Copyright © 1996. Depósito legal pp. 76-0010 ISSN 0378-1844. INTERCIENCIA 21(4): 224-227

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DESALADO DE LOS SUEROS LÁCTEOS POR ELECTRODIÁLISIS

A. L. MEDINA; F. VEJAR; D. RAUCQ.

Ana Luisa Medina, doctora en ciencias de alimentos, Universidad de Bourgogne Francia. Profesor asociado de la Facultad de Farmacia de la Universidad de Los Andes, investigador activo del Laboratorio F.I.R.P,, Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería ULA. Línea de investigación: recuperación y valorización de proteínas de desecho. Dirección: Lab. de Fenómenos Interfaciales, U.L.A. Mérida, Venezuela. Fax (582-74) 402957.
Didier Raucq, Doctor en Química Física, Universidad de Montpellier II, Francia, investigador del laboratorio cnrs. Línea de investigación electroquímica.
Francia Vejar, Lic. en Química, Asistente de Investigación Laboratorio F.I.R.P., Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería Universidad de Los Anden Línea de investigación: surfactantes y emulsiones.


RESUMEN

Las técnicas de separación por membranas están siendo cada vez más utilizadas para el tratamiento de desechos de los procesos agro-alimentarios. El tratamiento de estos compuestos trae como beneficio un aprovechamiento total de los nutrientes aún contenidos en estos desechos y, por otra parte, evita problemas de contaminación ambiental. El presente trabajo trata del desalado de los sueros concentrados y salados provenientes de una quesería. Se utilizó un sistema de desalado por electrodiálisis, con tres circuitos, una membrana de intercambio aniónico y otra de intercambio catiónico. El avance del desalado se siguió mediante medidas de conductividad y de concentración de ión cloruro. Las pruebas se hicieron a una intensidad de 2 Amperios, a una tensión máxima de 20 Voltios y a una temperatura de 25C. La tasa de desalado y el rendimiento farádico fueron satisfactorios. PALABRAS CLAVE / Suero lácteo / Membranas / Electrodiálisis / Desalado /


SUMMARY

Membrane separation techniques are now being used more frequently for the treatment of wastes from food processing plants. The treatment of these residues would be beneficial from both the total utilization of the nutrients and the control of pollution. This work is about the separation of salts from concentrated cheese whey. A three circuit electrodialisis system was used with cation and anion exchange membranes. Desalination was monitored by conductimetry and ion chlorine concentration measurements. The trials were conducted at 25C, intensity of 2 Amperes and maximum tension of 20 volts. The rate of desalination and Faradic yield were satisfactory.


RESUMO

As Amém de separação por membranas estão sendo cada vez mais utilizadas no tratamento de desperdicios nos processos agroalimentários. O tratamento destes compostos traz como beneficio um aproveitamento total dos nutrientes contidos nestes lixos, e por outro lado, evita problemas de contaminação ambiental. O presente trabalho trata da eliminação do sal dos soros concentrados e salgados, provenientes de fábricas de queijo. Foi utilizado um sistema de elétrodiálise, com três circuitos, uma membrana de intercâmbio aniônico e outra de intercâmbio catiônico. O progresso da eliminação do sal foi efetuado mediante medidas de condutividade e de concentração de íon cloruro. As provas foram efetuadas a uma intensidade de 2 amperes, a uma tensão máxima de 20 vóltios e a uma temperatura de 25C. A taxa de eliminação do sal e o rendimento farádico foram satisfatórios. Trad. Lígia Ojeda


Introducción

Electrodiálisis en la Industria de Alimentos

Diversas técnicas de separación basadas en la utilización de membranas (minerales u orgánicas) tales como la ultrafiltración, ósmosis inversa, electrodiálisis, que se han desarrollado recientemente permiten, entre otros procesos, la recuperación y la valorización de ciertos desechos mediante operaciones de purificación y concentración.

Dentro de las principales ventajas de estos métodos tenemos:

No se produce desnaturalización de los productos naturales por cambios de fase o por elevación de la temperatura No se deben agregar productos químicos Se necesita poca energía.

