El Servicio es Clave para la Separación de Membrana

Eleve las utilidades al máximo dando servicios regulares para mantener las membranas en óptimas condiciones de operación.

Introducción

Hace algunos años en Estados Unidos una planta de gran tamaño dedicada a la elaboración de queso empezó a utilizar Ultrafiltración con membranas espirales para recuperar las proteínas del suero. Las especificaciones de la planta indicaban que debía procesar 2 millones de libras de suero diarias, produciendo un concentrado al 80% de proteína de suero (WPC); pero al momento de la puesta en servicio el WPC era sólo de 75-77%. El concentrado de calidad inferior se tuvo que vender en un mercado distinto a un precio considerablemente inferior, causando una reducción en las utilidades de $15,000 mensuales.

El gerente de la planta lo intentó todo, pero el proveedor del equipo no encontró (o no pudo encontrar) una solución. Por último, ya frustrado, el gerente llamó a GEA Filtration. El personal de servicio, con amplia experiencia en filtración por membranas, literalmente voló a la planta, evaluó la situación y encontró que el problema estaba en el diseño del proceso. Los expertos recomendaron que se hicieran determinados cambios, los aplicaron y entrenaron a los operadores para que operaran el sistema, con lo que el producto del WPC logró cumplir con el 80% especificado.

Con este ejemplo mostramos cómo la reducción en las utilidades puede deberse a un diseño inadecuado; a una operación incorrecta; y a la falta de personal de servicio informado sobre los sistemas de separación de membrana. Pero, aún incluso en condiciones normales de operación, el servicio regular y consistente puede ayudar a que la operación se mantenga en una eficiencia pico y a elevar a máximo las utilidades obtenidas por la recuperación de fracciones valiosas.

Fundamentos del Filtración por membranas en lácteos

Todos los lácteos son distintos. Cada planta es única y singular, genera productos a la medida para corrientes orgánicas complejas. Si bien todos los lácteos procesan leche, las corrientes de leche difieren entre si, dependiendo de factores individuales como la raza de las vacas, el tipo de dieta y las condiciones ambientales. Con los lácteos se puede elaborar un espectro muy amplio de productos:

• Grados básicos de leche, leche descremada y crema.
• Quesos de distintos tipos y sabores.
• Proteínas de alto valor del suero dulce.
• Productos de leche de valor agregado, incluyendo leche con vida de anaquel ampliada (ESL)
• Productos alimenticios y nutritivos funcionales como las fórmulas para lactantes y las barras nutritivas.
• Nutracéuticos como productos deportivos y para aumentar el rendimiento.
• Productos médicos para vacunas y sanado de heridas
• Productos para el cuidado de la salud como champúes y pastas de dientes
• Forrajes

El proceso de filtración por membranas de flujo cruzado ha llegado a aceptarse como la mejor de las tecnologías para realizar muchas de las separaciones lácteas más sensibles. Es un medio rentable para producir separaciones muy específicas a temperaturas bajas o ambientales sin cambio de fase. Existen varias tecnologías básicas ampliamente utilizadas:

La Ósmosis Inversa es un proceso de deshidratación que maneja la energía de manera eficiente y se usa para preconcentrar corrientes de lácteos o de alimentos antes de la evaporación.

La Nanofiltración puede lograr separaciones muy específicas de componentes de peso molecular bajo, usados para la recuperación de proteínas hidrolizadas, concentración de azúcares y extracción de ceniza de los productos lácteos.

La Ultrafiltración se usa para concentrar y purificar complementos con peso molecular de medio a alto como proteínas lácteas, hidratos de carbono y enzimas

La Diafiltración con frecuencia se usa en conjunción con la Ultrafiltración para lograr una recuperación adicional del producto, utilizando inyección de agua para eliminar las partículas solubles y lavar los materiales con bajo peso molecular.

La Microfiltración elimina las bacterias y las esporas de la leche, separa las partículas en suspensión y fracciona las proteínas de la leche, a la vez que recupera los materiales de limpieza.

