Tesis / 0050 / I.M. by MAOSABO

SISTEMAS DE ENVASADO PARA PRODUCTOS LÁCTEOS

OSCAR REINALDO TAMAYO PÁEZ

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2015

OSCAR REINALDO TAMAYO PÁEZ

Monografía para optar el título de Ingeniero Mecatrónico.

Director: Fabio Lorenzo Roa Cárdenas Ingeniero Mecánico

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2015

Nota de Aceptaci贸n ______________________________ ______________________________ ______________________________

______________________________ Firma del presidente del jurado

______________________________ Firma del jurado

Bogot谩 D.C. 26 de Octubre del 2015

AGRADECIMIENTOS

Mis agradecimientos más sinceros a:



A la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, la Facultad de ingeniería Mecatrónica, sus directivos, funcionarios, compañeros y Profesores.



A mi hermana Mónica, mi mama María Teresa y a todas aquellas personas que me apoyaron para la culminación de la ingeniería, que gracias a sus valiosos aportes se pudo llevar a cabo.



A los profesores del diplomado en “Eficiencia y eficacia de procesos productivos”, por brindarme más conocimientos en la formación académica.



A la empresa Estilo Ingeniería, por brindarme el espacio para realizar mi formación académica y los recursos necesarios para llevar a cabo esta culminación de mis estudios.



A mi padre que ya falleció, quien me apoyó desde el comienzo de mis estudios, brindándome cariño, formándome con buenos valores, hasta su fallecimiento, desde allí seguí sus consejos y pude finalizar mi carrera.

CONTENIDO Pág. RESUMEN ............................................................................................................... 9 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 10 1.1 OBJETIVOS .............................................................................................. 12 1.1.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................ 12 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................... 12 1.3 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 14 2. METODOLOGÍA ................................................................................................ 15 3. DESCRIPCIÓN DEL SECTOR .......................................................................... 16 3.1 INDUSTRIA LÁCTEA ................................................................................ 16 3.2 PRODUCTOS LÁCTEOS .......................................................................... 17 3.2.1 Queso. ................................................................................................ 17 3.2.2 Yogurt ................................................................................................. 20 3.2.3 Leche .................................................................................................. 22 3.2.4 Helado ................................................................................................ 24 4. MARCO NORMATIVO....................................................................................... 27 4.1 NORMAS APLICABLES EN LA INDUSTRIA LÁCTEA A NIVEL INTERNACIONAL ........................................................................................... 27 4.2 NORMAS APLICABLES EN LA INDUSTRIA LÁCTEA A NIVEL NACIONAL ...................................................................................................... 28 5. ESTADO DEL ARTE ......................................................................................... 30 5.1 DISEÑO DE MÁQUINAS PARA EL SECTOR LÁCTEO REALIZADOS POR CENTROS DE PRODUCCIÓN DE CONOCIMIENTO (UNIVERSIDADES) ......................................................................................... 30 5.1.1 Maquinaria de envasado de yogurt aplicando conceptos neumáticos de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica de México.. ....................... 30 5.1.2 Automatización de una envasadora de lácteos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.. ..................................................... 32

5.1.3 Diseño y construcción de una maquina envasadora de líquidos de la Universidad Politécnica Salesiana sede Guayaquil. .................................... 33 5.1.4 Implementación del sistema de enfundado y dosificación de líquidos para una máquina semi industrial de la Escuela Politécnica Nacional sede Quito.. .......................................................................................................... 37 5.2 FABRICANTES DE MAQUINARIA PARA EL ENVASE DE LOS PRODUCTOS LÁCTEOS ................................................................................ 42 5.2.1 Llenadora ultra limpia H2F para llenado aséptico, distribuida por la empresa Francesa SERAC GROUP.. ........................................................ 42 5.2.2 Dosificadora volumétrica rotativa HEMA MV ROTARY, distribuida por la empresa francesa HEMA PNEUMATIC SCALE ANGELUS. ................... 43 5.2.3 Envasadora lineal para llenar, cerrar y rotular recipientes, distribuida por la empresa brasileña FINAMAC.. .......................................................... 44 5.2.4 Envasadora de productos lácteos an650y, distribuida por la empresa europea ARANOW PACKAGING MACHINERY. ....................................... 45 6. RESULTADOS .................................................................................................. 47 6.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS MAQUINAS ENVASADORAS DE LÁCTEOS DISEÑADAS EN CENTROS DE PRODUCCIÓN DE CONOCIMIENTOS (UNIVERSIDADES) ......................................................... 47 6.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS MAQUINAS ENVASADORAS DE LÁCTEOS DISPONIBLES EN EL COMERCIO ............................................... 52 7. RECOMENDACIONES A FUTUROS TRABAJOS ............................................ 56 8. CONCLUSIONES .............................................................................................. 57 REFERENCIAS ..................................................................................................... 60

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Datos Técnicos de la Envasadora. .......................................................... 43 Tabla 2. Datos Técnicos de la Envasadora de Helado .......................................... 44 Tabla 3. Datos Técnicos de Envasadora an650y................................................... 45 Tabla 4. Comparación de máquinas encontradas.................................................. 48 Tabla 5. Ventajas y desventajas de las envasadoras lineales. .............................. 49 Tabla 6. Comparación de máquinas encontradas.................................................. 50 Tabla 7. Análisis de ventajas y desventajas de las envasadoras verticales. ......... 51 Tabla 8. Comparación de las máquinas disponibles en el mercado ...................... 54 Tabla 9. Lista de chequeo de las características de diseño. ................................. 55

LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Variedad de Quesos. .............................................................................. 17 Figura 2. Diagrama de Flujo de la Elaboración de Quesos. ................................... 19 Figura 3. Variedad de Yogurt ................................................................................. 20 Figura 4. Diagrama de Flujo de la Elaboración del Yogurt. .................................... 22 Figura 5. Leche pasteurizada................................................................................. 23 Figura 6. Diagrama de Flujo de la Elaboración de la Leche. ................................ 24 Figura 7. Helado Industrial. .................................................................................... 24 Figura 8. Diagrama de Flujo de la Elaboración del Helado. ................................... 26 Figura 9. Estación de Envase de Yogurt. .............................................................. 30 Figura 10. Diagrama general de la planta productora. ........................................... 31 Figura 11. Diagrama básico de la maquina envasadora. ....................................... 32

Figura 12. Tambor Giratorio de Alimentación de Botellas. ..................................... 34 Figura 13. Sistema de Alimentación de Material por Banda Transportadora. ........ 34 Figura 14. Tuberías de Dosificación del Producto. ................................................ 35 Figura 15. Sistema de Detección Para el Llenado de Envases. ............................ 36 Figura 16. Máquina de Enfundadora y Dosificadora de Líquidos........................... 37 Figura 17. Sistema de Dosificación por Gravedad ................................................. 38 Figura 18. Mecanismo Formador de la Funda Plástica. ......................................... 38 Figura 19. Mecanismo de Arrastre de las Láminas Plásticas. ............................... 39 Figura 20. Sistema de Sellado Vertical. ................................................................. 40 Figura 21. Sellado Horizontal y Corte. ................................................................... 40 Figura 22. Partes Principales de la Envasadora H2F ........................................... 42 Figura 23. Hema MV Rotary ................................................................................. 43 Figura 24. Activa Envasadora para Productos Cremosos .................................... 44 Figura 25. Envasadora an650y ............................................................................. 46

RESUMEN

Este documento, contiene una revisión documental de las envasadoras para productos lácteos, producidas por centros de producción de conocimiento (universidades) y los fabricantes del mercado. Se describe algunos productos lácteos e información como es: historia, normatividad, procesos de elaboración, materiales de fabricación, componentes electrónicos y descripción del funcionamiento de la máquina, sustentando la información en consultas realizadas en la web, desarrollos de máquinas envasadoras en universidades latinas y empresas líderes en la fabricación de tecnología enfocada al sector lácteo. Su realización responde al propósito de explorar la disponibilidad de nuevas tecnologías aplicadas a los procesos de producción láctea; lo cual servirá como base para la elaboración de desarrollos de futuros proyectos de máquinas para el envasado de productos lácteos o productos similares.

INTRODUCCIÓN

La presente investigación hace referencia a las particularidades del diseño de máquinas envasadoras para el sector lácteo, como son: materiales de fabricación, componentes electrónicos y descripción del funcionamiento de la máquina. Todo esto está sujeto a la información consultada a través de los centros de producción de conocimiento y fabricantes del mercado. Además, a lo anterior se le suma el apoyo de profesionales conocedores de las tecnologías aplicadas a estos procesos de producción, con el fin de estar al tanto de nuevos mecanismos de automatización. Así pues, lograr la implementación de alguna de estas estrategias, optimizando sus procesos y mejorando la calidad y el desempeño de la planta, de forma tal, que sea más competitiva en el mercado nacional e internacional. El interés que me lleva a realizar esta monografía es servir como referencia bibliográfica del sector lácteo, más exactamente en el campo de las maquinarias para el envase de los productos de este sector. De forma tal, que este trabajo contiene información sobre historia, normatividad, procesos de elaboración y maquinaria presente en la actualidad; lo cual servirá como base para la elaboración de desarrollos de futuros proyectos de máquinas para el envasado de productos lácteos o productos similares. Esta monografía esta dividía en siete capítulos. En el primer y segundo capítulo se encuentra la descripción general de la problemática que va hacer tratada en el documento, así como el manejo de aspectos como: planteamiento del problema, justificación, objetivos y metodología. En el tercer capítulo, se describe de manera general el sector involucrado haciendo énfasis en aspectos como: descripción, historia, proceso para la obtención y el diagrama de flujo del proceso de los principales productos lácteos. En el cuarto capítulo se exponen las principales normas aplicables a la industria y maquinaria a nivel nacional e internacional. El quinto capítulo contiene la investigación sobre las máquinas de los centros de producción de conocimiento y los fabricantes del mercado, además, se describen los detalles de las máquinas, su método de envasado, sus partes principales y elementos usados. Simultáneamente, se describe detalles técnicos como son:

voltaje, corriente, dimensiones, peso, capacidad de producción y tipo de empaque que posee. En el sexto capítulo se presenta el análisis realizado con la información investigada en las universidades y en los fabricantes del mercado. Realizando así, una comparación entre las características que poseen las máquinas, seguido por un cuadro comparativo entre las ventajas y desventajas de las mismas. En el último capítulo se presentaran las conclusiones finales del trabajo y a continuación las referencias consultadas a lo largo del documento.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 OBJETIVO GENERAL Identificar características de diseño para la fabricación de máquinas empleadas en el envasado de productos lácteos con base en la información obtenida mediante la revisión de documentos provistos por fabricantes de maquinaria y fuentes de producción de conocimiento (Universidades) para la industria láctea.

1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Describir algunos aspectos relevantes de la industria de lácteos como: historia, productos, y proceso de producción.  Examinar la normatividad del sector lácteo a nivel internacional y nacional.  Indagar a cerca de la producción de conocimiento, generado desde algunas universidades, en cuanto a propuestas de diseño de máquinas de envase y empaque para el sector lácteo.  Identificar algunos de los principales fabricantes de maquinaria para la industria láctea, comparando la información suministrada por estos, con el fin de determinar características de diseño de sus productos.  Realizar un análisis comparativo de las características de diseño de las máquinas desarrolladas en los centros de producción de conocimiento.  Presentar un análisis comparativo de las particularidades de las máquinas para la industria láctea disponible en el mercado, de acuerdo al material provisto por fabricantes de maquinaria de dicha industria.