Estas técnicas membranarias tienen un mercado actual y potencial considerable en la industria agro-alimentaria como, por ejemplo, en la separación de mostos de fermentación o en la eliminación de metabolitos por acoplamiento fermentador / ultrafiltración o para la preparación de vacunas o de enzimas. Otra aplicación de gran interés es el tratamiento de aguas: agua de mar y de las salmueras; esta aplicación cobra mucho interés para países del Lejano Oriente, por ej. Arabia Saudita y los países del Medio Oriente.

Nosotros nos referiremos particularmente a la recuperación y valorización de las proteínas del lactosuero, y a otras aplicaciones dentro de la industria láctea (San Martin et al., 1989), como la obtención de:

Suero de leche: procedente de la fabricación de queso. Se trata de obtener sueros concentrados hasta un 25% de sólidos, que posteriormente podrán ser secados totalmente.

Suero ultrafiltrado: proveniente de las etapas de ultrafiltración en las que se han separado la mayor parte de las proteínas, siendo su composición básicamente lactosa y sales minerales.

Leche desnatada: el concentrado se emplea para fabricar leche desnatada en polvo.

El interés del tratamiento de los lactosueros provientes de las queserías se detalla a continuación:

  1. Valorización de los lactosueros suaves utilizándolos en la composición de leches maternizadas.
  2. Facilitar el tratamiento posterior de los sueros ácidos con la finalidad de utilizarlos para la alimentación animal.
  3. Valorización de las melazas de queserías para su utilización en alimentos para animales.
  4. Facilitar los procesos para la purificación de proteínas provenientes del lactosuero.
  5. Participar en la lucha contra la contaminación ambiental evitando los aumentos en la DBO1 y en la DQO2 del agua de los ríos.

El lactosuero es considerado como un efluente que se elimina ya sea botándolo en los ríos o tratándolo en plantas de desechos. Las materias orgánicas contenidas en los sueros y que pueden fermentar constituyen una de las causas principales de contaminación de los ríos. Por ejemplo una quesería francesa media produce cada día 200 toneladas de lactosuero, el cual contiene 12 toneladas de materia seca de alto valor nutricional.

El lacto suero proveniente de las queserías tiene un alto porcentaje de sal puesto que es la materia prima obtenida luego de salar la cuajada durante una de las etapas para la elaboración del queso.

Se hace necesario desalar este suero antes de la concentración y purificación de las proteínas ya que la presencia de una fuerza iónica importante hace variar la solubilidad de las proteínas. Con una fuerza iónica baja, se obtendrá un efecto disolvente (saltingin) y con una fuerza iónica alta, un efecto precipitante (salting-out)

Nuestro objetivo principal en este estudio es desalar el lacto-suero proveniente de las queserías para su posterior ultrafiltración (concentración) y purificación de proteínas a través de técnicas cromatográficas.

Material y Métodos

La desmineralización y la desacidificación de los subproductos lecheros, en particular los sueros lácteos, se realiza a través de técnicas de electrodiálisis.

El aparato a utilizarse es un electrodialisador de laboratorio tipo Kel'f cuyas dimensiones son de 10,5 x 12,5 x 1 cm3 y la superficie útil será de 40 cm2.

En la Figura 1 se esquematiza el montaje realizado para las pruebas de desalado del suero lácteo en donde se puede observar tres circuitos: en el número 1 se encuentra el suero lácteo salado, en el N 2 tendremos la solución concentrada de sal y por último el compartimiento N 3 permite el enjuague de los electrodos a través de una solución de sulfato de sodio (Na2 SO4 1M)


Fig. 1. Desalado por electrodiálisis.


Las diferentes soluciones circulan en circuito cerrado dentro de cada compartimiento. El compartimiento de los electrodos, está alimentado por la solución del circuito 3. Bajo el efecto de una diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos, se establece una corriente eléctrica por migraciones iónicas dentro de las soluciones al pasar a través de las membranas. El uso de membranas de electrodiálisis de tipo intercambio aniónico (MIA) y catiónico (MIC), permite el paso preferencial de iones, tales como los aniones cloruros o los cationes de sodio, lo que facilita una depuración del suero lácteo.

Los aniones cloruro migran a través de la membrana de intercambio aniónico (MIA), desde el compartimiento 1 hacia el ánodo; esta migración se verá detenida por la membrana de intercambio catiónico (MIC) en el compartimiento 2.