Las membranas de separación son de diversos materiales, las más comunes y rentables para las aplicaciones típicas en productos lácteos son poliméricas. Las membranas poliméricas pueden ser espirales para aplicaciones de alto volumen sin sólidos en suspensión o con una cantidad mínima de sólidos. Las configuraciones tubulares son resistentes al taponamiento, de manera que en general se utilizan cuando existen sólidos en suspensión o compuestos fibrosos. Las membranas poliméricas de fibra hueca tienen una densidad de empaquetado extremadamente alta y un diseño de canal abierto ideal para corrientes de líquidos con pocos sólidos cuando se desea realizar un "retrolavado" del permeado. Cuando se busca fuerza y resistencia en condiciones extremas de pH, temperatura, o solventes, la opción son las membranas inorgánicas cerámicas o acero inoxidable. Las membranas cerámicas con frecuencia se usan en la Microfiltración de bacterias y en la remoción de esporas.

Algunas de las aplicaciones típicas de la separación de membrana en la industria de los productos lácteos incluyen:

Algunas de las aplicaciones típicas de la separación de membrana en la industria de los productos lácteos incluyen:

• Producción de concentrados de proteínas de suero de alto valor (WPC) y asilados de proteínas de suero (WPI).
• Estandarización de proteínas de la leche antes de la producción de queso para aumentar el rendimiento.
• Concentración y desmineralización del suero para reducir los costos de energía.
• Reducción de cargas de BOD/Código de Tipo del condensado del evaporador y de las corrientes de permeados para reducir el costo del tratamiento de las aguas residuales.
• Limpieza de salmueras.
• Remoción de bacterias y/o esporas de la leche o el suero.
• Limpieza en sitio (CIP) cáustica y/o clarificación y re-uso de ácidos.

El dilema de la limpieza.

La leche se echa a perder con facilidad, produciendo toxinas y bacterias, de manera que limpieza es una parte muy importante en su procesamiento. Dada la naturaleza de las corrientes de leche, las plantas de procesamiento se obstruyen por la acumulación de los complejos productos generados, dificultando los procesos de limpieza. Con frecuencia las plantas de procesamiento de lácteos tratan el producto previamente para reducir las obstrucciones al mínimo.

Los sistemas de CIP típicos requieren de tres factores para lograr una limpieza adecuada: flujo turbulento, concentración de productos químicos y altas temperaturas. La mayoría de los elementos de membrana polimérica en espiral tienen limitaciones en cuanto a la temperatura 50°C (122°F). También existen limitaciones en cuanto al pH, dado que el material de la membrana casi siempre se moldea con un soporte de poliéster. Se hidroliza muy fácilmente a un pH alto y bajo, de manera que no se recomienda la limpieza química concentrada. Las membranas están un tanto limitadas por la integridad de la estructura en cuanto a la velocidad y a la turbulencia que pueden aceptar. Así pues, los tres factores que se requieren para la limpieza adecuada están limitados.

En la última década, se han realizado grandes progresos para mejorar la facilidad en la limpieza y para permitir que esta se realice de manera más suave aunque eficaz. Esto ha permitido una mayor difusión del uso de las membranas en separaciones y que se eliminen algunos de los programas asociados con una limpieza inadecuada. Para limpiar adecuadamente se requiere una sustancia cáustica ligera, con enzimas que ayuden a desdoblar las moléculas que causan la obstrucción y quelantes que mantengan los productos desdoblados en la solución.

En general, los sistemas de separación de membrana tienen una inversión inicial más baja, pero costos de operación mayores por el alto costo de la limpieza. Se debe establecer procedimientos para el proceso de la limpieza, mismos que se deben seguir de manera estricta, dando muy poco margen a desviaciones. Así pues, resulta crucial asegurar que los operadores de productos lácteos operen la planta correctamente y la limpien de manera adecuada, conforme a las directrices.

Ciertos tipos de membranas se pueden limpiar con cloro, aunque muchas no lo toleran. Hace diez años las empresas que daban servicio a las membranas eran requeridas varias veces al año porque por omisión alguien había introducido cloro en el sistema y había destruido las membranas poliméricas. Ahora las operaciones con productos lácteos son más sofisticadas, utilizan sistemas segregados, de manera que el cloro no entre en contacto con las membranas poliméricas. El nivel de confianza general en la década pasada aumentó en un orden de magnitud.

