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INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS
SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA
INDUSTRIA LÁCTEA EN EL ESTADO DE NUEVO LEÓN Y
PROPUESTA DE TRATAMIENTO

TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA
OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS
ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA AMBIENTAL
PREVENCIÓN Y CONTROL

JESÚS ÁNGEL CEDEÑO LÓPEZ

DICIEMBRE 1999
INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS
SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY

CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA
LÁCTEA EN EL ESTADO DE NUEVO LEÓN Y PROPUESTA DE
TRATAMIENTO

Los miembros del comité de tesis recomendamos que la presente tesis del Ing.
Jesús Angel Cedeño López sea aceptada como requisito parcial para obtener el
grado académico de Maestro en Ciencias especialidad en

INGENIERÍA AMBIENTAL

Comité de tesis

MC José Ignacio Luján Figueroa
ASESOR

Dr. Homero Gaona Rodríguez MC Roberto Zamudio Muñoz
SINODAL SINODAL

APROBADO

Dr. Federico Viramontes Brown
Director del Programa de Graduados en Ingeniería

DICIEMBRE 1999

Dedicatoria

A mi mamá, su incondicional apoyo fue y es invaluable. Te quiero.
A mi Tío José quien siempre esta presente dentro de mi.
A toda mi familia por su bendición y cariño.

Agradecimientos

Mi eterno agradecimiento al C.P. Humberto Rubio Valdez que creyó en mi,
permitiendo que una de mis metas se hiciera realidad. Muchas gracias a mi
Asesor de tesis Ignacio Luján, que me dio la oportunidad de aportar un ladrillo
en la pirámide del conocimiento. Al Ing. Edgar Bautista con el que siempre
conté con su apoyo sincero. Al Dr. Homero Gaona pór sus cordiales y
entusiastas aportaciones. A mis primos Cristian, Edgar, Itzel, Maya, Mitzia,
Perla, Payin Quetza, Tezca y a mi reina Verónica que aunque no están conmigo,
su apoyo se sentía muy cerca. A mi abue por los rosarios en los que pedia por
mi. A mis hermosas tías que siempre están en mi corazón: Elva y Silvia, Toña y
Mary. A Estela Avila (Temay) sin ella todo hubiera sido distinto, gracias por
aguantarme y estar ahí. A Nueva Industria de Ganaderos por la grata experiencia
que en mi aporto y que se refleja en este documento. Gracias al pollo por su
apreciable amistad y por saber entender y aguantar a un amigo que te estima. A
todos los amigos que durante la maestría me supieron escuchar: Sandra (Seto),
Isadora (Asa), Patricia (Tapi), Pilar (Lapir), Nacho Cadena (morro), Marco
Martínez, Marco Vinicio, Jezan (El presi, Chaca), Blasios (buru man), Lalo
(Chalino), Morro, Enrique, Toño, Charles y Victor (Tetevir).

A Roberto Zamudio de quien aprendí algo diferente todos los días, mi
agradecimiento a una estupenda persona y gran amigo. Muchas gracias mi
Rober.

iii

ÍNDICE

Dedicatoria................................................................................................................................. ii
Agradecimientos ....................................................................................................................... iii
Índice......................................................................................................................................... iv
Lista de Tablas ......................................................................................................................... vii
Lista de Figuras....................................................................................................................... viii

1. Introducción ..........................................................................................................................1

1.1 Justificación ......................................................................................................................2
1.2 Hipótesis ...........................................................................................................................3
1.3 Objetivo.............................................................................................................................3

2. Antecedentes..........................................................................................................................5

2.1. Generalidades...................................................................................................................5
2.2. Composición de la leche ..................................................................................................5
2.2.1. La grasa en la leche...................................................................................................6
2.2.2. Las proteínas de la leche ...........................................................................................7
2.2.3. Aminoácidos .............................................................................................................7
2.2.4. Clases de proteínas....................................................................................................7
2.2.5. Enzimas en la leche...................................................................................................8
2.2.6. Vitaminas en la leche ................................................................................................8
2.2.7. Sales minerales en la leche .......................................................................................8
2.2.8. Otros constituyentes de la leche................................................................................9
2.3. Los bloques integrantes de los procesos lácteos. ...........................................................10
2.3.1. Bloques básicos de proceso ....................................................................................11
2.3.2. Recepción................................................................................................................12
2.3.3. Clarificado (centrifugado).......................................................................................13
2.3.4. Intercambiadores de calor para calentamiento y/o enfriado. ..................................14
2.3.5. Pasterización ...........................................................................................................14
2.3.6. Envasado.................................................................................................................15
2.4. Limpieza de equipos en la industria láctea ....................................................................17
2.4.1. Teoría de la limpieza...............................................................................................18
2.4.2. Detergentes .............................................................................................................19
2.4.2.1. Mezcla de detergentes alcalinos.......................................................................19
2.4.2.2. Detergentes alcalinos puros .............................................................................20
2.4.2.3. Soluciones ácidas .............................................................................................21
2.4.3. Procesos de limpieza...............................................................................................21
2.4.3.1. Enjuague previo con agua................................................................................21
2.4.3.2. Enjuague final con agua limpia........................................................................22
2.4.3.3. El lavado C.I.P. ................................................................................................22
2.4.3.4. Procedimiento general de lavado C.I.P............................................................23iv

2.4.3.5. Verificación de la limpieza ..............................................................................25
2.5. Tratamiento de los efluentes de la Industria Láctea en el mundo..................................25
2.5.1. Estados Unidos de América ....................................................................................25
2.5.2. Alemania .................................................................................................................28
2.5.3. Noruega...................................................................................................................29
2.5.4. La industria láctea en México .................................................................................30
2.5.4.1. El tratamiento de aguas en “El Sauz” ..............................................................30

3. Análisis de parámetros generales ......................................................................................33

3.1. Regulaciones ambientales en México............................................................................33
3.2. Caracterización de efluentes ..........................................................................................34
3.2.1. Colección de muestras ............................................................................................35
3.2.2. Resultados de análisis de muestras compuestas......................................................36
3.2.3. Discusión sobre los resultados de los análisis.........................................................36
3.2.3.1. Relaciones entre el DBO y el DQO .................................................................38
3.2.3.2. Coeficientes volumétricos y de concentración ................................................43
3.2.3.3. Facilidad de remoción biológica de nutrientes ................................................44
3.2.3.4. Comparación de resultados ..............................................................................46
3.2.3.5. Reducción de residuos .....................................................................................47

