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Capítulo 2
Sistemas y servicios auxiliares para el tratamiento de la leche
1. Introducción
Los servicios auxiliares son aquellos servicios e instalaciones que suministran los elementos básicos para poder desarrollar cualquier proceso industrial (energía, agua, calor, frío, aire comprimido, etc.).
De igual manera, los servicios auxiliares necesitan de un sistema para poder hacer llegar los suministros que producen a los puntos de la planta donde son requeridos. Este sistema es el formado por toda la red de conducciones, válvulas, bombas, tanques y demás elementos que lo componen.
Esta red de conducciones, con sus diferentes elementos, servirá además para comunicar todos los equipos entre sí y poder mover los productos (materias primas, productos semiterminados, productos terminados, etc.) a través de las distintas operaciones hasta el final del proceso.
En este capítulo se verá con más detalle qué servicios auxiliares concretos son necesarios para poder llevar a cabo los tratamientos previos que se aplican a la leche (tipos de dispositivos, elementos que los integran, etc.), y cuál es su funcionamiento.
2. Elementos auxiliares
Antes de ver los distintos dispositivos que integran los servicios auxiliares es necesario saber qué elementos integran la red que abastece los diferentes procesos con los flujos requeridos (calor, frío, aire comprimido, etc.).
2.1. Tipos de bombas
Las bombas son elementos indispensables en cualquier actividad industrial que requiera mover fluidos en alguna parte del proceso.
Generalidades
La industria láctea, cuya materia prima básica es la leche, necesita numerosas bombas en sus instalaciones para poder desarrollar su actividad.
Una definición más técnica de bomba podría ser la siguiente: “una bomba es aquel dispositivo que se emplea para elevar, transferir o comprimir líquidos y gases, es decir, aquel dispositivo que mediante la realización de un trabajo consigue mantener un fluido en movimiento al aumentar la presión o energía cinética de este”.
Sabía que...
Arquímedes (matemático y físico griego) fue capaz de crear un sencillo sistema similar a una bomba en el año 300 antes de Cristo. Este dispositivo conseguía mover líquidos gracias a un tornillo que giraba dentro de una carcasa. Este instrumento es conocido como “tornillo de Arquímedes”.
Las bombas que se utilizan para realizar el movimiento de gases y vapores son denominadas compresores.
Los objetivos del uso de las bombas son:
1 Incrementar la energía cinética de un fluido.
2 Incrementar su energía potencial.
3 Vencer las resistencias por fricción (pérdidas de carga).
Existen muchos tipos de bombas y su elección se realizará en función de las necesidades que se tengan en la planta y el presupuesto de que se disponga.
Los componentes básicos de los que consta cualquier bomba, sea cual sea el tipo, son dos: motor y cabezal. En función del tipo de bomba estos elementos cambiarán su estructura.
Elementos básicos de cualquier bomba: motor y cabezal
Para la elección de los materiales empleados en la construcción de las bombas se deben tener las siguientes consideraciones:
1 Aquellas partes en contacto con el producto serán de acero inoxidable y no cederán partículas y tampoco alterarán los productos.
2 Permitirán una correcta limpieza para asegurar la calidad higiénica de los productos procesados.
3 Serán resistentes a la corrosión y aguantarán los agresivos tratamientos de limpieza que se aplican en la industria láctea.
Recuerde
Sea cual sea el tipo de bomba constará de dos partes básicas: motor y cabezal.
Actividades
1. Recapacitar sobre el uso general de las bombas y citar, al menos, dos operaciones o aparatos no industriales que requieran su uso, como por ejemplo, sacar agua de un pozo mecánicamente.
Tipos de bombas
Los diversos tipos de bombas existentes se pueden agrupar en dos grandes categorías que son:
1 Bombas centrífugas:Bombas monoetapa.Bombas multietapa.
2 Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo.Bombas de pistón.Bombas de diafragma.Bombas lobulares.Bombas de tornillo excéntrico.Bombas peristálticas.
Bombas centrífugas
Consisten básicamente en un rodete que gira acoplado al motor. A su vez se clasifican en dos grupos: monoetapa y multietapa.
Bombas centrífugas monoetapa
Las bombas centrífugas monoetapa son las más usadas debido a su gran versatilidad.
Su funcionamiento consiste en un rodete que acoplado al motor mediante un eje gira a gran velocidad generándose una elevada fuerza centrífuga que impulsa el producto.