Los fundamentos de un buen servicio

Los aspectos que el dueño de una central lechera debe esperar de los servicios prestados por el proveedor de membranas se pueden clasificar en cuatro categorías: entrenamiento; supervisión/optimización; cambio de membranas; y prueba/ desarrollo/diseño de los procesos.

Entrenamiento: Cuando por primera vez se introduce en la planta el proceso de filtración por membranas, los operadores en general desconocen los parámetros y la operación del proceso. El primer servicio que se requiere de la empresa de filtración es el entrenamiento adecuado de los supervisores y operadores de la planta. La consistencia en las operaciones es absolutamente esencial para lograr un rendimiento confiable en los sistemas de separación de membrana. Puesto que los propietarios no pueden micro-administrar todos y cada uno de los procesos en la planta, una buena empresa de servicios será para él como un segundo par de ojos. Las visitas de seguimiento regulares del técnico de servicio ayudarán a reafirmar el entrenamiento y a corregir los malos hábitos que los operadores pudieran haber desarrollado.

Casi siempre, cuando los administradores de una central lechera deciden poner en práctica un proceso de filtración por membranas, el proveedor de la misma diseñará el sistema y lo instalará para que la central misma lo opere o supervisará la instalación interna. Como parte de la ayuda para la puesta en marcha inicial, la empresa capacitará a los operadores para lograr la operación más eficiente posible. Una vez que el sistema esté instalado y en funcionamiento, el representante técnico del proveedor de las membranas deberá revisar el proceso en periodos que vayan de uno a tres meses. A menudo el técnico de servicio descubre que los operadores han olvidado algún punto vital de su entrenamiento o han adquirido malos hábitos, que tienen un impacto adverso en la separación. Cuanto más rápido se identifiquen y corrijan estos procedimientos inadecuados, mejores resultados se obtendrán. Incluso si el proceso ya tuviera varios años de instalado, las visitas periódicas por parte de la empresa de servicios asegura la operación adecuada.

Supervisión/Optimización: La operación adecuada del proceso de separación de lácteos prolonga la vida de las membranas, que se desgastan gradualmente con el uso constante y en cierto momento ya no generan productos con la calidad adecuada. Por ejemplo, en la concentración de proteínas lácteas, tal vez el primer día se retiene el 99.5% de la proteína. Después de una semana o dos, este porcentaje disminuye a 99.4 y así sucesivamente hasta que se requiere un cambio de membrana. El punto de cambio depende del valor de la proteína. Cuando la proteína perdida de manera acumulativa representa el costo de un nuevo juego de membranas, entonces es conveniente cambiarlas, desde el punto de vista económico. La decisión depende de los procedimientos de cada lechería en particular, del valor de los productos, de las normas de los efluentes y tal vez de algunos otros factores.

"Trabajamos en colaboración con GEA Filtration para decidir cuando es el momento de cambiar las membranas, dice Rick Kaepernick, Vicepresidente de Operaciones de Hilmar Cheese Company en Hilmar, California. "Definitivamente es un esfuerzo en equipo".

En ocasiones sucede que los administradores deciden cambiar las membranas, pero los gerentes tratan de retrasar lo más posible el gasto sin tomar en consideración las consecuencias económicas de la pérdida de un producto valioso. Una buena empresa de servicios de membranas ayudará a la lechería a realizar un análisis económico y a equilibrar la pérdida de las utilidades en contraposición al costo de la membrana. Este es un beneficio invaluable para cualquier lechería que busque elevar sus utilidades al máximo.

Cambio de membranas: Como se observó anteriormente, las membranas orgánicas que se utilizan en la separación tienen una vida limitada y deben cambiarse periódicamente, por lo general una o dos veces al año, dependiendo de la velocidad y la condición del procesamiento. Cuánto más experiencia tengan los técnicos de servicio con relación a los productos lácteos, mejor podrán saber cuál es el historial de cambios y predecir el momento en que se requieran nuevas membranas. Una buena empresa de servicios tendrá suficientes membranas en inventario para que estén disponibles cuando se requieran.

