Los procesos membranarios constituyen una serie de técnicas de separación que consisten en emplear un gradiente, ya sea de presión o electrostático, para forzar el paso de componentes de una disolución a través de una membrana porosa semipermeable, para que se obtenga una separación sobre la base del tamaño.
La presión requerida para forzar el paso a través de alguna membrana suele ser proporcional al tamaño de los poros, siendo necesario incrementar sustancial- mente su magnitud a medida que el tamaño de estos decrece.
La permeabilidad de una membrana es adecua- da cuando se registra una relación lineal entre un flujo de agua de baja dureza y la presión transmembranaria que se registra en la misma.
Las membranas formadas con fibras huecas representan el segundo tipo de configuración y son muy similares a las membranas tubulares abiertas, solo que en estas no existe un solo tubo sino cientos de túbulos membranosos huecos compactados en una sola fibra filtrante a modo de cartucho. Además se tiene una tercera configuración no muy empleada llamada la configuración de espiral, que trata de maximizar el área en un mínimo espacio y consiste en capas consecutivas de membranas enrolladas en espiral dentro de un tubo de soporte en acero perforado (University of Guelph 2005).
Es deseable que las membranas, indiferentemente del material de su construcción, sean capaces de resistir la presión transmembranaria y la temperatura a la que sean sometidas, así como a las características químicas de la leche, y la acción de los diferentes agentes sanitizantes y de limpieza con que sean tratadas posteriormente a su uso.
El factor de reducción volumétrico (FRV) constituye un parámetro útil para medir esta disminución y está directamente relacionado con el rendimiento del proceso. Se define en términos del volumen de alimentación (Va), del volumen de retenido (Vr) y del permeado (Vp):
FRV = Va = 1 + Vp Ecuación 1 Vr Vr
Las tecnologías de membranas aplicadas a la industria láctea constituyen una herramienta única para
la concentración y para el fraccionamiento de la leche en base a las diferencias en el peso y tamaño molecular relativo (Twiford 2004). La razón de esta particularidad radica en que estos procesos no involucran un cambio de fase que pueda ocasionar el deterioro o modificación de las características fisicoquímicas y organolépticas deseables de la leche o de sus constituyentes (Bennett 1997; Makardij et al. 1999). Entre dichas modificaciones pueden mencionarse pérdidas de compuestos volátiles con un consecuente efecto sensorial, así como oxidaciones (D’souza y Mawson 2005.
En ocasiones es necesario no sólo concentrar o fraccionar la leche, si no también, eliminar contaminantes que representen riesgos físicos o biológicos (Makardij et al. 1999). Muchos contaminantes pueden mantenerse en el retenido durante el proceso, y no pasar a formar parte del permeado, por lo cual se estaría logrando una sanitización en frío con las repercusiones organolépticas favorables antes aludidas (Avalli et al. 2002).
Ya sea para la concentración, la eliminación de riesgos a la inocuidad o el fraccionamiento, dichas tecnologías parecen ser una elección lógica pues muchos de los componentes y contaminantes de la leche difieren sustancialmente en tamaño, abarcando un amplio intervalo que va desde 1 nm a 20 mm (Brans et al. 2004). Esto permite adecuadas separaciones según se de una acertada selección del tamaño de poro a utilizar.
La polarización de la concentración de fluídos con alto contenido de sustancias nitrogenadas, como es el caso de la leche, suele presentar solo dependencia de la presión transmembranaria y en mucho menor instancia del nivel de flujo para temperaturas constantes (Dinkov 2001).
Al avanzar en el proceso de filtración, se va formando sobre la membrana una capa de materiales
acumulados, que dificultan la eficiencia del proceso (Akoum et al. 2003). Los materiales acumulados en la membrana pueden experimentar cuatro fenómenos que no necesariamente ocurren de manera independiente (Brans et al. 2004):
• Adsorción en la membrana.
• Bloqueo superficial de los poros.
• Formación de una capa superficial a lo largo de toda la membrana.
• Penetración profunda de los poros provocando bloqueos internos no reversibles, siendo más acentuado este último problema entre mayor sea el diámetro del poro (Tong et al. 1988; Akoum et al. 2003; D’souza y Mawson 2005).
