del Agua en la entrada de la Sección 5
TI-08 Indicador de Temperatura Principal Panel Muestra la Temperatura del Agua en la salida del Intercambiador de Placas
V22 Asentamiento Simple Válvula de Campo Intercambiador de Calor Tubular cuando Bloquea a la Sección 4 del se trabaja al 50% de Producción
TE-10 Temperatura Sensor de Campo Sensa la Temperatura del Agua a la entrada de la Sección 3 del Intercambiador de Calor Tubular
TI-10 Indicador de Temperatura Principal Panel
Muestra la Temperatura del Agua en la entrada de la Sección 3 del Intercambiador de Calor Tubular
PI-10 Indicador de Presión Campo Muestra la Presión del Agua en la salida de la Sección 4
PI-44 Indicador de Presión Campo Muestra la Presión del Vapor de Servicios Auxiliares al Intercambiador de Placas
DV11 Desaireación Válvula de Campo Purga el Aire después de la Bomba M9
PI-10 Indicador de Presión Campo Muestra la Presión del Agua en la entrada de la Válvula DV10.2
FT-10 Transmisor de Flujo Campo Sensa y Transmite el Flujo del Agua impulsada por la Bomba M10
FI-10 Indicador de Flujo Principal Panel Muestra el Flujo del Agua impulsada por la Bomba M10
SX-10 Variador de Frecuencia Campo Modula la velocidad de la Bomba M10
M10 Bomba Centrifuga Campo Impulsa al Agua del circuito Cerrado
DV10.2 Separador de Micro-burbujas Campo
Atrapa el Aire contenido en el Circuito de Agua Cerrado a la entrada de la Bomba
10
DV10.1 Desaireación Válvula de Campo Purga el Aire Atrapado por DV10.2
V59 Válvula de Asiento Campo Permite la purga del condensado del Intercambiador de Placas
CR44 Colador Campo Atrapa Sólidos en el condensado
F44 Filtro Campo Limpia impurezas en el condensado
V44 Regulación Válvula de Campo Intercambiador de Calor de Placas Permite el paso del Vapor al
SX-09 Variador de Frecuencia Campo Modula la velocidad de la Bomba M09
M09 Bomba Centrifuga Campo Impulsa al Agua del circuito Cerrado
FT-09 Transmisor de Flujo Campo Sensa y Transmite el Flujo del Agua impulsada por la Bomba M09
FI-09 Indicador de Flujo Principal Panel Muestra el Flujo del Agua impulsada por la Bomba M09
SX-02 Variador de Frecuencia Campo Modula la velocidad de la Bomba M02
M02 Bomba Centrifuga Campo Impulsa a la Leche del tanque de Balance al Intercambiador de Calor Tubular
Nº de Tag Tipo de Instrumento Localización Servicio
FI-02 Indicador de Flujo Principal Panel Muestra el Flujo de la Leche impulsada por la Bomba M02
Los instrumentos instalados cubren los siguientes aspectos en base a los siguientes criterios [8]:
Intervalo de operación de la variable medida Material del instrumento
Condiciones ambientales Exactitud en la medición Tiempo de respuesta
Intervalo de operación de la variable: A partir de este se seleccionó el sensor que cubriera las magnitudes mínima y máxima de operación de cada variable. Aumentando el 25% del valor máximo medido, seleccionado el instrumento con la escala inmediata superior a este valor.
Material del instrumento: Al tratarse del ramo alimenticio, el material de los instrumentos es acero inoxidable 316L especificado por la FDA.
Condiciones ambientales: Se refiere a la temperatura, presión, así como el tipo de atmosfera a las cuales se somete el instrumento de medición.
Exactitud en la medición: El elemento primario (sensor) fue seleccionado dependiendo del porcentaje de error permisible en las mediciones.
Tiempo de Respuesta: Fue elegido en base a la dinámica del lazo de control, de tal manera que ante un cambio en la magnitud de la variable medida, la respuesta es rápida en la señal enviada por el instrumento.
Teniendo la ubicación de los puntos a medir y los intervalos de operación de las variables medidas, se tiene como resultado la Tabla 2.6 en la cual se enlistan las características de los instrumentos instalados; como son el intervalo de operación, la escala del instrumento, la alimentación y la conexión a proceso, para cada uno de los instrumentos montados en campo [9].
Tabla 2.6: Características de los Instrumentos de Campo.
Nº de
Tag Intervalo de Operación instrumento Escala del Conexión a proceso Elemento primario Alimentación Señal de salida TE-01 (3-7) ºC (-50 a 250) ºC Clamp 1/4”(6.35 mm) Clase A 3 Hilos RTD Pt-100 (24-32) VCD (4-20) mA
TE-99 (76-82) ºC (-50 a 250) ºC Clamp 1/4”(6.35 mm) Clase A 3 Hilos RTD Pt-100 (24-32) VCD (4-20) mA
PT-62A (5-7) bar (0-10) bar SMS 1 1/2”(38 mm) Membrana de Cerámica (24-32) VCD (4-20) mA
![Figura 2.2: Glóbulos de grasa [3].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4961083.75212/35.612.136.248.70.284/figura-globulos-de-grasa.webp)
![Figura 3.2: Comportamiento de la temperatura de la leche cruda en la etapa de precalentamiento [4]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4961083.75212/58.612.86.527.71.284/figura-comportamiento-de-temperatura-leche-cruda-etapa-precalentamiento.webp)