Los componentes de los que consta una bomba centrífuga son:
1 Motor: suele ser eléctrico. Es el que genera el movimiento necesario para que se produzca la aspiración del líquido.
2 Tubería de entrada o aspiración: es por donde se aspira el producto a impulsar.
3 Cabezal: este tiene dos partes básicas:Rodete: es la parte que acoplada al motor. Gira y aspira el líquido gracias a unas aspas que crean vacío.Voluta: es una carcasa que envuelve al rodete y es el lugar donde se recoge el líquido aspirado para dirigirlo a la tubería de salida o impulsión.
4 Tubería de salida o impulsión: es por donde sale el líquido que se quiere impulsar.
Esquema de una bomba centrífuga con sus partes y bomba centrífuga real, respectivamente
Estas bombas son muy utilizadas, ya que el coste de adquisición, funcionamiento y mantenimiento es bajo con respecto a otros tipos de bombas. Además pueden bombear cualquier tipo de líquido que tenga baja viscosidad, incluso si este tiene partículas (siempre que estas partículas sean menores a las ranuras de las aspas del rodete).
Por el contrario poseen algunas desventajas: no se pueden emplear en líquidos de alta viscosidad (muy frecuentes en la industria láctea, como yogures, batidos, natillas, natas de alto porcentaje en grasa, etc.). Además no pueden funcionar si no están llenas de líquido o si existe aire en la aspiración y son bastante agresivas con el producto que impulsan.
Bombas centrífugas multietapa
Tienen el mismo principio de funcionamiento que las bombas centrífugas monoetapa. La diferencia es que se superponen varios cabezales (etapas) sobre el eje de forma que el líquido va pasando por los distintos cabezales sucesivamente aumentando la presión.
Se pueden encontrar en posición horizontal, pero la manera más frecuente de hallar estas bombas es de forma vertical, con el motor hacia arriba.
Son dispositivos poco empleados en la industria láctea y se suelen utilizar en operaciones que requieren relaciones de presión/caudal elevadas.
Esquema de una bomba centrífuga multietapa con sus diferentes partes y bomba centrífuga multietapa real, respectivamente
Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo
Son más recomendables ya que por lo general tratan con suavidad el producto, pero son mucho más caras.
Básicamente son bombas de pistón, cuyo funcionamiento, de forma resumida, consiste en recorrer un cilindro con un vástago.
Son bombas que desplazan una cantidad fija de líquido en cada movimiento alternativo o a cada vuelta del rotor, independientemente de la presión existente en la línea de impulsión.
Entre estas destacan las que se muestran a continuación.
Bombas de pistón
Estas bombas se emplean cuando es necesario alcanzar elevadas presiones, como ocurre en los homogeneizadores utilizados en la operación de homogeneización.
El cabezal de este tipo de bombas consta de uno o varios pistones que mediante un movimiento alternativo (adelante y atrás) consiguen realizar la impulsión del líquido. También consta de dos válvulas que regulan el sentido del flujo e impiden el retroceso de este.
Esquema de funcionamiento de una bomba de pistón. La entrada o aspiración se representa en rojo y la salida o impulsión en morado
Como se puede observar en el esquema anterior, cuando el émbolo se desplaza hacia atrás la válvula de entrada se abre y el líquido entra, mientras que la válvula de salida permanece cerrada (antirretroceso).
Cuando el émbolo se desplaza hacia delante empuja a la válvula de entrada, cerrándola, de forma que el líquido no puede volver hacia atrás (antirretroceso) y abre la válvula de salida dejando que el líquido fluya.
En estas bombas el volumen del bombeo es independiente de la presión de descarga.
Bombas de diafragma
Parten del mismo principio que las bombas de pistón pero en este tipo de bombas el pistón es sustituido por un diafragma flexible.
El accionamiento del diafragma se puede realizar por medios neumáticos o mecánicos:
1 Medios neumáticos: no permiten presiones elevadas. Se utilizan para transportar productos que requieren un tratamiento suave.
2 Medios mecánicos: se suelen utilizar como bombas dosificadoras.
Esquema de una bomba de diafragma y bomba real, respectivamente
El caudal de bombeo puede modificarse de dos formas:
1 Variando el recorrido del diafragma.
2 Variando la frecuencia de pulsación.
Bombas lobulares
Las bombas lobulares son las bombas de desplazamiento positivo más usadas en la industria láctea ya que permiten trabajar con productos de elevada viscosidad. Además aplican un tratamiento suave al producto y permiten bombear fluidos con partículas gruesas en su seno, como mezclas de cuajada-suero, suero, natas, yogures, etc.
Las bombas lobulares constan de dos rotores con dos o tres lóbulos cada uno. El giro de estos rotores impulsa el producto en el espacio entre los lóbulos y la carcasa, produciendo un flujo continuo y sin pulsaciones.