4. Minimización de residuos en la industria láctea ..............................................................51

4.1. El empleado involucrado en programas de entrenamiento ............................................53
4.2. Practicas adecuadas........................................................................................................55
4.3. Uso de la energía en la industria láctea..........................................................................58
4.3.1. Oportunidades de ahorro de energía .......................................................................59

5. Opciones de tratamiento para la industria láctea del Estado.........................................60

5.1. Análisis y diseño de plantas de tratamiento...................................................................60
5.2. Selección del método de tratamiento .............................................................................61
5.2.1. Clasificación de los métodos de tratamiento ..........................................................61
5.2.2. Procesos combinados, fisicoquímicos - biológicos ................................................62
5.2.3. Procesos Biológicos ................................................................................................64
5.2.3.1. Procesos anaerobios .........................................................................................65
5.2.3.1.1. Filtros de flujo ascendente o descendente.................................................67
5.2.3.2. Procesos aeróbicos ...........................................................................................68
5.2.3.2.1. Sistemas Lagunares...................................................................................69
5.2.3.2.2. Sistema de Lodos Activados.....................................................................71
5.2.4. Ventajas y desventajas en los sistemas de tratamiento ...........................................75
5.3. Evaluación de las alternativas de tratamiento................................................................76
5.3.1. Costos de operación más capital Vs beneficios ......................................................76

6. Tratamiento propuesto.......................................................................................................77

6.1. Sistema de tratamiento secuencial por lotes SBR..........................................................77
6.1.1. Historia....................................................................................................................77
6.1.2. Descripción de los ciclos del SBR..........................................................................79
6.1.2.1. Llenado ............................................................................................................80
6.1.2.2. Reacción...........................................................................................................81
6.1.2.3. Sedimentación..................................................................................................82
6.1.2.4. Decantación......................................................................................................83
6.1.2.5. Marcha lenta o paro .........................................................................................83
6.1.3. Diseño de los sistemas SBR....................................................................................85
6.1.4. Resultados de tratamientos en operación en la industria láctea..............................87

7. Conclusiones 91

Anexos 93

Referencias 97

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Caracterización química de la leche entera y evaporada ..............................................9
Tabla 2. Sumario de actividades generadoras de aguas residuales...........................................11
Tabla 3. Parámetros fisicoquímicos reportados al gobierno del Estado de Nuevo León .........37
Tabla 4. Características químicas de las muestras compuestas ................................................37
Tabla 5. Características del agua residual de plantas lecheras obtenidas de la literatura .........39
Tabla 6. Relaciones DBO5/DQO de industria (1999) a intervalos de tiempo ..........................40
Tabla 7. El efecto de la administración del uso del agua sobre las aguas residuales................43
Tabla 8. Relaciones varias para carga orgánica y nutrientes (P y N) .......................................45
Tabla 9. Parámetros observados en aguas residuales de industria láctea visitada ....................46
Tabla 10. Niveles de tratamiento de aguas residuales ..............................................................61
Tabla 11. Procesos de lodos activados más comunes ...............................................................74
Tabla 12 Ventajas y desventajas en sistemas de tratamiento....................................................75
Tabla 13 Estrategias de operación de un sistema SBR típicas..................................................82
Tabla 14 Ciclos típicos del SBR ...............................................................................................86
Tabla 15 Parámetros de planta de tratamiento de una industria alimentaria en México ..........88
Tabla 16 Parámetros de influente y efluente de SBR en E.A.U. ..............................................90

vii

ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1. Los bloques integrantes de los procesos lácteos............................................................10Fig. 2. Recibo de leche mediante cisternas térmicas. ...............................................................12
Fig. 3. Punto de ordeña con depósito de enfriamiento..............................................................13
Fig. 4. Sección del cabezal de homogeneización......................................................................15
Fig. 5. Línea completa de proceso. ...........................................................................................16
Fig. 6. Principio básico del lavado CIP.....................................................................................23
Fig. 7. Principio básico del lavado CIP (continuación). ...........................................................24
Fig. 8. Esquema de la estrategia para un programa de minimización.......................................51
Fig. 9. Grifos toma muestras.....................................................................................................57
Fig. 10 Filtro anaerobio de flujo ascendente.............................................................................68
Fig. 11 Laguna aireada típica....................................................................................................69
Fig. 12 Sistema SBR típico.......................................................................................................73
Fig. 13 Ciclos elementales de un sistema SBR.........................................................................79
Fig. 14 Ilustración de un ciclo completo de un sistema SBR. ..................................................84
Fig. 15 Parte superior de un sistema de SBR con decantación automática. .............................87

viii
Capitulo 1.- Introducción
Capitulo 1

1.1 Introducción

El uso de detergentes que incluyen en sus formulaciones sosa cáustica, ácido fosfórico y/o
ácido nítrico tienen un impacto significativo en las características de las aguas residuales de
las industrias lecheras. Las descargas de aguas residuales con altos contenidos de fósforo (P) y
nitrógeno (N), que ha ido en aumento en los últimos años en nuestro país, pueden resultar en
la eutroficación de las aguas receptoras en lagos, ríos con poco movimiento, etc. Para prevenir
de estas condiciones, las agencias regulatorias de distintos países han impuesto limites de
descarga de nutrientes para las aguas residuales. Por citar un ejemplo, en el Estado de
Wisconsin, E.U.A., el 1 de Enero de 1997 se introdujo un nuevo limite máximo de descarga
de 1.0 mg/l para el fósforo [Danalewich, 1998], la medida es estricta y anticipada en
comparación a otros estados de medio oeste Estadounidense pero importante para evitar los
altos contenidos de nutrientes en las aguas receptoras provoquen, que la eutroficación acabe
con la vida acuática.

La concentración de contaminantes para las descargas de aguas residuales a aguas y bienes
nacionales, no debe exceder para el fósforo y nitrógeno de 5 y 15 mg/l respectivamente como
promedio mensual, esto es, para la protección de la vida acuática. La tabla tres de la NOM-
ECOL-001-1996 indica los limites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de
aguas residuales según la Norma Oficial Mexicana NOM – 001 – ECOL – 1996
[SEMARNAP, 1999].