Los cationes de sodio migran a través de la MIC, desde el compartimiento 1 hacia el cátodo, encontrándose al final en el circuito 3. Cuando pasan frente al ánodo, migran a través de la MIC por el compartimiento 2. En consecuencia, baja la concentración de sal (NaCl) en el circuito 1 y se concentra en el circuito 2; así mismo se observa que no hay cambio de concentración iónica en el circuito 3.

Seguimos la tasa de desalado del suero en el circuito 1 y la concentración de sal en el circuito 2, a través de mediciones de concentración de ion cloruro (titulador de cloruro Corning) y por medidas de conductividad (Conductímetro Tacussel tipo CD6N).

Las características de las membranas utilizadas durante las experiencias, se detallan a continuación: todas las membranas fueron adquiridas del distribuidor TOCUYAMA-SODA, (Kawahana. T, 1983), y se usó el procedimiento de las membranas SELEMION.

Las membranas de intercambio catiónico se seleccionaron en base a dos criterios: el primero, la posibilidad que presenta la membrana de trabajar con sales; para eso se escogió la CM1; el segundo criterio, fue la resistencia de la membrana al taponamiento orgánico para lo cual se escogió la CR2.

En cuanto a la membrana de intercambio aniónico, la característica principal buscada fue la resistencia al taponamiento orgánico; la que cumplía con esta condición fue la AFN.

Las soluciones de cada circuito se detallan a continuación: en el circuito N 1 se introdujo un litro de la muestra de lactosuero, con una concentración en cloruro de sodio de 0,22M.

En el circuito N 2 se puso un litro de solución de cloruro de sodio; para la prueba N 1 (PRB1) este NaCl tenía una concentración de 1M, y para la prueba N 2 (PRB2) la concentración fue de 0,5M.

El circuito N 3 contenía un litro de la solución de enjuague de sulfato de sodio de concentración 1M.

A continuación detallaremos las características de la muestra tratada: es un lacto suero concentrado y salado proveniente de Pasteurizadora Táchira, cuya composición se especifica a continuación:

Porcentaje de grasa inicial: 3.4 % determinada por el método Promilk-Turbidimetría, esta grasa se debe rebajar mediante centrifugación a 3000 RPM durante 15 minutos, repitiéndose el proceso 1 vez.

Porcentaje de sal inicial: 1.3 % de NaCl (titulador de cloruros Corning.) - pH inicial: 4.12

Durante las dos pruebas PRB1 y PRB2, se respetaron las mismas condiciones en cuanto a las membranas utilizadas, a temperatura de las corridas 25C, a tensión de 0-20 Voltios, igual intensidad de 2 Amperios. Sólo se modificó la concentración de sal del circuito 2: en la PRB1 fue de 1M y en la PRB2 de 0,5M.

El rendimiento farádico de desmineralización fue calculado por la fórmula siguiente:

donde D eq: variación del número de equivalentes Cl- en el suero.

F: el Faraday (96500 Cb)

Q: cantidad de electricidad suministrada,

Q= (intensidad de la corriente eléctrica) x (Tiempo) expresada en Amperios x Segundos

Resultados

La Figura 2 nos muestra la relación existente entre la conductividad y la concentración en sal de la solución; como se puede observar existe una excelente correlación entre la concentración de sal y la conductividad


Fig. 2. Curva de calibración: Log ([NaCl]) = (Conductividad)


La Figura 3 representa la evolución de la tensión eléctrica entre los electrodos, durante la prueba. Se sigue la prueba hasta que el voltaje suba al máximo de la capacidad de la fuente de poder (20 V). Aquí se observa una variación débil o nula hasta 100 minutos, luego se tiene un incremento del voltaje que refleja una baja de conductividad de las soluciones.


Fig. 3. Evolución de la tensión eléctrica entre los electrodos durante las pruebas.


Se puede observar en la figura 3 que el voltaje final obtenido en ambas pruebas es igual a 20 V, en tiempos diferentes correspondientes a 270 y 240 minutos para PRB1 y PRB2 respectivamente.

La Tabla I nos muestra que el % de cloruros finales fue bastante bajo y el volumen de la muestra tratada se mantuvo constante. Se obtuvo una tasa de desalado satisfactoria: para la PRB1 78% y para la PRB2 69%. El rendimiento farádico o de concentración fue bueno.