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los procesos de calidad del empaque en la industria láctea son cada vez más controlados y revisados por los entes de inspección a nivel nacional, debido a que, según la Encuesta Nacional de la Situación Nutricional en Colombia- 2010 (ENSIN), en el país la frecuencia diaria de consumo de lácteos para la población entre 5 y 64 años es del 61%1. Todo esto se debe a su gran contenido de vitaminas (A, D, B2, B1, B6 y B12) y minerales (fósforo, calcio, zinc y magnesio), lo que los convierten en alimentos con alto valor nutricional. El cumplimiento de todos los estándares puestos actualmente en el sector, hacen obtener una producción de alta calidad, conservando el mayor número de nutrientes de los lácteos. Por tal motivo, los pequeños, medianos y grandes productores lácteos, deben conocer las características de diseño utilizadas por diferentes empresas fabricantes de maquinaria para el envasado de productos lácteos; con el fin, de disminuir inconvenientes frecuentes en la producción como por ejemplo: pérdida de productos, incrementos en los costos de producción, contaminación con agentes bacterianos (nocivos para el ser humano), entre otros. Surge la necesidad de realizar una revisión a las características de diseño que poseen las maquinas envasadoras para productos lácteos, con el fin de mejorar la calidad del proceso de empaque de estos productos. ¿Cuáles son las características de diseño de las envasadoras para lácteos desarrolladas en universidades y proveedores de mercado?

(MINISTERIO DE SALUD Y PROTECCION SOCIAL, 2011)

1.3 JUSTIFICACIÓN

En la ingeniería mecatrónica uno de los campos de actividad laboral está relacionado con la fabricación y automatización de máquinas para diversas industrias con miras a mejorar los tiempos de producción, el gasto energético y el control de calidad, entre otros. El sector de los lácteos, necesita optimizar e implementar nuevas tecnologías para la elaboración y conservación de alimentos. De esta forma, se busca mejorar la calidad y durabilidad de estos, disminuyendo el desperdicio de materia prima y las pérdidas de producción debidas al incumplimiento de las normas sanitarias. La producción láctea se ve afectada por millones de patógenos tales como: Staphylococcus aureus, Streptococos betahemolíticos, Campylobacteriosis, que eventualmente provocan enfermedades como: Gastroenteritis por E. coli, Brucelosis, Tuberculosis, Listeriosis , Fiebre Tifoidea y Paratifoidea, etc. De hecho, según la Unidad de Seguimiento de Precios (USP) del Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural (MADR), en el primer semestre del 2009 se ha presentado el más alto índice de recuentos de bacterias mesófitas aerobias mayores de 700.000 UFC/mL, superando el límite máximo de normatividad exigida, es decir, que el 37,65% de la leche producida en ese momento presentaba una calidad inferior a la exigida.2. Esto representa una oportunidad para que los ingenieros mecatrónicos pensemos en desarrollar una optimización de los sistemas de envase en la producción de productos lácteos, previniendo así el contagio de este tipo de bacterias en los productos e implementando nuevos mecanismos de diseño que controlen este tipo de bacterias las cuales son nocivas para el ser humano. Para resumir, se pretende utilizar nuevas tecnologías para satisfacer las necesidades del sector. En razón de lo anterior, es que las compañías involucradas en este gremio requieren de profesionales conocedores de nuevas tecnologías aplicadas a estos procesos de producción. Igualmente, requieren del estar al tanto de nuevos mecanismos de automatización logrando así la implementación de alguna de estas estrategias, para optimizar sus procesos; y mejorar tanto la calidad como el desempeño de la planta, haciendo a esta más competitiva en el mercado nacional e internacional.

(MINISTERIO DE SALUD Y PROTECCION SOCIAL, 2011)

2. METODOLOGÍA

Inicialmente, para realizar esta monografía se revisaron documentos de productos, historia, normatividad, procesos de elaboración y maquinaria de envasado de la industria láctea. Toda esta información fue consultada en bases de datos de libre acceso, páginas de empresas de productos lácteos, documentación encontrada en la biblioteca de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia y la biblioteca distrital Julio Mario Santo Domingo. Del mismo modo, se indago en bases de datos de universidades de acceso libre, revisando proyectos relacionados sobre el envase y empaque de productos lácteos. Acto seguido, se determinó la información seleccionando cuatro máquinas envasadoras, por medio de las cuales se hizo enfoque en detalles como: diseño mecánico, acoples y los elementos utilizados para la elaboración de la maquinaria. Por último, se consultó en internet empresas que se dedican a la comercialización de máquinas envasadoras de productos lácteos, revisando sus catálogos y datos técnicos suministrados en las páginas de contacto, esta información fue seleccionada con base a las siguientes características: información técnica, mecanismos de control de calidad, respaldo y garantía.

3. DESCRIPCIÓN DEL SECTOR 3.1 INDUSTRIA LÁCTEA La principal materia prima de la industria láctea es la leche, la cual proviene de las diferentes razas bovinas existentes en el país. El progreso de esta industria se ve reflejado en los diversos productos que se encuentran en el mercado, como son: quesos, yogurt, crema, mantequilla, helados, postres, entre otros.3 “El sector lácteo en Colombia representa cerca del 0.9% del PIB (producto interno bruto) nacional y genera aproximadamente 580.000 empleos en la producción de leche y 17.750 en el procesamiento de productos lácteos. Sin contar con los empleos informales que genera los cuales FEDEGAN4 estima en un 40%”5 Según el Ministerio de Agricultura, los principales productos de la industria láctea, poseen diferentes propiedades físico-químicas debido a los diversos procesamientos a que es sometida la leche cruda.6 Los subproductos de la leche son:  Leche pasteurizada: leche apta para el consumo humano resultante de la aplicación de un proceso de pasteurización7.  Leche ultra-pasteurizada: leche de características similares a la pasteurizada, pero con la diferencia que el proceso de calentamiento-enfriamiento se repite varias veces, usualmente el producto final envasado en cajas de tetrapack.  Leche en polvo: se obtiene después de la deshidratación de la leche pasteurizada.  Mantequilla: es la combinación entre la grasa de la leche y del agua obtenida por el proceso de batido de dichas sustancias.  Queso: es un alimento sólido que se logra por la maduración de la cuajada de la leche, después de a ver suprimido el suero.  Yogur: se obtiene a partir de la fermentación de la leche y la adición de varias especies de bacterias.  Lactosuero: es un subproducto de la quesería que se utiliza principalmente en la panificación y elaboración de galletas.