PROCESOS DE MEMBRANAS COMÚNMENTE UTILIZADOS EN LA AGROINDUSTRIA LÁCTEA
La leche constituye una matriz muy compleja que está constituida por una emulsión de glóbulos grasos en una fase acuosa, la que tiene en forma suspendida o disuelta micelas de caseína, proteínas del suero, lactosa y sales (Belitz y Grosch 1985). Su complejidad aumenta si se considera que la composición varía se- gún la temporada del año, el clima, la raza y mantenimiento del animal (Chacón 2004).
Para comprender a cabalidad las aplicaciones de cada una de estas técnicas es importante detallar algunos de los aspectos fundamentales de cada una de ellas.
Para una mayor claridad, se mencionarán dichas técnicas de manera tal que se expongan primero aquellas cuyas membranas poseen un menor tamaño de poro.
Ósmosis inversa o hiperfiltración
Consiste en un proceso en el cual se da una separación únicamente del agua presente en la leche, la cual posee un peso molecular menor a 150 daltons; esto gracias a que el tamaño del poro empleado es sumamente pequeño y entre 5 a 15 A° (University of Guelph 2005). En este tipo de membranas el colmataje debido a la gelificación de proteínas lácteas que atrapan fosfato de calcio suele ser el más común (Skudder et al. 1977). La ósmosis inversa puede considerarse como un proceso de concentración de la leche que a diferencia del proceso tradicional no emplea calor, y que puede generar retenidos con un contenido máximo de 30% en sólidos (Twiford 2004). Este proceso de concentración resulta ser de utilidad, especialmente en el abaratamiento del transporte de la leche fluida en largas distancias como el caso de Australia y Nueva Zelanda (Clarke 1979; Zadow 1995
Nanofiltración
La nanofiltración es una de las operaciones de membranas más complejas. Puede considerarse como un proceso dual, pues generalmente se aplica en con- junto con una ósmosis inversa. Suele involucrar una separación en base a tamaño molecular y otra basada en la carga eléctrica, lo que en teoría permite apartar los iones monovalentes de los polivalentes; esto para un punto de corte de las moléculas que ronda los 200 a 1.000 daltons, para tamaños de poro inferiores a 2 nm y velocidades de flujo cercanas a 10-41 kg/h*m2 (Mucchetti et al. 2000).
Ultrafiltración
La ultrafiltración es un proceso que se caracteriza por tener un punto de corte de alrededor de 450 a 300.000 daltons para diámetros de poro de 15 a 1.000 A°, razón por la cual su principal función en la industria láctea es incrementar los sólidos de la leche (Twi- ford 2004; Vaillant et al. 2004). En la ultrafiltración, el tamaño de los poros es mayor, permitiendo que algunos componentes además del agua y los compuestos iónicos de la leche pasen la membrana, en un proceso de separación y fraccionamiento que generalmente utiliza temperaturas de 50-60 ºC y se basa en membranas de polisulfonas.
Microfiltración
La microfiltración comprende una serie de técnicas muy similares a la utrafiltración, pero aplicadas a menores presiones y fundamentadas en un tamaño mucho mayor de poro capaz de dejar permear partículas en un rango de 0,2 μm a 2 μm (University of Guelph 2005). Este tamaño de poro permite usual- mente retener la mayoría de las esporas, bacterias, hongos y levaduras, por lo cual la microfiltración puede ser considerada como una técnica de pasteurización que no requiere de tratamientos térmicos (Twiford 2004; Vaillant et al. 2004). En este tipo de procesos en leche, las membranas de tipo cerámico han demos- trado ser las que ofrecen mejores relaciones de rendimiento y durabilidad para procesos generalmente conducidos a temperaturas que van de 20 °C a 50 °C.
Electrodiálisis
La electrodiálisis es un proceso de separación electroquímico donde, bajo la influencia de un campo eléctrico, los iones son capaces de moverse cuando están en disolución a través de membranas selectivas, en una forma que es directamente proporcional a la conductividad específica e inversamente proporcional al número de moléculas disueltas (Gardais 1990).
Aprovechamiento y tratamiento del suero lácteo.
El suero de la leche es producido en grandes cantidades a nivel mundial siendo su desecho uno de los importantes problemas de la industria (Boumba et al. 2001). El suero contiene más de la mitad de los sólidos presentes en la leche entera, incluyendo el 20% de las proteínas, así como un 75% de materia seca en forma de lactosa, y un 8% de materia seca correspondiente a la fracción mineral (Domagk 1981; Belitz y Grosch 1985). Es por ello que actualmente se le visualiza más como una materia prima que como un desecho, donde el mayor esfuerzo se centra en la recuperación de las proteínas y de muchas de las vitaminas que contiene, como las del complejo B (McDonough et al. 1974; Delaney 1976).