La eutroficación es un proceso de envejecimiento natural que se enriquece
orgánicamente, originado por el dominio de algas acuáticas, por la transformación del lugar
en pantano y eventualmente en tierra seca y sin vida [Metcalf, 1991], el proceso es acelerado
por el vertido de aguas residuales con altos contenidos de nutrientes, característicos de la
industria láctea.
Maestría en Ciencias en Ingeniería Ambiental, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Programa
de Graduados en Ingeniería, Monterrey, Campus Monterrey; NL, México. Coreo electrónico: angel.cedeno@usa.net

1
Capitulo 1.- Introducción

La presencia de nitrógeno y fósforo son particularmente indeseables en el agua debido a
que estos nutrientes favorecen la eutroficación y estimulan el crecimiento de algas, la
reducción de la claridad en general una reducción en la calidad del agua [Lory, 1999;
Eckenfelder, 1989]. Lagos, ríos, lagunas, etc. pueden producir malos olores, cuando grandes
cantidades de alga se descomponen en la orilla, la muerte de peces puede ocurrir si las algas
producen toxinas o si el oxígeno disuelto en el agua se consume [Gächter, 1998].

Las lecheras modernas en el mundo están produciendo desperdicios en sus efluentes en
una gran cantidad de orden de magnitud de miles de metros cúbicos por día, con una muy
alta concentración de materia orgánica, estos efluentes pueden crear serios problemas de
índole orgánica en los sistemas de tratamiento público [Perle, 1995].

Las publicaciones que incluyan las características químicas de aguas residuales para esta
industria son muy escasas en nuestro país. En los Estados Unidos de América Harper et al.
(1971) condujo un estudio muy completo caracterizando los efluentes de la industria láctea, a
fines de los años sesenta ejecutó una investigación de campo en aproximadamente el 10% de
esta industria de los Estados Unidos de América así como un extensivo estudio literario.

Danalewich et al. (1998) presenta un estudio detallado de quince plantas procesadoras de
leche en el medio oeste de E.U.A. de donde obtiene suficiente información del proceso
general de operación, de los residuos generados, tratamientos practicados, productos
químicos para la limpieza utilizados así como de las características de las aguas residuales
generadas.

1.2 Justificación

La industria láctea del Estado de Nuevo León así como del país requiere del conocimiento
previo de la naturaleza y gravedad del problema que la aqueja, en cuanto a niveles de

2
Capitulo 1.- Introducción
contaminación se refiere. El reunir los parámetros más importantes de efluentes de esta
industria permite contar con una firme base de datos inicial.

En virtud de que la industria láctea es por demás derrochadora de agua y de que existe
una invariable actitud pasiva del empresario lácteo para cambiar este hecho; a la vez de que
no se cuenta con las herramientas necesarias para identificar y seleccionar una técnica de
tratamiento y se desconocen los niveles de concentración y flujo de efluentes, todo esto
motiva al desarrollo de este trabajo. Además de actitudes y condiciones vividas de forma
personal en una empresa del ramo alimenticio.

1.3 Hipótesis

Se establece que la caracterización de las aguas residuales de la industria láctea en Nuevo
León, demuestra que los sistemas de tratamientos existentes son ineficientes o nulos debido a
que los limites máximos de descarga estipulados por la Secretaria de Ecología del Estado de
Nuevo León no son respetados.

1.4 Objetivo

Investigar y Seleccionar un proceso de tratamiento para la industria láctea mediante la
caracterización de los flujos de agua residual, que sirva como alternativa para esta industria.
Dar a conocer el estado actual de la industria láctea en Nuevo León y sentar las bases
apropiadas para estudios posteriores.

3
Capitulo 1.- Introducción

4
Capitulo 1.- Introducción
CAPITULO 1......................................................................................................................................................... 1
1.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................. 1
1.2 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................................................. 2
1.3 HIPÓTESIS ..................................................................................................................................................... 3
1.4 OBJETIVO...................................................................................................................................................... 3

5
Capitulo 2. Antecedentes

Capitulo 2

2. Antecedentes

2.1. Generalidades

En la industria lechera, la leche cruda pasa por varias etapas de tratamiento en diversos
tipos de equipos de proceso antes de llegar al consumidor en la forma de producto acabado y
refinado. En las industrias modernas lácteas, la producción se desarrolla normalmente en un
proceso continuo y cerrado donde los principales componentes se conectan entre sí por un
sistema de tuberías. El tipo de tratamiento en cuestión y el diseño del proceso dependen del
producto final. Los bloques básicos de proceso son presentados en forma de ejemplos simples
los más importantes son:

- Intercambiadores de calor para el enfriamiento y calentamiento.
- Separadoras para la separación de la nata (grasa) de la leche.
- Homogenizadores para la rotura de los glóbulos de grasa en pequeñas partículas de
forma que la emulsión obtenida sea más estable.
- Pasterización y procesamiento final.

La función natural de la leche es la de ser el alimento exclusivo de los mamíferos recién
nacidos durante el periodo critico de su existencia, tras el nacimiento, cuando el desarrollo es
rápido y no puede ser sustituida por otros alimentos. La gran complejidad de la composición
de la leche responde a esta necesidad.

2.2. Composición de la leche

La leche es un líquido segregado por las glándulas mamarias de las hembras de los
mamíferos, tras el nacimiento de su cría, de composición compleja, de color blanco y opaco y
de sabor dulce.

5
Capitulo 2. Antecedentes

La leche es una emulsión de materia grasa, en forma globular, en un líquido que presenta
analogías con el plasma sanguíneo. Este líquido es asimismo, una suspensión de materias
proteicas en un suero constituido por una solución que contiene, principalmente, lactosa y
sales minerales.

Esta varía en el transcurso de la lactación, en la época del nacimiento, la mama segrega el
calostro, líquido que se diferencia principalmente de la leche en sus partes proteicas y salinas.
El estado de salud de la vaca influye sobre la composición de la leche (leches patológicas), la
composición de la leche completa varía sensiblemente de una especie animal a otra [Equipo
Técnico de Alfa Laval, 1990].

Los principales constituyentes de la leche son agua, grasa, proteínas, lactosa y sales
minerales. La leche también contiene pequeñas trazas de otras sustancias tales como
pigmentos, enzimas, vitaminas, fosfolípidos (sustancias con propiedades parecidas a las de las
grasas) y gases.