(SANCHEZ BASANTES, 2011) Federación Colombiana de Ganaderos 5 (PROPAÍS, 2013 pág. 1) 6 (MINISTERIO DE AGRICULTURA Y DESARROLLO RURAL, 2005) 7 Intercambio brusco de temperatura, con el cual se eliminan algunas bacterias nocivas. 4

3.2 PRODUCTOS LÁCTEOS A continuación se hará una descripción detallada de los principales alimentos lácteos. 3.2.1 Queso.  Descripción. Es un alimento sólido o semisólido obtenido por el proceso de coagulación de la leche8 y la separación del suero.9 Figura 1. Variedad de Quesos.

Fuente: THE JAPAN AGRICULTURAL NEWS, 2012.

 Historia del queso. Según los hallazgos arqueológicos, se puede suponer que los primeros quesos surgieron en la edad de piedra hace 10.000 ó 12.000 años, con la domesticación de animales como la cabra, la oveja, la vaca, entre otros. Son varias las historias que relatan el descubrimiento del queso, pero la leyenda que describe mejor el proceso de obtención del primer queso es la siguiente: “Un pastor de Asia Menor, con el nombre de Kanama, quien guardo la leche ordeñada de su rebaño en un odre -bolsa hecha con los estómagos de los rumiantes- y que tras cierto tiempo, movimiento nómada y altas temperaturas del desierto, la leche se cuajó.”10

Aplicación del cuajo u otros coagulantes. (LICATA, 2015) 10 (PONCELET, 2010) 9

No se tiene certeza de la veracidad de esta, pero se puede comprobar que los primeros quesos se elaboraron de manera accidental, observando el efecto que tienen los coagulantes de los jugos estomacales en la leche.11 Se dice que el queso surgió de manera espontánea, gracias a la observación y curiosidad del hombre, literalmente fue producto de la observación:12  Observar que la leche después de un cierto tiempo empezaba a cuajarse.  Comprender que si se le aplica una variación de temperatura a la leche, la formación del cuajo se realiza de una forma más rápida.  Cuando la leche se cuajaba, se solidificaba y se vertía el líquido, la cuajada se hacía más consistente, conservándose por más tiempo.  Descubrimiento del cuajo, enzima digestiva extraída de los corderos.  Proceso para la obtención del queso. Para la elaboración de los quesos es necesario contar con los siguientes pasos13:  Recepción: En esta etapa se pesa la cantidad de leche que será utilizada en el proceso, revisando la calidad de la misma; luego se utiliza una tela fina, con el fin de filtrar el líquido para eliminar cuerpos extraños.  Análisis: se realizan pruebas de acidez para garantizar que se encuentre en un rango entre 16 y 18°Dornic14, además, se realizan otras pruebas como son: antibióticos, porcentaje de grasa y análisis organoléptico.  Pasteurización: se debe calentar la leche a una temperatura de 65°C15 por 30 minutos, con el fin de eliminar los microorganismos patógenos; después se debe agregar una proporción de 0.02-0.03% de cloruro de calcio.  Enfriamiento: se debe enfriar la leche pasteurizada hasta una de temperatura de 37°- 39°C.  Adición del cuajo y del cultivo láctico: después de la pasteurización se debe agregar un 0.3% de cultivo láctico (bacterias seleccionadas); luego, se agregan entre 7 y 10 cc16 de cuajo líquido por cada 100 litros de leche. Se agita la leche durante un minuto, y se deja en reposo a una temperatura de 38-39°C.

(ROMERO DEL CASTILLO SHELLY, y otros, 2004) (PONCELET, 2010) 13 (ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA ALIMENTACIÓN Y LA AGRICULTURA, 2014) 14 Unidad de medición de la acidez de la leche. 15 Grados centígrados (unidad de medida de temperatura). 16 Centímetro cúbico (unidad de medida de volumen). 12

 Corte y desuerado: una vez cuaje la masa se debe cortar en cuadros pequeños y dejar escurrir a través de un colador, hasta el punto de lograr separar entre un 70 a 80 % del suero, en esta operación se debe verificar la acidez del cuajo, la cual debe estar entre 11 y 12 ° Dornic.  Lavado y salado: una vez se escurra el suero, se debe lavar con agua tibia, con el fin de bloquear el desarrollo de microorganismos dañinos; luego se adicionan de 400 a 500 gramos de sal por cada 100 litros de leche, esto puede variar dependiendo el queso requerido.  Moldeo y empaque: la cuajada es vertida en los moldes de acero inoxidable o PVC, haciendo un poco de presión para que quede más compacto; luego se voltea tres veces en intervalos de 15 minutos, dejándolo reposar por tres horas más; se saca del molde, se pesa y se empaca en un material que no permita el paso de humedad. Este proceso es común hasta el proceso de corte y desuerado, de ahí en adelante la maduración y el salado determina el tipo de queso fabricado.  Diagrama de flujo del proceso. Se puede observar en el siguiente diagrama de flujo de la figura 2 el proceso de producción del queso, con algunos datos técnicos y condiciones ambientales necesarias para una óptima producción. Figura 2. Diagrama de Flujo de la Elaboración de Quesos.

Fuente: ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA ALIMENTACIÓN Y LA AGRICULTURA, 2014.

3.2.2 Yogurt  Descripción del producto. Es un derivado lácteo de altas propiedades nutricionales. Está elaborado a partir de la fermentación de la leche por microorganismos específicos (streptococcus, thermophilus y lactobacillus bulgaricus); estos microorganismos actúan en las proteínas y la lactosa de la leche, degradándolas a estructuras más sencillas. Esta transformación espesa la leche y da su sabor agrio característico.17 Figura 3. Variedad de Yogurt

Fuente: MURRAY, 2014.

