La filtración en la industria láctea es una actividad crucial que logra aumentar la vida útil de diversos productos, como la leche y el queso. Asimismo, esta técnica aporta otros beneficios gracias a su continua evolución.
Beneficios y Evolución de la Filtración
La filtración en la industria láctea ha sido uno de los grandes pasos hacia la innovación, al maximizar la calidad de la leche y sus derivados. El objetivo es mejorar el producto final y conseguir que sea más limpio y seguro para el consumo humano. Este proceso se encarga de eliminar los microorganismos y las impurezas que puedan condicionar la calidad final del producto, logrando también una textura más suave y uniforme tras eliminar las partículas sólidas.
A lo largo del tiempo, la filtración ha pasado por una variedad de cambios para optimizar los resultados finales. Existen varios métodos de filtrado que se usan para alargar la vida útil de la leche, y estos van desde elementos mecánicos hasta el uso de productos químicos. La introducción de los sistemas de filtración con membranas, en particular, ha permitido obtener un mayor rendimiento en la elaboración de algunos productos lácteos, así como aprovechar mejor los subproductos generados en los procesos industriales. Además, estos sistemas han hecho posible desarrollar nuevos productos mediante la modificación de algunos procesos tradicionales.
Composición de la Leche y su Relevancia para la Filtración
La leche es principalmente agua (87-89%), pero también contiene nutrientes como grasas, proteínas, lactosa, minerales, vitaminas, enzimas, pigmentos, hormonas, factores de crecimiento y ácidos orgánicos. Los lípidos (grasas) constituyen entre el 2.8% y el 4.0% de la leche e incluyen grasa, lípidos complejos (como el colesterol) y vitaminas liposolubles. Los carbohidratos (azúcares) representan aproximadamente entre el 3.4% y el 5.4%, incluyendo la lactosa, la glucosa y otros azúcares. Los minerales incluyen sodio, calcio y otros compuestos iónicos (por ejemplo, sales); los pigmentos incluyen caroteno, luteína y riboflavina.
El tamaño de los componentes de la leche cruda puede variar significativamente. Por ejemplo, la grasa puede tener un tamaño de entre 0.1 y 10 µm, la proteína/lactoglobulina, de entre 0.015 y 0.05 µm, y la caseína, de entre 0.03 y 0.8 µm. El peso molecular de la proteína de suero es superior a 10 kDa (67 kDa/51 kDa/31 kDa/24 kDa/18 kDa/14 kDa).
La leche cruda también puede contener microorganismos como cocos (0.75-1.25 µm), bacilos (2-5 µm) y espiroquetas (100-200 µm), que se forman durante la producción y el transporte. Aunque la leche cruda de vaca es rica en nutrientes, puede echarse a perder si no se esteriliza con la suficiente rapidez, lo que subraya la importancia de la filtración.
Tecnologías de Filtración por Membranas
La industria láctea ha experimentado un gran desarrollo en las últimas décadas, con avances técnicos orientados a la automatización y mejora de equipos para el procesamiento de productos lácteos. Los sistemas de filtración con membranas permiten concentrar y separar leche o fracciones lácteas de forma selectiva, en función del tamaño del poro de la membrana que se utilice. En estos sistemas, las membranas pueden dejar pasar solo agua, o permitir el paso de minerales, lactosa o macromoléculas de diferente tamaño.
El flujo del líquido filtrado en estos sistemas es tangencial: la leche o fracción láctea fluye en una dirección y, tras generar una presión en el sistema, se fuerza el paso del líquido filtrado en una dirección perpendicular al flujo del líquido a concentrar o fraccionar. La eficiencia de la filtración depende de la presión transmembrana que se ejerce en el sistema mediante la regulación del flujo por la acción de una serie de válvulas.
Las membranas pueden disponerse enrolladas en espiral, formando tubos agrupados en haces en los sistemas de fibra hueca, o en láminas que se disponen en un filtro prensa.
Microfiltración (MF)
Las membranas de microfiltración tienen el tamaño de poro más grande de las cuatro tecnologías principales de filtración de lácteos. Este proceso se utiliza para separar muchos de los componentes de la leche, como proteínas de suero, minerales, caseína y grasas. La microfiltración es particularmente útil para la separación de caseínas, grasa y bacterias, reteniendo las grandes micelas de caseína y permitiendo el paso de proteínas séricas más pequeñas.
Un ejemplo práctico es la filtración de la salmuera utilizada en el salado de quesos para poder reutilizarla, eliminando microorganismos y partículas de caseína. Las soluciones de microfiltración avanzada pueden eliminar hasta el 99.9999% de las bacterias y esporas en la leche, a menudo mediante una unidad de filtración por membrana cerámica y un tratamiento de alta temperatura (HTT) de la crema. El flujo de permeado de la microfiltración contiene proteínas de suero de leche nativas, que pueden procesarse para obtener productos de mayor valor como la proteína aislada de suero (WPI) o concentrados de proteína de suero (WPC).
Ultrafiltración (UF)
Durante la ultrafiltración, la leche pasa por una membrana porosa que retiene cualquier impureza para garantizar la seguridad alimentaria. En este proceso, se pueden separar selectivamente proteínas según el tamaño de los poros, como es el caso de la separación de caseínas y proteínas del lactosuero, o el fraccionamiento del lactosuero. Los poros de las membranas de ultrafiltración son más grandes que en la nanofiltración, y la presión aplicada es relativamente baja. Las sales, los azúcares, los ácidos orgánicos y los péptidos más pequeños pasan como permeado.