2.2.1. La grasa en la leche

Si se deja en reposo la leche se formará una capa de nata en su superficie. La nata difiere
considerablemente en apariencia de la capa de leche desnatada que queda en el fondo. Vista al
microscopio, la nata consta de una gran cantidad de esferas de tamaño variable, flotando
libremente en la leche. Cada esfera está rodeada por una delgada membrana.

Estas diminutas esferas son glóbulos de grasa y la membrana consta de proteínas y
fosfolípidos. Los glóbulos de grasa son las partículas más grandes presentes en la leche. Sus
diámetros oscilan entre 0.1 y 20 micras (1 micra = 0.001 mm). El tamaño medio es de 3.4
micras y hay 3,000 - 4,000 millones de glóbulos de grasa en un mililitro de leche entera. El
tamaño de los glóbulos de grasa tiene una importancia grande en el rendimiento de los
procesos lácteos. Cuando mayor son los glóbulos, más fáciles son de separar de la leche
desnatada [Equipo Técnico de Alfa Laval, 1990].

6
Capitulo 2. Antecedentes

2.2.2. Las proteínas de la leche

Las proteínas son una parte esencial de nuestra dieta. Las proteínas que nosotros comemos
son descompuestas en productos más simples por el sistema digestivo y por el hígado. Estos
productos son entonces transportados hasta las células del cuerpo, donde son utilizados como
material de construcción para las proteínas de dicho cuerpo. La gran mayoría de las
reacciones químicas que tienen lugar en el organismo son controladas por ciertas proteínas
activas conocidas como enzimas.

Las proteínas son moléculas gigantes formadas por unidades más pequeñas, llamadas
aminoácidos. Una molécula de proteína consta de una o más cadenas entrelazadas de
aminoácidos donde éstos están colocados en un orden específico.

2.2.3. Aminoácidos

Aunque son cientos el número total de aminoácidos conocidos, solo 18 de ellos se
encuentran en las proteínas de la leche. Desde el punto de vista nutricional, 8 de los 18
aminoácidos esenciales no pueden ser sintetizados por el organismo humano.

2.2.4. Clases de proteínas

La leche contiene varios cientos de tipos distintos de proteínas, muchos de los cuales se
encuentran en muy pequeñas cantidades. Los tres grupos de proteínas presentes en la leche se
distinguen por su diferente comportamiento y por su forma de existencia. Las caseínas son
fácilmente precipitadas en la leche por diversos caminos, mientras que las proteínas del suero
normalmente permanecen en solución. Las membranas proteínicas de los glóbulos de grasa se
adhieren, como su nombre lo indica, a la superficie de dichos glóbulos grasos y solamente se
pueden separar por acciones mecánicas, tales como el batido de la nata para fabricar
mantequilla. La lactoalbúmina es la proteína considerada como la típica del suero de leche.
Está presente en la leche en todos los mamíferos y juega un papel importante en la ubre
durante la síntesis de la lactosa.

7
Capitulo 2. Antecedentes

2.2.5. Enzimas en la leche

Las enzimas en la leche son un grupo de proteínas producidas por organismos vivos.
Tienen la capacidad de provocar reacciones químicas y de afectar el curso y la velocidad de
tales reacciones. Las enzimas llevan a cabo su tarea sin ser consumidas, por ello son llamadas
con frecuencia biocatalizadores. Dos factores que influyen de forma importante en la acción
enzimática son la temperatura y el pH. Como norma las enzimas son más activas a una
temperatura cuyo óptimo oscila entre 25 y 50 °C. Su actividad cae si la temperatura supera su
óptimo antes citado, cesando completamente en algún punto situado entre los 50 y los 120° C.
A estas temperaturas, las enzimas son destruidas casi por completo (inactivadas). Algunas
trabajan mejor a pH bajo y otras lo harán a pH altos. Las enzimas en la leche tienen su origen
en la ubre de la vaca o en las bacterias. Las primeras se consideran como componentes
normales de la leche - enzimas originales -. Las otras, llamadas enzimas bacterianas, varían en
tipo y abundancia según la naturaleza y la población bacteriana. Algunas de estas enzimas de
la leche son utilizadas como controles de calidad. Entre las más importantes están la
peroxidasa, catalasa, fosfatasa y lipasa. Estas enzimas son destruidas (inactivadas) con las
altas temperaturas de pasterización y la indicación por medio de análisis químicos de la
ausencia de ellas verifica la calidad y efectividad del proceso de pasterización.

2.2.6. Vitaminas en la leche

Las vitaminas son sustancias orgánicas que están presentes en muy bajas concentraciones
en animales y plantas. Son esenciales para el normal desarrollo de la vida. Se las designa por
letras mayúsculas, seguidas en ocasiones por un índice numérico. La leche contiene muchas
vitaminas. Entre las más conocidas figuran la A, B1, B2, C y D. Las vitaminas A y D son
solubles en grasa, o en disolventes de la grasa, mientras que el resto son solubles en agua.

2.2.7. Sales minerales en la leche

8
Capitulo 2. Antecedentes

Su concentración en la leche es inferior al 1%. Las sales minerales se encuentran disueltas
en el suero de la leche o formando compuestos con la caseína. Las sales másimportantes son
el calcio, sodio, potasio y el magnesio. Se encuentran como fosfatos, cloruros, citratos y
caseinatos. Las sales de potasio y calcio son las más abundantes en la leche.

2.2.8. Otros constituyentes de la leche

La leche contiene siempre glóbulos blancos (leucocitos) y en forma normal gases disueltos.
Principalmente anhídrido carbónico, nitrógeno y oxígeno.

El gran número de componentes que forma parte de la leche se dividen comúnmente como
lo muestra la Tabla 1.