El yogurt tiene varios beneficios para el organismo:18

    

Ayuda al organismo a absorber mejor los minerales de otros alimentos. Favorece el buen funcionamiento del intestino. Ayuda a combatir algunos tipos de infección vaginal. Ayuda a controlar los efectos secundarios de los antibióticos. Libera el estómago de toxinas.

 Historia del yogurt. El descubrimiento del yogurt se le atribuye posiblemente a un nómada que cargaba una bolsa de piel de cabra llena de leche en un largo viaje a través del desierto, luego de trascurrir varios días, encontró que el líquido original se había transformado en una rica masa pastosa.19 Durante la historia del hombre, al yogurt se le ha asociado con conceptos de vitalidad, salud, longevidad, entre otros. Durante muchos años éste fue un producto autóctono en Asia central, el sudeste asiático y Europa central. El yogurt 17

(FOOD-INFO, 2014) (KOSTICH, 2014) 19 (BUENO CORTES, 2015) 18

se popularizo en toda Europa gracias a un biólogo ruso llamado IIya IIyrich Mechnikov, el cual expuso la teoría de que la alta esperanza de vida de los campesinos búlgaros se debía al gran consumo de la bebida láctea, pues posee bacterias como los lactobacilos que son esenciales para una buena salud.20

 Proceso para la obtención de yogurt. La elaboración del yogurt se realiza de la siguiente manera:21  Recepción: En esta etapa se pesa la cantidad de leche que será utilizada en el proceso, revisando la calidad de la misma; luego se utiliza una tela fina, con el fin de filtrar el líquido para eliminar cuerpos extraños.  Análisis: se realizan pruebas de acidez, antibióticos, porcentaje de grasa y análisis organoléptico.  Pasteurización: se calienta la leche hasta 85°C durante 10 minutos, y luego se deja enfriar hasta 42°C.  Inoculación del cultivo láctico: se agrega entre un 2 a 3% de cultivo, agitándose lentamente.  Incubación: se realiza un baño maría, manteniendo una temperatura de 42°C, hasta que la acidez haya alcanzado un 0.70%.  Enfriamiento y batido: luego del paso anterior, se deja enfriar hasta temperatura ambiente, y se agita lentamente para homogenizar la mezcla de la leche coagulada, en este punto se le pueden agregar frutas, colores, sabores artificiales, entre otros.  Envasado: se envasa en frascos de plásticos, previamente esterilizados con agua caliente, y luego se refrigera.

 Diagrama de flujo. A continuación se presenta el proceso de producción del yogurt a través del flujograma de la figura 4.

20 21

(BUENO CORTES, 2015) (ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA ALIMENTACIÓN Y LA AGRICULTURA, 2014)

Figura 4. Diagrama de Flujo de la Elaboración del Yogurt.

Fuente: ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA ALIMENTACIÓN Y LA AGRICULTURA, 2014.

3.2.3 Leche  Descripción del producto. La leche es un líquido blanco y opaco, obtenido

por el ordeño de una vaca lechera sana, no fatigada y bien alimentada.22 Técnicamente la leche es un producto secretado por las glándulas mamarias de las hembras de los mamíferos, cuya finalidad es servir de alimento a los hijos en los primeros meses de vida. Es una mezcla compleja de materia grasa, proteína, lactosa, minerales, vitaminas y otros pequeños componentes.22  Composición de la leche. La leche es una mezcla de diferentes componentes, cuyos porcentajes aproximados son:22      

Agua Grasa Proteína Carbohidratos Minerales Vitaminas

86% - 90% 2% - 4% 2,5% - 4% 4,8% 0,7% A–B–D–E

(GARCIA, y otros, 2011)

Figura 5. Leche pasteurizada

Fuente: GESTIÓN AGRO GANADERA, 2014.

 Proceso de obtención de leche pasteurizada. Para la elaboración de la leche pasteurizada es necesario contar con el siguiente proceso:23  Recepción: En esta etapa se pesa la cantidad de leche que será utilizada en el proceso, revisando la calidad de la misma; luego se utiliza una tela fina, con el fin de filtrar el líquido para eliminar cuerpos extraños.  Análisis: se realizan pruebas de acidez, antibióticos, porcentaje de grasa y análisis organoléptico.  Estandarización: se selecciona la leche dependiendo los contenidos grasos que posea, este proceso se realiza con la adición o extracción de la nata.  Homogeneización: se distribuye uniformente el material grasoso de la leche haciendo una agitación, con el fin de que los glóbulos grasos posean un grano de 1 micra.  Pasteurización: se calienta la leche hasta 85°C durante 10 minutos, y luego se deja enfriar hasta 42°C.  Refrigeración: después de la pasteurización se conserva a 4°C  Envasado: se envasa en frascos o bolsas plásticas, previamente esterilizados con agua caliente, y luego se refrigera.

 Diagrama de flujo. En la figura 6 se puede encontrar el flujograma del proceso de la elaboración de la leche pasteurizada.

(ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA ALIMENTACIÓN Y LA AGRICULTURA, 2014)

Figura 6. Diagrama de Flujo de la Elaboración de la Leche.

Fuente: Imagen del autor.

3.2.4 Helado  Descripción del producto. Es un postre congelado que se puede encontrar en un estado sólido, semisólido o pastoso, fabricado a partir de productos como leche, agua, azúcar, edulcorantes, nata de leche, huevo, frutos secos, entre otros. Es un alimento producido por el enfriamiento y agitación de la mezcla de los ingredientes utilizados.24

Figura 7. Helado Industrial.

Fuente: BELBUZZI, 2010.