La ultrafiltración también permite eliminar la lactosa de algunas fracciones lácteas destinadas a estandarizar la leche para elaborar productos como el yogur, donde un exceso de lactosa podría causar problemas tecnológicos como la sobreacidificación.
Esta técnica ha revolucionado la elaboración de queso, aplicándose como operación previa a la coagulación de la caseína. Al concentrar la leche (con factores de 1.5 a 2), se reduce considerablemente el volumen introducido en la cuba de cuajado, disminuyendo la cantidad de enzima coagulante y otros aditivos necesarios, como el cloruro de calcio o los cultivos iniciadores. Esta concentración previa también incrementa los niveles de proteína y grasa, mejorando el rendimiento y la calidad del queso. Estos sistemas han permitido la producción industrial de variedades de quesos madurados, como el Emmental o el Cheddar, y el desarrollo de nuevos tipos de queso fresco, permitiendo su obtención a precios más asequibles gracias a la producción a gran escala automatizada.
Nanofiltración (NF)
La nanofiltración permite la desmineralización de fracciones lácteas como el lactosuero y la mazada, haciendo posible su uso en la elaboración de productos donde no es conveniente elevar el contenido de sales, como las leches infantiles. Con la nanofiltración, la leche puede mantener toda la lactosa para, posteriormente, hacer preparados especiales como pasteles de queso o pudines. Esta tecnología utiliza poros de membrana ligeramente más abiertos que la ósmosis inversa, y los productos típicos incluyen concentrado de proteína láctea (MPC) y aislado de proteína láctea (MPI), que se producen utilizando membranas espirales poliméricas.
Ósmosis Inversa (OI)
La ósmosis inversa, utilizando las membranas más finas posibles, permite que esencialmente solo pase el agua. Todos los demás componentes líquidos o suspendidos, incluidas bacterias, grasas, proteínas, azúcares y minerales, se filtran como retenidos. Las corrientes diluidas de los procesos de microfiltración y ultrafiltración a menudo se concentran mediante el uso de nanofiltración u ósmosis inversa, o una combinación de ambos.
Una tendencia creciente en la preparación de leche refrigerada es la estandarización de los sólidos totales para controlar la variación estacional. La concentración por ósmosis inversa en este ámbito es cada vez más demandada, ya que mantiene la proporción de todos los nutrientes en la leche al eliminar solo el agua, reduciendo el volumen y aumentando la concentración de sólidos.
Aplicaciones y Productos Derivados
Los sistemas de filtración por membrana tienen diversas aplicaciones en la industria láctea. La leche está compuesta de muchos componentes diferentes y debe cumplir altos estándares para ser utilizada en el producto final. La filtración por membrana permite fraccionar la leche en sus componentes constituyentes, que luego pueden usarse para producir un amplio espectro de productos.
La industria láctea elabora una variedad de productos, como leche pasteurizada, leche aséptica de baja temperatura, leche concentrada, yogur, queso, proteína de suero en polvo, caseína en polvo, lactosa y minerales. La filtración por membrana se utiliza ampliamente, centrándose en la esterilización, el desengrasado, la clasificación de proteínas, la desazucaración, la desalinización y la concentración.
Algunas aplicaciones específicas de la filtración por membrana incluyen:
- Desnatado de leche cruda.
- Esterilización y filtración de leche desnatada.
- Concentración de leche entera para producción de queso.
- Desalinización de leche desnatada.
- Eliminación de lactosa de la leche desnatada.
- Concentración de caseína en leche desnatada.
- Separación de caseína y proteína de suero.
- Eliminación de grasa residual del suero.
- Producción de proteína de suero en suero.
- Producción de lactosa en suero.
- Recuperación de minerales del suero.
- Producción de yogur concentrado.
Algunos productos finales incluyen leche desnatada esterilizada, leche concentrada (2 a 4 veces), concentrado de caseína, concentrado de proteína de suero, proteína de suero sin azúcar, proteína de suero sin sal y yogur concentrado. El permeado de filtración de la ultrafiltración y microfiltración de leche consiste principalmente en lactosa, un ingrediente preferido en la estandarización de la leche en polvo.
Los ingredientes a base de suero de leche son un segmento lácteo de rápido crecimiento, con productos como lactoferrina, fosfato de calcio, lactosa, polvo de permeado e hidrolizados. Una tendencia reciente es la combinación de filtración por membrana con cromatografía para extraer ingredientes de alto valor agregado, como la lactoferrina, permitiendo que la leche se utilice posteriormente para la producción de concentrado de proteína láctea.
Procesos de electro-separación por membranas.
Ventajas y Desafíos en la Filtración Moderna
La filtración por membrana se caracteriza por su alta precisión, baja temperatura y ausencia de cambio de fase. Es eficaz para concentrar productos lácteos como queso y productos cultivados, y es fundamental para aislar componentes objetivo para ingredientes a base de suero de alto valor. A lo largo de los años, esta tecnología ha ganado terreno en la preparación de la leche, permitiendo el control de parámetros más allá de la grasa.
Hoy en día, la filtración por membrana es una parte esencial de la producción de leche, yogur, queso e ingredientes en la industria láctea. El proceso de filtración de la leche presenta desafíos relacionados con el rendimiento, el flujo, el ensuciamiento, la multiplicación de la concentración, la desalinización, la eliminación de lactosa, la limpieza de membranas y el control aséptico, para los cuales la industria ha acumulado una rica experiencia en la investigación y desarrollo de materiales y equipos.