Tabla 1. Caracterización química de la leche entera y evaporada*
Parámetros
Concentración en
leche entera
(mg/l)
Concentración de
leche evaporada
(mg/l)
pH 7.0 6.2
DBO5 Total 102,500 nd
DQO 150,000 364,790
Acidos Grasos Volátiles <1
Alcalinidad Total (CaCO3) 200 6,875
N Total 7,200 nd
NH3 -N 0.3
NO3- -N 95.5
NO2- -N 66.0
Ortofosfatos –P 1,426
P Total 1,000 5,667
Grasa 40,000 400
ST 125,000 251,520
Sólidos Volátiles Totales 117,000 216,790
SS 14,050
SSV 13,333
Cloruros nd
Potasio 1,000 2,887
Sodio 1,500 485
Calcio 400 1,582
Magnesio 1,200 180
Aluminio 500 4.0
Manganeso 0.1
Nickel 2.3
Cobre 1.1
Cobalto 0.4
Hierro 6.9
* Datos obtenidos de Danalewich, 1998 y APV, 1994.

9
1
2
6
Capitulo 2. Antecedentes

Esta composición representa el promedio de un gran número de resultados analíticos y sus
valores están influenciados por factores tales como, la raza, la alimentación, el clima, la edad
de la cría, etc.

2.3. Los bloques integrantes de los procesos lácteos.

Es importante relacionar la generación de las aguas residuales con bloques específicos del
proceso de producción o con actividades efectuadas en la planta. La importancia radica en la
capacidad para ofrecer una solución de reducción o tratamiento sobre un proceso o actividad
que sobresalga como alta generadora de residuos.

Fig. 1. Los bloques integrantes de los procesos lácteos.

5
4
3
1. Tanque de almacenamiento
2. Clarificador
3. Homogeneizador
4. Pasterizador de placas
5. Enfriador
6. Válvula neumática

La limpieza de las líneas de conducción y equipo usado para comunicar los bloques en el
ciclo de producción, la limpieza de pipas cisterna, y el lavado de silos de leche, resultan ser
los más altos contribuidores en la generación de aguas residuales. La información de la Tabla
2 muestra información limitada, obtenida de la literatura, sobre los tipos de proceso en las
plantas lecheras que generan más aguas residuales [Harper et al., 1971; Goronszy, 1989;
Kasapgil et al., 1994] en esos estudios, la mayoría del volumen de aguas residuales es
generado durante la limpieza de tanques, pipas térmicas (de interiores y exteriores), líneas de
conducción de leche y equipo.

10
Capitulo 2. Antecedentes

Otras fuentes de generación fueron asociadas con el equipo en malas condiciones o con
errores de operación (derrames de leche durante el recibo, sobre carga de silos, derrames de
leche o productos de leche durante su proceso, fugas de pipas, bombas y tanques, descargas
de leche y productos de leche estropeados y perdidas de producto durante las operaciones de
empaque), [Eroglu et al., 1991].

De cualquier forma la fuente principal de aguas residuales es generada durante actividades
esenciales para la planta, como por ejemplo los lavados, el nivel de generación observado en
la Tabla 2 puede ser usado para priorizar posibles estrategias para reducir la carga y volumen
de las aguas residuales.

Tabla 2. Sumario de actividades generadoras de aguas residuales
Plantas que consideran su actividad
Actividad generador de aguas residuales a Alta generadora Poco generadora Prom
Limpieza de líneas de conducción y equipo entre ciclos de producción 4 10 1
Limpieza de tanques y pipas 3 9 2
Lavado de silos 3 9 2
Derrames de leche y de derivados lácteos durante el proceso 0 12 4
Derrames de leche durante el recibo 0 12 4
Purgas de leche durante el arranque y cambios de producción 0 12 4
Fugas de pipas, bombas y tanques 0 9 7
Sobrecarga de tanques 0 9 7
Perdidas durante operaciones de empaque 0 9 7
Descargas de agua fría 0 4 10
Descarga de leche y productos lácteos estropeados 0 3 11
Lubricación de transportadores, apiladores y otros equipos 1 1 12
Limpieza de evaporadores de suero 1 1 12
Esterilización de equipo 0 1 14
Derrames menores de aceites vegetales 0 1 14
a La selección de las actividades de generación de aguas residuales esta basada en información proveída por Harper et al.,
(1971) y Eroglu et al., (1991)

2.3.1. Bloques básicos de proceso

Una planta de procesamiento lácteo se caracteriza por estar dividida en distintos bloques
que se integran para la elaboración de un producto homogéneo con las mismas características

11
Capitulo 2. Antecedentes

de calidad. En las modernas industrias lácteas, la producción se desarrolla normalmente en un
proceso continuo y cerrado donde los principales componentes se conectan entre sí por un
sistema de tuberías. El tipo de tratamiento en cuestión y el diseño del proceso dependen del
producto final.

2.3.2. Recepción

La leche es primero recibida de cisternas isotérmicas (pipas térmicas), Fig. 2, utilizadas
únicamente en combinación con depósitos de enfriamiento en los puntos de ordeña o granjas
acumuladoras, Fig. 3, para mantener baja la temperatura en la leche.

Fig. 2. Recibo de leche mediante cisternas térmicas.

Las pipas colectan de los diferentes puntos de ordeña designados por la administración de
la planta la leche de las ordeñas de la región y completan la demanda de la planta con leche de
ordeñas foráneas (de ciudades o estados vecinos). Mediante este sistema se otorga al ganadero
impulso comercial a su producto y a la vez se evita que la leche sea usada en su forma cruda
(sin pasterizar) por los pobladores de la región para la elaboración de derivados lácteos que no
necesariamente son de buena calidad bacteriológica.

12
Capitulo 2. Antecedentes

Después de los análisis fisicoquímicos adecuados que determinan la entrada o no al
proceso de la planta, la leche fluye mediante tubería de acero inoxidable hasta el bloque de
enfriadores [Equipo Técnico de Alfa Laval, 1990].

Fig. 3. Punto de ordeña con depósito de enfriamiento.

En esta etapa se tiene en muchas ocasiones derrames inconscientes provocados por los
operadores del área (descuidos), en algunas plantas los lavados de pipas se dan en esta área,
fugas ocasionadas por equipo en malas condiciones de operación, derrames provocados por
juntas defectuosas, etc., como se hace notar esta es un área donde se debe guardar mucho
cuidado para evitar fugas mínimas pero continuas y/o derrames de cantidades considerables
de leche.