(GARCIA ROCHE, y otros, 2015)

 Historia del helado. El origen de los helados no tiene un lugar exacto, se cree que provienen del oriente, pues se decía que las personas de ese lugar tomaban bebidas enfriadas con nieve, postres a base de dulce con hielo picado, entre otros. La aparición de los helados data aproximadamente unos tres mil años. Existen versiones de que la difusión de los helados en el Imperio Romano se produce por Marco Polo en su viaje a oriente, pues trajo una bebida compuesta por zumos de frutas con hielo picado, que más tarde evolucionaria a lo que hoy se conoce en Colombia como raspado.25 En el siglo XVI se introdujo el helado a Francia por Catalina de Medicis; tiempo después, de la mano de un cocinero francés se introduce en Inglaterra, donde se inventa una receta que incorpora la leche para su elaboración, gracias a esta receta, el rey Carlos I de Inglaterra quedo tan fascinado que pago una recompensa para ser utilizada solamente en la mesa real.26 En el siglo XVII el italiano Procopio abrió en París el “café procope”, donde servían helados, después de un tiempo se empezaron a comercializar los helados por vendedores ambulantes en toda Europa y luego cruzo el Atlántico para ser comercializados en América del Norte.25 En el siglo XIX Nancy Johnson inventa la primera heladera automática, y desde allí se inicia la elaboración del helado industrial, después de un tiempo esta máquina fue perfeccionada por William Young, mejorando el sistema de enfriado uniforme. (LIENDO, y otros, 2007)  Proceso de elaboración de helados industriales. para la elaboración de los helados es necesario seguir una serie de pasos, como son:25  Recepción: En esta etapa se pesa la cantidad de leche que será utilizada en el proceso, revisando la calidad de la misma; luego se utiliza una tela fina, con el fin de filtrar el líquido para eliminar cuerpos extraños.  Análisis: se realizan pruebas de acidez, antibióticos, porcentaje de grasa y análisis organoléptico, precipitación con alcohol y ebullición.  Mezclado de la leche: se realiza una mezcla de los componentes del helado: leche en polvo, suero, grasa butílica y agua. Estos elementos se agitan continuamente hasta conseguir una mezcla uniforme.

25 26

(DI BARTOLO, 2005) (LIENDO, y otros, 2007)

 Inspección: se realiza nuevamente pruebas de acidez, porcentaje de grasa, precipitación con alcohol y ebullición.  Pasteurización: la mezcla es elevada a una temperatura de 71°c durante 30 minutos.  Homogenizado: se filtra la mezcla, con el fin de extraer grumos y materiales extraños, este proceso se realiza en promedio a temperaturas de 62°C.  Enfriado: este proceso se realiza a temperaturas inferiores a 4°C, y superiores al punto de congelamiento, para evitar la posibilidad de la generación de microorganismo en este proceso.  Congelado previo: en esta etapa se congela parcialmente la mezcla con el fin de incorporar aire, incrementando el volumen de la mezcla, luego de ello se inspecciona el producto.  Almacenamiento y empaque: cuando el helado es empacado, se introduce en un cuarto con una temperatura controlada entre los -25 y -30°C, esto se debe hacer por un periodo de 24 horas.  Diagrama de flujo. En la figura 8 se encuentra el flujograma del proceso de elaboración de los helados, evidenciando las etapas por las que debe pasar para su fabricación. Figura 8. Diagrama de Flujo de la Elaboración del Helado.

Fuente: Imagen del autor.

4. MARCO NORMATIVO

En este capítulo se consideraron las normas internacionales y nacionales involucradas en los procesos de fabricación y manejo de productos lácteos.

4.1 NORMAS APLICABLES INTERNACIONAL

INDUSTRIA

LÁCTEA

NIVEL

 Norma general del CODEX para el uso de términos lecheros CODEX STAN 206-1999. En esta norma se definen los criterios y usos de términos lecheros.27  Código de prácticas de higiene para la leche y los productos lácteos CAC/RCP 57-2004. Este código aplica las recomendaciones del Código Internacional sobre los principios generales de higiene de la leche y los productos lácteos; además, orienta la forma de cumplir los requisitos generales de higiene de las normas del Codex para los productos lácteos. En este código no se incluye la producción de leche cruda de consumo directo. 27  Norma del CODEX para leches fermentadas CODEX STAN 243-2003. En esta norma se definen los productos fermentados a base de leche; asimismo, se determina la composición de microorganismos, cantidad de aditivos, etiquetado, recomendaciones higiénicas y contaminantes que puede poseer.27  Reglamento 1935 de 2004 del Parlamento Europeo y del Consejo. En este reglamento se fijan las normas de comercialización, descripción y características de los materiales y objetos que están en contacto con alimentos, garantizando la protección de la salud de los consumidores.28  Reglamento 2023 de 2006 de la comisión, de 22 de diciembre de 2006. En este reglamento establecen las normas, sobre las buenas prácticas en la fabricación de materiales y objetos que están en contacto directo con alimentos.29 27 28 29

(CODEX ALIMENTARIUS, 2011) (DIARIO OFICIAL DE LA UNIÓN EUROPEA, 2004) (COMISIÓN DE LAS COMUNIDADES EUROPEAS, 2006)