En caso de que alguna de las membranas fallara por alguna catástrofe, por ejemplo, porque una membrana de polímero se limpie inadecuadamente o porque esté sujeta a condiciones extremas, la oportunidad en el abastecimiento es crítica para la operación de la planta. "Para nosotros es muy importante la velocidad con que se presente el servicio al cambiar las membranas", dice Larry Wintle de la planta de quesos Agri-Mark/Cabot em Middlebury, Vermont. "En ocasiones no hay nada que indique que la membrana va a fallar, ocurre de buenas a primeras. Cuando esto sucede, necesitamos que el proveedor de membranas la consiga muy rápido".

Una empresa de servicios puede mantener las membranas de refacción en un almacén central, tener inventarios a consignación con los fabricantes, o incluso tener membranas de refacción en las instalaciones de clientes estratégicos, por cualquier eventualidad. El cambio rápido debe ser una prioridad principal para la empresa que abastece las membranas, y los mejores proveedores pueden abastecer a sus clientes con las refacciones adecuadas de manera mucho más oportuna que los fabricantes de membranas comunes y corrientes.

Prueba, Desarrollo y Diseño de Procesos: Los principales proveedores de membranas con frecuencia trabajan con sus clientes desde la fase de desarrollo del proceso. En ocasiones los procesadores de lácteos u otros alimentos desean aislar algún compuesto en particular de una corriente de proceso por sus valiosas propiedades funcionales. Las pruebas piloto determinan la mejor manera de aislar el componente en particular. Pocos son los proveedores de membrana que cuentan con la experiencia de ingeniería de procesos necesaria, además de los centros de aplicaciones y plantas piloto como para ayudar a sus clientes a enterarse tanto como sea posible sobre los compuestos en cuestión. En las propias instalaciones del cliente se puede enviar una flota de plantas piloto en renta para determinar la información sobre la separación. El procedimiento normal es empezar con una unidad piloto pequeña para probar la factibilidad de las distintas membranas; una vez determinado el tipo de membrana, se deberán realizar pruebas adicionales en unidades específicas con relación al tipo de membrana para refinar los parámetros del proceso.

Cuando el cliente está considerando instalar un proceso establecido sin que haya necesidad de hacer pruebas, los ingenieros de procesos del proveedor podrán diseñar una planta y generar propuestas con base en la capacidad y la calidad del producto.

Modelos de Servicio para una Operación Óptima

Hay tantos programas de servicio como empresas de membranas, pero los mejores los servicios se obtienen con los proveedores que tienen experiencia en el proceso. A diferencia de las empresas fabricantes de membranas, que entienden los fundamentos de los materiales y las técnicas de producción pero no las aplicaciones en los procesos, las empresas de filtración por membranas deben tener un amplio espectro en las capacidades de diseño de procesos. Sin estar ligadas a un solo fabricante, estas empresas tienen un banco de conocimientos poderoso que cubre las membranas y las aplicaciones de procesos. Pueden realizar pruebas y diseñar sistemas usando la mejor tecnología disponible para la separación que se desee realizar.

Las opciones de servicio se describen mejor si analizamos un ejemplo en particular. GEA Filtration, líder mundial en filtración por membranas de flujo cruzado, ha establecido un programa de servicio de membrana, con tres niveles de servicio, diseñados para satisfacer las necesidades de los procesadores de lácteos o de otros productos utilizando filtración por membranas. Los tres niveles de servicio son el Plan de Cambio de Membrana, el Contrato de Servicios de Membrana y el Programa de Mantenimiento de Membrana.

El Plan de Cambio de Membrana es simplemente el suministro de membranas que mejoran el desempeño del proceso a precios competitivos. Los componentes clave en esta etapa son un gran inventario de membranas y tiempos de cambio muy rápidos. Este plan resulta valioso para los clientes porque GEA Filtration es uno de los principales proveedores de membranas en el mundo. La empresa mantiene relaciones con todos los fabricantes principales de membrana y puede apalancar su poder de compra para obtener los mejores precios y las garantías máximas del fabricante. El programa incluye visitas ocasionales por parte de los técnicos de servicio altamente experimentados de GEA, cuya asesoría y recomendaciones con frecuencia pueden ayudar a los clientes a mejorar el nivel de rentabilidad. El plan está disponible para cualquier productor de lácteos, aún para aquellos que originalmente hayan comprado el equipo con otro proveedor.