Esquema de funcionamiento de una bomba lobular con rotores de dos lóbulos y bomba lobular real con rotores de tres lóbulos, respectivamente
Bombas de tornillo excéntrico
Están compuestas de un rotor de forma helicoidal que ajusta exactamente con la carcasa. El rotor está construido en acero inoxidable y las zonas de la carcasa en contacto con el rotor suelen ser de goma natural o sintética apta para su uso alimentario.
Este tipo de bombas suelen utilizarse en productos sensibles al estrés mecánico, productos con partículas y productos de alta viscosidad. Las aplicaciones son similares a las de las bombas lobulares.
Bomba de tornillo excéntrico
Recuerde
Las bombas centrífugas se emplean para fluidos de baja viscosidad y dan un tratamiento agresivo al producto, mientras que las bombas lobulares y las de tornillo excéntrico se emplean para productos de alta viscosidad y dan un tratamiento suave al producto.
Bombas peristálticas
Las bombas peristálticas se componen de una carcasa, una tubería flexible y un rotor con rodillos. Los rodillos comprimen el tubo contra la pared interna de la carcasa y al girar el motor desplazan el producto hacia delante. Simultáneamente se produce una aspiración: es lo que se conoce como bombas autocebantes.
Estas bombas no pueden operar a temperaturas superiores a 80 ºC, ni presiones superiores a 15 bares.
Se utilizan normalmente como bombas dosificadoras y para el vaciado de bidones.
Esquema de funcionamiento de una bomba peristáltica y bomba peristáltica real, respectivamente
Recomendaciones finales
Un fenómeno que se asocia al mal funcionamiento de las bombas es el conocido como cavitación. Este fenómeno, que se produce por las grandes variaciones de presión que se dan en el interior de la bomba, se pone de manifiesto con traqueteos, vibraciones y ruidos anómalos.
Puede acarrear diversos problemas, como estrés mecánico de los componentes de la bomba, reducciones del caudal y presión de salida de la bomba, así como alteraciones de productos que sean sensibles.
La cavitación se puede producir por diversos factores:
1 Cuando la bomba tiene que aspirar desde demasiada altura.
2 Cuando el caudal de alimentación de la bomba es demasiado bajo.
3 Cuando existe una elevada pérdida de carga en la conducción de aspiración de la bomba.
Por último se muestran algunas recomendaciones generales para que las bombas puedan realizar su trabajo correctamente:
1 La bomba debe encontrarse lo más cerca posible del tanque desde el que se va a impulsar el producto.
2 Evitar la presencia de codos o válvulas en el recorrido de la línea de aspiración.
3 La tubería debe ser del diámetro adecuado.
4 La bomba debe situarse por debajo del nivel mínimo del depósito (bombas centrífugas convencionales).
Aplicación práctica
Imagine un proceso de elaboración de natillas en el que se han de realizar las siguientes operaciones:
1. Bombeo de leche del tanque de recepción al tanque donde esta se procesa.
2. Dosificación de aditivos en formato líquido al tanque de proceso.
3. Bombeo del producto resultante (natillas) del tanque del proceso a las líneas de envasado.
Determine qué tipo de bombas serán las más recomendadas para llevar a cabo este proceso teniendo en cuenta el coste de las bombas y la delicadeza de los productos que intervienen: la leche en esta parte del proceso aguanta bien el estrés mecánico (no es muy delicada). Las natillas en cambio son muy delicadas y tienen una elevada viscosidad.
SOLUCIÓN
Para realizar el bombeo de leche se podrían emplear tanto bombas centrífugas como bombas de desplazamiento positivo, pero debido al alto coste de adquisición y mantenimiento que tienen estas últimas se emplearán las centrífugas. Además, según el enunciado, la leche en esta parte del proceso no es muy delicada.
Para realizar la dosificación de los aditivos líquidos se puede emplear o bien una bomba de diafragma con accionamiento mecánico, o bien una bomba peristáltica. En función del enunciado planteado, ambas serían aptas para esta operación de dosificación.
Para el bombeo del producto final se necesitará una bomba de desplazamiento positivo debido a la sensibilidad del producto. Si se utilizara una bomba centrífuga para bombear las natillas se degradaría la textura final. Se podría emplear una bomba lobular o una de tornillo excéntrico, ya que ambas permiten trabajar con productos de elevada viscosidad, como las natillas.
2.2. Válvulas
Las válvulas son elementos fundamentales para la conducción de fluidos. A continuación se explican sus características generales, su funcionamiento y los tipos más comunes empleados en la industria láctea.
Generalidades
Las válvulas son los elementos que junto a las conducciones o tuberías permiten transportar y conducir los fluidos de un punto a otro de la instalación.