2.3.3. Clarificado (centrifugado)

En plantas de procesamiento lácteo de gran tamaño, de más de 0.2 x 106 Lt/d, se da el uso
de clarificadores, los cuales constan de un mecanismo centrifugo que ayuda a separar
organismos no propios del producto recibido, como pelos, pus, células de la ubre, bacterias,
sangre, heces fecales, lodo, grasa en exceso o cualquier otro objeto sólido suspendido de
diminuto tamaño. El total de sedimentos contenidos en la leche es normalmente de 1Kg. /
10,000 litros. Este proceso aumenta la higiene del proceso y maximiza la calidad del producto
terminado ya que en las modernas separadoras de eyección de sólidos van equipadas de un
dispositivo para la expulsión automática de los lodos acumulados con la ayuda de la fuerza
centrifuga del equipo en intervalos seleccionados por el operador del equipo, por lo tanto los

13
Capitulo 2. Antecedentes

residuos, en su mayoría lodos, pueden ser dispuestos de forma adecuada y al mismo tiempo
ser bien caracterizados para su disposición adecuada [Equipo Técnico de Alfa Laval, 1990].

2.3.4. Intercambiadoresde calor para calentamiento y/o enfriado.

El bloque de enfriadores es una parte del proceso en la que se hace uso de
intercambiadores de calor que normalmente hacen uso de agua fría a cero grados centígrados
para lograr atrapar el calor de la leche y reducir su temperatura a casi 4°C. El efecto de
intercambio de calor depende de factores como el medio ambiente [Equipo Técnico de Alfa
Laval, 1990], generalmente el de mayor peso al momento de la recepción debido a la falta de
aislamiento de este bloque y de los siguientes; gran parte de la fuga de energía de las plantas
lecheras en el Estado podrían evitarse, generando ahorros considerables de energía al Estado.

2.3.5. Pasterización

La leche una vez que es enfriada pasa a los silos donde se mantiene el tiempo que sea
necesario a una temperatura no mayor a 5°C ni menor a 0°C con una agitación suave y
continua para evitar la suspención de la grasa [Equipo Técnico de Alfa Laval, 1990]. La leche
pasa a la primera unidad de proceso que es el tanque de suministro el cual regula la cantidad
de leche que debe pasar al pasterizador inmediatamente después es conducida al pasterizador
de placas que permite elevar la temperatura de la leche de 4°C a 72°C - 75°C para el tipo de
pasterización High Tempeture Short Time, HTST (Temperatura alta - tiempo corto), la leche
es entonces conducida al deodorizador, este permite eliminar los malos olores mediante la
liberación de los gases con ayuda de altas presiones.

La leche es después suministrada a la unidad de proceso llamada homogeneizador el cual
permite comprimir mecánicamente los glóbulos de grasa a una presión de 1,800 a 2,000
lb/plg2, ver Fig. 4, esto con el fin de evitar que el producto terminado sufra de mal aspecto al
consumidor a causa de la separación de la grasa, esta etapa del proceso debe efectuarse en la
última etapa del proceso de la producción de la leche esterilizada de lo contrario existiría un

14
Capitulo 2. Antecedentes

riesgo alto de coagulación de las proteínas a las temperaturas elevadas a las que se desarrolla
el proceso de esterilización, produciéndose sedimentos proteínicos en los envases de leche.

Fig. 4. Sección del cabezal de homogeneización.

La leche se conduce a través de un tubo de sostenimiento el cual permite al proceso darle
el tiempo necesario para que el shock térmico tenga efecto, este tiempo no debe ser menor ni
mayor a 15 segundos, al concluir los quince segundos el flujo retorna al pasterizador en donde
la leche es nuevamente enfriada, la leche es almacenada temporalmente en silos que
mantienen las condiciones de pasterización mientras el envasado se desarrolla, de esta manera
se evita la falta de producto en el área de llenado. La línea completa del proceso antes del
proceso final, se observa en la Fig. 5.

En un estudio hecho por Harper et. al. (1971) encontró que el proceso que proporcionaba
un mayor rendimiento DBO5 (Kg/día) / Kg de leche procesada por día era el proceso de
pasterización, con los sólidos de leche combinados con agua tirados al arranque, durante
cambios y paros de proceso de pasterización.

2.3.6. Envasado

Después de la homogeneización la leche es muy sensible a la luz y al oxigeno, apareciendo
un sabor característico poco agradable. Por ello la leche debe envasarse en contenedores de un

15
Capitulo 2. Antecedentes

material que permita protegerla de olores externos y de la luz para evitar que pierda su sabor
natural y su valor nutritivo [1 y 3]. En esta etapa se hace uso de equipo de llenado rápido, este
tipo de maquinaria depende del tipo de envase utilizado.

Fig. 5. Línea completa de proceso.

Con gran rapidez el material plástico se ha introducido en el mercado desde los últimos
años, debido al alto crecimiento de la población. Es por eso que muchas envasadoras son del
tipo galoneras que por su nombre indican que cumplen la función de llenar galones o envases
del mismo tipo y tamaño de boquilla. El equipo para el llenado de envases plásticos más
popular del Estado es de la marca Federal en sus presentaciones de 9, 12, 18 y 36 válvulas,
este tipo de equipo presenta inconvenientes al momento del llenado ocasionado por el sistema
rotatorio tipo corona utilizado, este sistema cuando no esta bien ajustado al tipo de envase,
produce grandes cantidades de mermas diarias de envase y leche cada arranque y corte de
producción, leche que es vertida al drenaje en la mayoría de los casos. Otro tipo de llenado es
el usado por muchas de las lecheras de la región, el llamado Pure-Pak, este envase es de
cartón el cual hace más económico el producto final. Las envasadoras más comunes son las
Excello en sus diferentes modelos. La razón de que este empaque sea el más usado en la
región para la presentación en envase de litro es debido a que la industria láctea más grande
de la región es propietaria de su propia planta productora de envase de cartón, por tal motivo

16
Capitulo 2. Antecedentes

le es incomodo el deshacerse de este envase y generalizar el uso del plástico en el mercado,
como ya ha ocurrido en los Estados Unidos de América.

La siguiente fuente más significativa de alta generación de DBO5/Kg según Harper y
coautores (1971), es el proceso de llenado, donde las máquinas se atoran a altas velocidades
de llenado o como se menciona antes en arranques de llenado. El estudio también menciona
que con frecuencia ocurren perdidas desde 20 hasta 35 litros de leche por máquina causada
por envase atorado.