Tabla I EFICIENCIA DEL DESALADO DEL SUERO LÁCTEO

PRB

Tiempo
(min)

[Cl-]
mol/L

[Cl-]

Volum
(L)

Variac
(eq)

Rdt
Farádico
(%)

Tasa
desalin
(%)

1

0

0.367

1.30

1

     
 

270

0.106

0.38

0.890

0.273

81.3

78

2

0

0.367

1.30

1

     
 

240

0.115

0.40

0.880

0.266

89.1

69

 

En la Figura 4, podemos ver la evolución de la conductividad de la sal en el circuito 2 en función del tiempo. Se observa que la conductividad aumenta linealmente con la concentración de la sal (NaCl) en este circuito, en función del tiempo.


Fig. 4. Evolución de la conductividad de la sal en el circuito 2.


 

Conclusiones

El objetivo fue extraer la sal (NaCl) de una solución de lactosuero por electrodiálisis con una intensidad fija de 2 Amperios. La concentración de sal fue seguida mediante determinación de los iones cloruro. Dos pruebas permitieron desalar el lacto suero concentrado, desde una concentración de sal de 1.3% hasta 0.4% y con un rendimiento farádico de 89%. Este desalado permite la purificación de las proteínas del suero lácteo.

Las pruebas se detuvieron cuando el desalado del suero hace que se incremente la tensión eléctrica hasta el máximo de la fuente de poder (20 V)

Se pueden implementar otros ensayos modificando solamente la intensidad al final de la prueba y dejando el voltaje constante.

La industria láctea podría servirse de las técnicas membranarias para el mejor aprovechamiento de sus subproductos, así como para la estandarización proteínica de la leche con el beneficio de tener mejores rendimientos en la industria quesera o en las leches en polvo etc.

Habría que enfatizar que la electrodiálisis se aplica a todos los problemas de desalado, extracción de moléculas especificas, etc. incluso aquellos procesos donde se tratan líquidos "frágiles" o termosensibles, como es el caso en la industria de Bio-Tecnología.

Las técnicas membranarias tienen posibilidades de múltiples aplicaciones en los dominios más variados. En la actualidad se están tratando de implementar en diferentes sectores agro-industriales. (Maurel, A. 1974 ).

Notas:

  1. DBO: Demanda Bioquímica de Oxígeno es la cantidad de oxígeno consumida durante la descomposición natural de la materia orgánica presente en una determinada cantidad de desecho, bajo condiciones determinadas.
  2. DQO: Demanda química de Oxígeno, es la cantidad de oxígeno requerida para la oxidación de los desechos mediante un compuesto químico oxidante, como el permanganato de potasio o el dicromo de potasio.

REFERENCIAS

Cottereau,P., (1992): Stabilisation tartrique des vins du Beaujolais par electrodialyse. Revue Oenologues N 69 S, p 43-46. France.

Escudier, J.L., Moutounet, M.y Saint Pierre, B. (1993): Stabilisation tartrique des vins par electrodialyse. Revue des Oenologues, N 69 S. p 35-37. France.

Guillot, G., (1989): Separaciones sobre membranas. Las ventajas Francesas. CNRS. Informe Paris

Guerif, G., (1992): L'electrodialyse appliquée a la stabilisation tartrique des vins. Revue Oenologues N 69 S.p 39-42. France.

INRA. (1992): Application des techniques a membranes aux produits de la vigne INRA. Informe Paris.

San Martin, J., Alvarez,F. y Coca. J. (1989): La ósmosis inversa y la industria láctea. Revista de Ingeniería química. Vol 4, p 31-35. ULA Mérida.

Raucq, D., (1994): Membranas de Intercambio iónico y técnicas electromembranarias. Cuaderno FIRP N 456 a. Facultad de Ingeniería. ULA, Mérida

Raucq, D., (1994): Curso práctico de las Aplicaciones de la Electrodiálisis. Cuaderno FIRP N 456 b. Facultad de Ingeniería. ULA, Mérida.

Kawahara, T., (1983): Industrial Applications of Ion exchange Membranes Part. 2 Desalination and Water Reuse Vol. 311 p 43-47.

Maurel, A., (1974):Osmose inverse et Ultrafiltracion II Technologie et Applications. Tech. Ing. J. 2796 - 7 Paris.

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