Las válvulas realizan diferentes funciones en los circuitos, y por tanto, existen distintos tipos en base a estas funciones:
1 Conexión de circuitos.
2 Regulación de parámetros del proceso (presión, temperatura, etc.).
3 Control de fluidos.
Tipos de válvulas
Los tipos de válvulas más comunes son las válvulas de mariposa, de asiento, anti-retorno y de regulación de caudal.
Válvulas de mariposa
Este tipo de válvulas consta de un cuerpo dentro del cual gira un disco sobre un eje central. Dependiendo de la posición de este disco se permite, o no, el paso de fluido a través de la válvula.
El accionamiento de estas válvulas puede ser diverso: manual, eléctrico, neumático, etc. aunque el efecto es el mismo en todos los casos.
Esquema de una válvula de mariposa, válvula de mariposa de accionamiento manual y válvula de mariposa de accionamiento neumático, respectivamente
Válvulas de asiento
Estas válvulas están formadas por un obturador sujeto al final del vástago de la válvula y de un asiento en el que encaja el obturador.
Al accionar la válvula el vástago sube o baja encajando el obturador sobre el asiento e impidiendo el flujo.
Este tipo de válvulas pueden constar hasta de cinco vías, lo cual proporciona una gran versatilidad a la instalación.
Al igual que las válvulas de mariposa, estas también pueden ser accionadas de forma manual o automática (accionamiento mecánico, neumático, eléctrico, etc.).
Representación esquemática de una válvula de asiento de tres vías y representación real de sendas válvulas de dos y tres vías
Válvulas antiretorno
Las partes básicas de que constan las válvulas antirretorno son un asiento, un obturador y un muelle y su función fundamental es la de impedir que un fluido vuelva hacia atrás por la conducción.
Cuando el producto fluye en la dirección correcta la presión del fluido es suficiente para vencer la resistencia del muelle y permitir el paso.
En el caso de que el fluido entre en sentido contrario, tanto el muelle como la presión que este ejerce cierran la válvula aprisionando el obturador contra el asiento e impidiendo el retroceso del líquido.
Esquema de una válvula anti-retorno con sus partes básicas y válvula antirretorno real, respectivamente
El obturador, o parte que cierra el flujo, puede ser de varios tipos (cilindros, bolas, clapetas, etc.), pero todos funcionan igual.
En base a la resistencia con que se regule el muelle se determinará la presión que necesita la válvula para que se abra y así se acondicionará a los distintos procesos en los que se encuentre.
Válvulas de regulación de caudal
Este tipo de válvulas constan, normalmente, de un asiento y obturador de forma troncocónica y el vástago se acciona mediante un sistema de roscado.
El obturador se introduce en mayor o menor grado en el asiento, limitando el espacio para el paso de producto y controlando así el caudal y la presión del fluido en los equipos.
Esquema de funcionamiento de una válvula reguladora de caudal
Si se quiere automatizar la instalación, todas las válvulas que integren dicha automatización deberán ser de accionamiento automático con los diferentes tipos que existen: mecánico (válvula mecánica), eléctrica (electroválvula) y neumática (válvula neumática).
Sabía que...
Los grifos clásicos usados en sanitarios, cocinas, etc. son sencillamente válvulas de control de caudal más o menos embellecidas situadas en la pared, o sobre los aparatos mismos, con un accionamiento manual.
2.3. Tanques
Los tanques son aquellos elementos que se emplean para el almacenamiento de los diferentes fluidos que integran el proceso. Pueden almacenar fluidos que han de esperar a ser procesados, o bien fluidos a los que se les han de aplicar tratamientos discontinuos durante el proceso.
Los tipos de tanques que se pueden encontrar, en función de su aplicación, son los siguientes:
1 Tanques de almacenamiento (también llamados silos).
2 Tanques reguladores de nivel.
3 Tanques de mezcla.
4 Tanques de proceso.
5 Tanques asépticos.
Tanques de almacenamiento
Son tanques de gran volumen (existen modelos que superan los 100.000 litros de capacidad) y se sitúan en el exterior de las edificaciones. En la actualidad, la gran mayoría de silos o tanques de almacenamiento se colocan de forma vertical para ahorrar espacio.
Estos tanques tienen la misión de recibir la leche en la fase de recepción y almacenarla hasta su posterior procesado.
Son tanques isotermos, es decir, conservan la temperatura pero no generan frío.
Nota
Los tanques isotermos mantienen la leche a la temperatura que llega a la industria gracias una doble pared con aislamiento.
Debido a la agitación que aplican los agitadores se consigue evitar la separación de la grasa de la leche hasta que esta sea homogeneizada.