Otro residuo que se puede encontrar en esta área es el ocasionado por la limpieza del
producto envasado en material plástico o de cartón, una capa de leche escurre en sus paredes
externas al momento de salir de la línea de llenado, con la ayuda de agua a presión o
simplemente dejada caer por gravedad en el envase, la leche en exceso removida y enviada a
la escotilla del drenaje del área.

El agua que se utiliza para mantener el área libre de leche regada en los pisos del área y/o
para el sanitizado del equipo de llenado es otro residuo de considerable importancia [Harper
et al., 1971 y Eroglu et al., 1991].

Todo este proceso de recepción - envasado necesita de limpieza profunda al tiempo en que
una jornada de trabajo finaliza y al momento en que una unidad de almacenamiento es
evacuada.

2.4. Limpieza de equipos en la industria láctea

Una limpieza y desinfección completas de los equipos forma parte esencial de las
operaciones efectuadas en una industria láctea. Una mala higiene puede acarrear serias
consecuencias, ya que la leche es un perfecto medio de cultivo para el rápido crecimiento de
bacterias. La leche que entra en contacto con superficies de depósitos, tuberías y otros equipos
de proceso o con las manos y el uniforme del personal de la industria, que no hayan sido
limpiados correctamente, se ensuciará y aumentará su contenido en bacterias. En la

17
Capitulo 2. Antecedentes

actualidad, con la producción y distribución en masa de leche y otros productos lácteos, nos
encontramos con que son grandes las cantidades de dinero que están en juego. Un simple fallo
en la operación de limpieza puede dar lugar a la perdida de grandes volúmenes de producto, lo
que afecta económicamente a la industria.

2.4.1. Teoría de la limpieza

Las técnicas de limpieza y desinfección se encuentran sujetas a un extenso desarrollo. Los
técnicos tratan de poner a punto detergentes químicos cada vez más eficientes. Esto ha hecho
más complicada la elección de los detergentes y desinfectantes más apropiados, por lo que el
personal responsable de la limpieza de las industrias lácteas necesita un conocimiento más
completo al respecto. El aumento en el costo de la mano de obra y otras presiones de carácter
económico han hecho que se aceleren los procesos de mecanizacióny automatización de las
operaciones de limpieza [Equipo Técnico de Alfa Laval, 1990].

Para expresar los distintos grados de limpieza se aplican los siguientes términos:

Limpieza física (eliminación de todas las partículas visibles al ojo presentes sobre las
superficies que se desea limpiar);
Limpieza química (eliminación de toda la superficie visible al ojo, así como los residuos
microscópicos que pueden ser detectados por su olor o sabor, pero que no son apreciables a
simple vista);
Limpieza bacteriológica (obtenida por una desinfección que destruye todas las bacterias
patógenas, aunque no todas las bacterias en general);
Esterilidad (destrucción de todos los microorganismos).

Es importante indicar que los equipos pueden estar bacteriológicamente limpios, sin
necesidad de estarlo física o químicamente. Es más fácil conseguir la limpieza bacteriológica
si las superficies en cuestión han sido en primer lugar limpiadas físicamente. En las
operaciones de limpieza en una industria láctea, el objetivo es casi siempre conseguir tanto la
limpieza química como la bacteriológica. Por ello, las superficies de los equipos se limpian en

18
Capitulo 2. Antecedentes

primer lugar con detergentes químicos en forma muy completa, para proceder después a su
desinfección.

2.4.2. Detergentes

2.4.2.1. Mezcla de detergentes alcalinos

Siempre quedan residuos sobre todas las superficies en contacto con el producto. Residuos
de grasas, proteínas, lactosa, sales cálcicas y bacteria por lo que se necesita un detergente
eficaz para eliminarlos.

Una capa delgada de nata ácida seca se adhiere a las superficies de acero inoxidable, esta
capa contiene proteínas insolubles que incluyen glóbulos de grasa, de bajo punto de fusión,
cristales de lactosa soluble y fosfato cálcico insoluble. Con objeto de conseguir el contacto
entre la solución detergente y la capa de suciedad es necesario añadir un agente humectante
(sustancia tensoactiva). Con el mismo se baja la tensión superficial del líquido. La fase
continua proteínica se hincha un poco cuando absorbe agua y con la ayuda de los álcalis
disuelven a las proteínas, cuando mayor es el pH, el efecto de disolución es más efectivo
[Hoja técnica Química Especializada del Norte, 1996]

Si el detergente carece de la propiedad de mantener la suciedad en solución, dicha
suciedad, cuando sea diluida, tenderá a flocular y a volverse a depositar sobre las superficies
limpiadas. Por ello, un detergente debe ser capaz de dispersar la suciedad y de encapsular las
partículas suspendidas con objeto de evitar su floculación.

Un detergente comercial reúne todas estas propiedades ya que son una mezcla cuidadosa
de un cierto número de productos químicos, donde cada uno o varios de ellos contribuyen a
conseguir las características necesarias de la mezcla final. Un detergente de este tipo contiene
siempre álcalis, polifosfatos, agentes tensoactivos y algún tipo de agente secuestrante capaz
de disolver y dispersar los depósitos de cal.

19
Capitulo 2. Antecedentes

Los álcalis utilizados como detergentes son la sosa cáustica (NaOH), el carbonato sódico y
el metasilicato sódico. La mayor parte de los detergentes tienen como base la sosa cáustica,
que tiene buenas propiedades para disolver suciedad orgánica también tienen buenas
propiedades emulsionantes a altas temperaturas (convierte la grasa en formas solubles en
agua). Es también un bactericida efectivo y comparativamente con otros productos es barata.

Los polifosfatos son agentes efectivos para emulsionar y dispersar, lo que contribuye a
ablandar el agua. Los utilizados más comúnmente son el trifosfato sódico y los compuestos
complejos de fosfatos. Los polifosfatos son aditivos para la mayor parte de las soluciones
detergentes alcalinas. Tienen además buen efecto inhibidor de la corrosión.

Entre los agentes tensoactivos (humectantes) tenemos varios tipos disponibles: aniónicos,
no ionizantes y catiónicos. Los humectantes catiónicos son principalmente bases de amonio
cuaternario. Los aniónicos y los no ionizantes son los mejores como detergentes. Los
productos anfolíticos y catiónicos se utilizan generalmente como desinfectantes.