4.2 NORMAS APLICABLES EN LA INDUSTRIA LÁCTEA A NIVEL NACIONAL  Ley 155 Dic 14 de 1959. Donde se dictan algunas disposiciones sobre prácticas comerciales restrictivas, se limita el comercio indiscriminado, favoreciendo el sector de la producción.30  Acuerdo de competitividad de la cadena láctea Colombiana 2010. Este acuerdo es realizado por el comité para la competitividad de la cadena láctea, integrado por las asociaciones, comerciantes, gremios y el gobierno, en el cual se trataron diversos temas como: problemas existentes, acciones correctivas, estudio de mercados, objetivos, estrategias y de más mecanismo que ayuden a una modernización del sector lácteo nacional.31  Decreto 2437 de 1983 del Ministerio de Salud. En este decreto se reglamenta la producción, procesamiento, trasporte y comercialización de la leche, y da los parámetros necesarios que debe tener cualquier industria lechera, para producir, empacar y comercializar los productos lácteos.32  Decreto número 476 de 1998 del Ministerio de Salud. En este decreto se modifica parcialmente el decreto 2437 de 1983, en el cual se modifican algunos aspectos técnicos sobre el trasporte y empaque de la leche. 33  Resolución 5109 de 2005. Reglamento técnico colombiano sobre los requisitos de rotulado o etiquetado que deben cumplir los alimentos y materias primas envasadas para el consumo humano, en él se especifican los datos principales de los productos y las dimensiones necesarias del rotulado del mismo. Fue expedido por el Ministerio de la Protección Social.34  Norma Técnica Colombiana NTC 512. En esta norma técnica se establecen los requisitos mínimos y especiales que deben poseer los rótulos de envases o empaques de productos alimenticios de consumo humano. Fue realizada por el Icontec, organismo nacional de normalización.35

30 31 32 33 34 35

(CONGRESO DE COLOMBIA, 1959) (CONSEJO NACIONAL LÁCTEO, 2010) (MINISTERIO DE SALUD, 1983) (MINISTERIO DE SALUD, 1998) (MINISTERIO DE LA PROTECCION SOCIAL, 2005) (ICONTEC, 2007)

 Decreto 1880 del 2011 Ministerio de la Protección Social. Este decreto señala los requisitos de la comercialización de la leche cruda para el consumo humano en el territorio nacional.36  Política sanitaria y de inocuidad para las cadenas de la carne bovina y de la leche CONPES 3376. En este documento se encuentran las estrategias que permitan mejorar las condiciones de sanidad e inocuidad de las cadenas de la carne bovina y la leche, protegiendo la salud y la vida de personas y animales.37  Decreto 616 de 2006 Ministerio de la Protección Social. En este decreto se establece el reglamento y requisitos técnicos que deben cumplir la leche destinada para el consumo humano.38

36 37 38

(MINISTERIO DE LA PROTECCION SOCIAL, 2011) (CONSEJO NACIONAL DE POLÍTICA ECONÓMICA Y SOCIAL, 2005) (MINISTERIO DE LA PROTECCION SOCIAL, 2006)

5. ESTADO DEL ARTE

5.1 DISEÑO DE MÁQUINAS PARA EL SECTOR LÁCTEO REALIZADOS POR CENTROS DE PRODUCCIÓN DE CONOCIMIENTO (UNIVERSIDADES) En este capítulo se revisarán las máquinas robotizadas que fueron realizadas por estudiantes de ingeniería mecánica, electrónica y automatización industrial de diversos centros educativos como son; el Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, La universidad Politécnica Salesiana de Guayaquil y la Escuela Politécnica Nacional de Quito; estas máquinas fueron desarrolladas en los años 2009, 2004, 2010 y 2008, respectivamente. 5.1.1 Maquinaria de envasado de yogurt aplicando conceptos neumáticos de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica de México. Este proyecto fue desarrollado por José Martínez.39 Figura 9. Estación de Envase de Yogurt.

Fuente: SAEB MARTINEZ, 2009.

Esta estación de trabajo consiste en un robot estacionario, como se observó en la figura 9, la función de este equipo es envasar yogurt utilizando una mesa de 39

(SAEB MARTINEZ, 2009)

trabajo donde están instalados una serie de cilindros neumáticos, con el fin de alimentar de recipientes al área de llenado, y después despacharlos al espacio de sellado. Todo esto optimiza la producción de la empresa; para este caso se instalaron tres mesas de dosificación, las cuales son alimentadas del producto a través de una bomba dosificadora en la que se trasporta el yogurt ya terminado; como se puede ver en la figura 10.40 El propósito de la máquina es aumentar la velocidad de llenado, disminuir el número de daños en los recipientes y reducir el riesgo de contaminación por la manipulación manual. Esta maquinaria cumple estrictamente los criterios normativos sobre el manejo y manipulación de alimentos.40 Figura 10. Diagrama general de la planta productora.

Fuente: SAEB MARTINEZ, 2009.

Este proyecto fue desarrollado utilizando los siguientes elementos neumáticos:  



Válvulas 5/2 de accionamiento mecánico y eléctrico con retorno por muelle, cuya función es realizar el accionamiento de avance o retroceso del cilindro. Válvula anti retorno estranguladora, cuya función es ayudar a compensar la fuerza que realiza el cilindro, y evitar fugas cuando se esté realizando el trabajo. Cilindro doble efecto, es el actuador que realiza la acción de alimentación y retiro de la mesa envasadora

(SAEB MARTINEZ, 2009)



Unidad de mantenimiento, con la cual se regula y se filtra el aire que entra al sistema mejorando la calidad del mismo.40

5.1.2 Automatización de una envasadora de lácteos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Este proyecto fue desarrollado por Marcela Giraldo.41 El propósito del trabajo fue automatizar una máquina envasadora vertical, dosificadora y selladora para el envasado de productos lácteos, la figura 11 nos muestra el esquema de la envasadora. A la máquina le fue implementado un control de nivel en el tanque almacenador, se optimizo el proceso de sellado, se redujo el tiempo de empaque, la probabilidad de daños de material y el riegos de contaminación de los productos. Este proyecto fue realizado en la Cooperativa Agroindustrial del Instituto San Clemente Risaralda.41 Figura 11. Diagrama básico de la maquina envasadora.

Fuente: GIRALDO BETANCUR, 2004.