El Contrato de Servicios de Membrana es un nivel de servicios medio de GEA Filtration. Los técnicos y los ingenieros de servicio ayudan al cliente realizando auditorias a los procesos y presentando recomendaciones para mejorar el desempeño de los sistemas de filtración en la planta. El cliente recibe todos los beneficios del Plan de Cambio de Membrana, con el valor adicional de contar con visitas de servicio regulares que le ayudan a optimizar las operaciones y a mantener los procesos en operación continua y regular a una eficiencia pico. El cliente también tiene acceso al grupo de diseño e ingeniería de procesos de GEA Filtration en caso de que surja cualquier otro requerimiento.

El Programa de Mantenimiento de Membrana es el nivel superior de servicio. El cliente firma un contrato por un tiempo definido, por lo general tres años, y paga una cuota mensual por el monitoreo de los procesos y todas las membranas que se requiera. Un técnico de servicio dedicado a la planta asegura que todas las membranas y los sistemas de procesos estén en excelente estado y que operen adecuadamente. El personal visita regularmente la planta manteniendo el equipo en constante observación y reportando la información que le proporcione el técnico y que se requiera para optimizar los cambios que se requieran. En el momento oportuno se suministran las membranas de refacción y si existe algún problema, se contará con la ayuda adecuada sólo llamando por teléfono al técnico de servicio.

"En Hilmar nos importan las relaciones a largo plazo; consideramos que son una parte integral de nuestro negocio y de la forma en que hemos evolucionado", dice Kaepernick, cliente del Programa de Mantenimiento de Membrana. "Trabajamos junto con GEA Filtration como socios. El punto central es la confianza. Necesitamos estar seguros de que si algo no funciona, GEA lo va a componer y lo han hecho muy, pero muy bien".

En este nivel de servicio, a GEA Filtration le interesa asegurarse que todas las membranas se están operando adecuadamente para extender al máximo su vida útil, porque GEA está asumiendo el riesgo de los problemas o de fallas catastróficas. Los técnicos de servicio, por tanto, revisan la planta regularmente, hablan con los operadores y sacan copias de las bitácoras. Una vez al año los operadores reciben nueva capacitación para asegurar que se cumplan adecuadamente los procedimientos.

El Programa de Mantenimiento de Membrana tiene varias ventajas principales para el cliente.

Los Técnicos de Servicio Dedicados a la Planta son la razón por la que GEA Filtration puede ofrecer tantos niveles de servicio a la medida. Su trabajo principal consiste en viajar de una planta a otra, ofreciendo mantenimiento de membrana u otros contratos de servicio a las instalaciones. Este personal permanente está altamente calificado, tiene un mínimo de 10 a 15 años de experiencia prestando servicio de tiempo completo a los sistemas de separación de membrana. Diariamente trabajan en el campo de separación de membrana, cargando las membranas, entrenando a los operadores, revisando sus bitácoras y manteniéndose en contacto con los clientes. También tienen amplia experiencia en el diagnóstico de problemas comunes con sólo analizar la membrana en el filtro. Los técnicos de servicio también entienden los requisitos de las agencias reguladoras y los reportes. Incluso conocen los sistemas de control de procesos, incluyendo la lógica de operación.

Todos los técnicos de servicio de GEA Filtration tienen formación técnica práctica, y las habilidades, sentido común, capacidades y mentes mecánicas requeridas para ir a las plantas y diagnosticar los problemas. Los técnicos de servicio cubren áreas geográficas dedicadas y desarrollan buenas relaciones de trabajo con sus clientes.

Los técnicos de servicio están respaldados por un gran departamento de ingeniería de procesos en la sede de GEA Filtration en Hudson, Wisconsin. En caso de que surja cualquier problema poco usual, pueden recurrir a la sección de ingeniería de procesos. Los ingenieros hacen preguntas detalladas para determinar el problema y, en caso necesario, incluso visitan la planta. Este departamento también desarrolla, diseña procesos y dimensiona los nuevos sistemas con base en la información obtenida de la planta piloto. Pueden recomendar el uso de plantas piloto portátiles para realizar las pruebas en sitio que los clientes necesiten.

La ingeniería, el diseño, la fabricación y la instalación de sistemas de filtración por membranas son muy importantes, pero la operación cotidiana, el mantenimiento y el servicio a los sistemas son la clave para mantener los niveles de rentabilidad de los productores de lácteos.