Un primer proceso de aprovechamiento se da en la fabricación de productos desecados a partir del suero de leche, como describen Boumba et al. (2001). Estos productos se denominan concentrados cuando tienen entre un 30% y 80% de sólidos o aislados si superan el 80% (Brans et al. 2004). Generalmente lo anterior se logra por ultrafiltración del suero empleando presiones de 1 bar, velocidad de flujo de entre 5,6 y 6,5*10-5 m/s, puntos de corte de entre 25 y 50 kdaltons, y membranas poliméricas o cerámicas (Brans et al. 2004), previa remoción de los finos de caseína de la leche por centrifugación y pasteurizado de la misma a 74 ºC durante 15 s. Los retenidos del proceso de membranas son posteriormente sometidos a un tratamiento de secado en un evaporador bajo vacío (840 mbar), enfriados a 36 ºC y secados a 80 ºC en un secador por aspersión. Los permeados sufren igual- mente un tratamiento de secado al vapor, previa pre- cristalización de la lactosa en tanques de cristalizado, empleando el mismo secador por aspersión hasta alcanzar una concentración de 30% en sólidos y luego son enfriados a 30 ºC. Este concentrado de permeado es secado igualmente por aspersión.
Los altos contenidos de aminoácidos (especial- mente treonina y lisina), proteína y minerales, hacen de estos polvos deshidratados un sustrato apropiado para mejorar el valor nutricional de los cereales, para el tratamiento de ciertos desórdenes metabólicos (gra-cias a los bajos contenidos de fenilalanina y tirosina), y particularmente para el desarrollo de fórmulas para infantes y pacientes geriátricos (Lucas y Barr 1985). Está en boga su utilización en la elaboración de barras de cereal enriquecidas con proteína láctea (Neville et al. 2001) y en la sustitución de sólidos en los procesos de manufactura de helados (Lee y White 1991).
Concentración de la leche para el mejoramiento de sus características técnicas durante la manufactura de productos derivados
Por medio de los procesos de membranas es posible mejorar las características técnicas de la leche empleando procesos de concentración que eliminan agua, sales minerales y lactosa.Estos generan mejores cualidades de cuajado, mejores rendimientos al incorporarse proteínas que normalmente se pierden en el suero, y menores tasas de sinéresis3 cuando se procesa la leche (Vaillantet al. 2004). Como muchos de los procesos de membranas en lácteos se efectúan sobre leche descre- mada, suele ser necesaria la adición de crema láctea para lograr la textura adecuada (Brans et al. 2004).
La ósmosis inversa como técnica de concentración de las proteínas de la leche ha demostrado gene- rar marcados problemas de sabor en los productos ob- tenidos, por lo cual no es muy popular (Mogensen 1976). Esto es aplicable tanto en quesos como en la elaboración de yogurt (Voutsinas et al. 1996). En le- che que no está completamente pasteurizada, la ósmosis inversa puede ser causal de aparición de ácidos grasos libres y rancidez (Barbano et al. 1983).
El uso de la utrafiltración con estos propósitos ha sido muy exitosa para leches destinadas a la manufactura de quesos frescos. Lo anterior especialmente por su bajo costo comparado con la microfiltración pues emplea membranas poliméricas y no cerámicas, siendo posible técnicamente lograr concentraciones máxi- mas de 90% en el contenido de proteína (Rajagopalan y Cheryan 1991). Entre las ventajas de la ultrafiltra- ción en la manufactura de quesos, está el generar materia prima que sufre menos pérdidas de proteína y grasas en el suero e incluso la reducida sinéresis de varios tipos de queso (Jiménez y Goicoechea 1983). Es- to es extensivo sin importar la especie del animal, como por ejemplo el caso de la leche de búfala, donde la leche ultrafiltrada muestra mejores características de cuajado, de desuerado y mejores contenidos de calcio y magnesio (Haggag et al. 1982).
Filtración de membrana en productos lácteos con fines microbiológicos
Procesos como la microfiltración son capaces de reducir la cantidad de bacterias y de esporas sin afectar el sabor de la leche o sus propiedades reológicas generales, gracias a que no emplea ningún tratamiento térmico (Mahaut 1992). Esto a su vez genera vidas útiles generalmente en refrigeración más prolongadas (15 días) que la lograda por pasteurización tradicional (siete días) (Brans et al. 2004).
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