Para este proyecto se contó con una envasadora vertical rústica, presentando defectos en la dosificación y el sellado de los productos; para su optimización y

(GIRALDO BETANCUR, 2004)

puesta a punto se utilizaron los siguientes elementos, con los cuales se mejoró los defectos que presentaba:

   

Válvula de flotador de ½” de acción directa. Bomba sumergible en acero inoxidable con una potencia entre 0.5 -1HP42. Compresor eléctrico marca York, con una presión máxima de 116 Lb. Regulador de presión, para manejar una presión constante, regulando la salida del compresor en 70 Lb/plg2. .  PLC EASY 600 de marca Moeller, módulo baja gama, con doce entradas y seis salidas de relé, conserva memoria de doce relés internos y cuatro contadores, el cual es muy útil a la hora de cortes o fluctuaciones de energía.  Soladura para plástico por barra caliente, una de la automatización que se le realizo a la maquina fue el cambió el material utilizado para el sellado, pues se remplazó la barra de aluminio que poseía, por una de bronce, la cual posee una mayor conducción de calor, permitiendo que al momento de disipar la temperatura se recupere en un menor tiempo; además de esta barra le realizaron un aislamiento con baquelita y asbesto, porque estos materiales permiten que no se trasfiera el calor a la estructura de la máquina.43 5.1.3 Diseño y construcción de una maquina envasadora de líquidos de la Universidad Politécnica Salesiana sede Guayaquil. Este proyecto fue realizado por Henry Cruz y Edinson Campoverde.44 Esta máquina es una envasadora lineal que cuenta con seis boquillas de llenado ubicadas de forma simultánea, además posee un sistema de alimentación de frascos tipo carrusel, garantizando una misma frecuencia en el ingreso de las botellas vacías; por último, cuenta con un sistema de enroscado automático y uno de descarga.44 Esta máquina posee varios procesos, conectados entre sí, con el fin de realizar el llenado y enroscado del producto que se debe envasar. A continuación se describen los procesos que involucran la máquina:

Caballo de fuerza (HP), unidad de medida de potencia mecánica. (GIRALDO BETANCUR, 2004) 44 (CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010) 43

 Sistema de alimentación: este sistema está compuesto por un tambor rotatorio, elaborado por una plancha de 2mm, su estructura de perfil H, con guías laterales de polietileno como se puede observar en la figura 12. Todo este conjunto direcciona las botellas hacia la banda trasportadora. Este movimiento se realiza por medio de la implementación de dos piñones acoplados por una cadena.44 Figura 12. Tambor Giratorio de Alimentación de Botellas.

Fuente: CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010

 Sistema de trasporte: se compone principalmente de una banda transportadora tipo table top de polipropileno, conducidas por piñones y una rueda loca, como se puede observar en la figura 13. Este mecanismo permite el movimiento de la banda por medio de la implementación de un motor reductor de 1kw45 a 480 RPM46.47 Figura 13. Sistema de Alimentación de Material por Banda Transportadora.

Fuente: CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010 45

Unidad de medida de potencia eléctrica Unidad de medida de Revoluciones Por Minuto 47 (CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010) 46

 Sistema de llenado: consiste en un grupo de seis válvulas, cada una de ellas con dos tuberías, una para envasar el líquido y otra por donde recircula el exceso del fluido, lo anteriormente mencionado se puede evidenciar en la figura 14. Todo esto va conectado a un tanque con capacidad de 90 litros, a una presión de 5 PSI48, accionado por una válvula rápida tipo bola. Todos estos sistemas hidráulicos son alimentados por una bomba eléctrica, cuyo objetivo es presurizar el fluido hacia el tanque principal, logrando una circulación del líquido entre el tanque principal y el reservorio.49

Figura 14. Tuberías de Dosificación del Producto.

Fuente: CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010

 Sistema neumático: este sistema es uno de los más importantes en toda la máquina, pues de él depende el funcionamiento correcto del envasado. Este proceso consta principalmente de cuatro cilindros doble efecto. La distribución de los cilindros en la envasadora se puede observar en la figura 15. Estos cilindros doble efecto se encuentran organizados de la siguiente manera: el primero es el encargado de detener las botellas que entran en la envasadora, mientras que el segundo y el tercer cilindro accionan una bandeja, encargándose de sostener las botellas que van a llenarse, cabe resaltar que la banda transportadora, nunca se detiene en el proceso de llenado. Por último, el cuarto cilindro es el encargado de soportar las boquillas de llenado, y su función es subir o bajar el grupo de boquillas. 49

48 49

Unidad de medida de presión, Pounds-force per Square Inch (CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010)

Figura 15. Sistema de Detección Para el Llenado de Envases.

Fuente: CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010

 Sistema de enroscado y mesa de descarga: el primer proceso consta de un cilindro neumático doble efecto, quien es el que sostiene la botella, mientras un tubo neumático baja verticalmente efectuando el sellado de las botellas. Por último, pero no menos importante, se encuentra al final de la banda la mesa de descarga donde se agrupan las botellas, después de ser envasadas.50 Elementos utilizados para la estación:  PLC s7-200 CPU 224-XP, de la marca Siemens, este PLC sobrepasa con la necesidades de la envasadora, ya que posee más entradas y salidas de las necesarias. La estación necesita para su correcto funcionamiento 10 entradas digitales, 8 salidas digitales y 1 salida analógica.  Panel táctil TP 177 micro, de la marca Siemens, donde se proyectan los parámetros de la estación, como son: operación automática, manual y modo test.  Sensor fotoeléctrico, realiza la acción de contar las botellas que entran y salen de la envasadora.  Motores trifásicos de 220v 35RPM, realizan el movimiento del sistema de alimentación de botellas y la operación de la banda trasportadora. 50

(CRUZ NAVARRETE, y otros, 2010)

 Variador de velocidad 2HP Micromaster MM420, efectúa el control de velocidad de los motores utilizados en la estación.  Cilindros y sistemas neumáticos, realizan el accionamiento de llenado y enroscado de las botellas.50 5.1.4 Implementación del sistema de enfundado y dosificación de líquidos para una máquina semi industrial de la Escuela Politécnica Nacional sede Quito. Este proyecto fue realizado por Wilson Galarza y Richar Chicaiza.51 Figura 16. Máquina de Enfundadora y Dosificadora de Líquidos.