Estos tanques disponen de diferentes sondas que avisan de cuándo el depósito está lleno, y cuándo vacío (sondas de nivel), de la temperatura interior (sonda de temperatura) y de los litros que hay dentro (indicador de nivel).
Constan de una abertura en la parte posterior conocida como boca de hombre, la cual no es más que una compuerta para poder acceder al interior del tanque.
Finalmente disponen de una serie de válvulas de rebose y entrada de aire y otras que permiten realizar la carga y la descarga de la leche.
Diferentes partes de un silo de almacenamiento y depósitos reales en el exterior de una planta láctea, respectivamente
Actividades
2. Recordar lo visto en el capítulo anterior con respecto a la automatización e intentar determinar cómo se podría automatizar la carga y descarga de leche en un silo de almacenamiento.
3. Buscar información acerca de los problemas que puede causar el exceso de aire (oxígeno) en la leche.
4. Explicar por qué razón la carga y descarga de la leche se suele y se debe realizar por la parte inferior del tanque.
Tanques reguladores de nivel
Los tanques reguladores de nivel se utilizan básicamente para mantener el nivel de líquido constante en el depósito que alimenta una bomba con un determinado producto. Al mantener el nivel de producto constante en el depósito que alimenta una bomba se consigue evitar variaciones en la presión con la que se alimenta dicha bomba.
Se instalan normalmente delante de equipos que presenten un caudal de funcionamiento inferior al caudal suministrado por la línea de proceso, como por ejemplo, intercambiadores de calor, envasadoras, etc.
Dentro de los tanques encargados de regular el nivel se pueden encontrar dos sistemas diferentes para llevar el proceso a cabo:
1 Sistema de tanque regulador de nivel con flotador.
2 Sistema de tanque regulador de nivel con sondas de nivel.
Tanques de mezcla
Los tanques de mezcla se utilizan para realizar la mezcla de ingredientes o la incorporación de productos en polvo.
Estos tanques deben disponer de un sistema de agitación y mezcla que dependerá de los productos que se quieran mezclar.
La mezcla se puede realizar de dos formas:
1 Un único tanque en el que se añade el producto a mezclar a la leche que contiene el tanque.
2 Con un dispositivo previo al tanque que consta de una bomba y una tolva que efectúa la adición del producto.
Tanques de proceso
Los tanques denominados “de proceso” son aquellos en los que se realizan las transformaciones tecnológicas de los productos.
Los depósitos de proceso pueden ser de dos tipos:
1 De pared simple o doble con aislante. (Son tanques isotermos sin sistemas de refrigeración, similares a los de almacenamiento).
2 De doble pared hueca para el sistema de calentamiento y refrigeración. En este tipo de depósitos existen válvulas que gestionan la entrada y salida de agua y vapor por la doble pared del tanque para que este se refrigere o caliente en función de las necesidades.
Sus características, por tanto, dependerán del tipo de producto y proceso a realizar, como incubación del yogurt, preparación de cultivos, etc.
Depósito de proceso. Se destacan las partes que componen el sistema de calentamiento y refrigeración
Aplicación práctica
En las imágenes se muestran sendos tanques de almacenamiento y de proceso, respectivamente.
¿Dónde radica la diferencia fundamental entre estos dos tipos de tanques?
SOLUCIÓN
La diferencia fundamental entre el tanque de almacenamiento y el tanque de proceso es el sistema de calentamiento y refrigeración que este último lleva incorporado.
Los tanques de almacenamiento son tanques isotermos, es decir, mantienen la temperatura del líquido que albergan pero no generan frío ni calor.
El tanque de proceso incorpora un sistema de doble pared por los que fluye agua o vapor permitiendo calentar o enfriar el tanque y manipular la temperatura del líquido que contiene.
Tanques asépticos
Los tanques asépticos son depósitos empleados para el almacenamiento intermedio de productos lácteos tratados por el sistema UHT.
Sabía que...
UHT son las siglas en inglés de Ultra High Temperature y significa “temperaturas ultra altas”. Son tratamientos térmicos que aplican altas temperaturas durante cortos espacios de tiempo.
Estos tanques deben garantizar la asepsia necesaria para evitar la contaminación externa del producto UHT durante el proceso de envasado.
Son cerrados herméticamente y resisten una presión de hasta 3 bar.
La capacidad de estos tanques puede variar de 20 a 110 metros cúbicos.
Actividades
5. Buscar información acerca de la equivalencia que tienen los metros cúbicos y los litros.
6. Buscar información acerca de la equivalencia entre bar (unidad de medida de presión) y otras unidades de medida de dicha variable.
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