Los agentes secuestrantes evitan que las sales precipitadas de calcio y magnesio formen
compuestos insolubles en la solución detergente. Pueden soportar altas temperaturas y se
utilizan junto con las bases de amonio cuaternario. Hay varios tipos de agentes secuestrantes
disponibles, su elección es determinada sobre la base del pH de la solución detergente.

2.4.2.2. Detergentes alcalinos puros

Es posible también utilizar una solución alcalina pura, sin mezcla, tal como una solución
de sosa cáustica. En este caso la temperatura debe ser de al menos 70° C (preferentemente 90°
C) y las condiciones de flujo deben ser lo suficientemente turbulentas como para conseguir la
eliminación de las partículas no disueltas y evitar que estas se depositen en rincones o puntos
muertos (zonas sin circulación).

20
Capitulo 2. Antecedentes

2.4.2.3. Soluciones ácidas

En una línea de elaboración de productos lácteos no es suficiente con una limpieza
alcalina, especialmente si en el proceso se incluye un tratamiento térmico. Por ello, se utiliza
una solución ácida como detergente suplementario, en una etapa separada del ciclo. Los
ácidos inorgánicos son unos disolventes efectivos de las proteínas con frecuencia en la
primera etapa del ciclo de limpieza, con objeto de ablandar las incrustaciones para el posterior
tratamiento alcalino. Alternativamente, la limpieza ácida se utiliza con frecuencia como
segunda etapa del tratamiento. Se hace así cuando se forman depósitos de carbonato cálcico
junto con albúmina, debido a la dureza del agua o a la presencia de fuertes incrustaciones de
producto quemado, que aún permanece en la superficie a limpiar, después incluso del
tratamiento con detergentes alcalinos mezclados. A veces, puede ser necesario proceder a una
limpieza ácida tanto antes como después de la alcalina, particularmente cuando se trata de
equipos de esterilización en industrias lácteas.

2.4.3. Procesos de limpieza

Las operaciones de limpieza se deben de realizar de forma estricta, según un procedimiento
cuidadosamente elaborado, con objeto de alcanzar el grado requerido de limpieza. Esto quiere
decir que la secuencia debe ser exactamente la misma cada vez que se realiza.

2.4.3.1. Enjuague previo con agua

Inmediatamente después de acabado el ciclo de producción se debe de proceder al
enjuague previo con agua, ya que, en caso contrario, los residuos de leche se secarían y se
pegarían a las superficies, lo que hace más difícil la limpieza. Los residuos grasos son más
fácilmente eliminados si el agua de enjuague es caliente, pero sin pasar de una temperatura de
60 °C, con objeto de evitar la coagulación de proteínas.

El enjuague previo debe de continuar hasta que el agua sea clara, ya que cualquier partícula
de suciedad suelta que permanezca aumenta el consumo de detergentes e inactivará el cloro

21
Capitulo 2. Antecedentes

que puedan contener los mismos. Si hay presencia de residuos de leche seca en las superficies
una ventaja pueden ser remojar los equipos, con este remojo se ablanda la suciedad y la
limpieza es más eficaz. Cuando se hace un enjuague previo eficaz, se puede llegar a eliminar
como mínimo el 90% de los residuos no incrustados, aunque lo normal es llegar hasta el 99%
del total de los residuos.

2.4.3.2. Enjuague final con agua limpia

Después del lavado con detergentes las superficies deben de ser lavadas con agua durante
el tiempo suficiente para eliminar cualquier traza de detergente. Si queda todavía algo de
detergente en el sistema después de su lavado se podría producir contaminación de la leche.
Todas las partes del sistema debendrenarse concienzudamente después del enjuague.

Para el enjuague se utiliza agua blanda. De esta forma se evitan depósitos de cal sobre las
superficies limpias. Las aguas duras, con un alto contenido en sales cálcicas, deben ser, por lo
tanto, ablandadas en filtros de intercambio iónico. Después del tratamiento con soluciones
alcalinas y ácidas de alta concentración y elevada temperatura, los equipos y el sistema de
tuberías están prácticamente estériles. Es entonces necesario evitar el crecimiento de bacterias
durante la noche en las aguas residuales de enjuague que puedan quedar en el sistema, Esto se
puede conseguir por acidificación del agua final de enjuague hasta un pH inferior a 5,
mediante la adición de ácidos cítrico o fosfórico. Este ambiente ácido evita el crecimiento de
la mayoría de las bacterias.

2.4.3.3. El lavado C.I.P.

Los métodos de Lavado C.I.P. han sido desarrollados en respuesta a los avances en el
diseño de equipos lecheros. En la acción detergente, el lavado C.I.P. combina la fuerza
mecánica de la recirculación con las características químicas del producto limpiador disuelto.

Observe a un operador lavando un cántaro: utiliza un detergente suave y cepilla con
energía para remover la leche pegada.

22
Capitulo 2. Antecedentes

En contraste, el sistema utiliza una fricción constante del
líquido con la tubería y permite temperaturas altas y
productos químicos más fuertes que los posibles en un
lavado manual. En las industrias lácteas, los programas para
la limpieza en circuito cerrado varían dependiendo sí el
circuito que queremos lavar tiene o no superficies de
intercambio térmico (pasterizador o intercambiador de
calor). Los ciclos y etapas de lavado son diferentes para los
dos programas de lavado existentes, para los circuitos con
pasterizadores y otros equipos con superficie sometidos a
tratamiento térmico se debe de incluir siempre una solución
ácida para la eliminación de proteínas precipitadas sobre las
superficies de los equipos de tratamiento térmico superficies
de los equipos de tratamiento térmico y el otro tipo de ciclo
es el normal que consta de enjuague con agua, detergente
alcalino, enjuague con agua caliente y un enfriamiento
gradual con agua fría, esto para los ciclos de lavado de
tuberías, depósitos y otros equipos "fríos".

2.4.3.4. Procedimiento general de lavado C.I.P.

Sin importar el tipo o marca del equipo, este
procedimiento es el mismo. Siguiendo estos pasos se puede
tener una rutina aceptable de lavado C.I.P., primero se
ejecuta un enjuague tibio previo al lavado que consiste en
recircular agua a una temperatura de 40° a 45°C, este
enjuague removerá del equipo cerca del 95% o más de los
residuos, el lavado alcalino tiene como propósito remover
las grasas y proteínas que son los principales constituyentes
de los residuos, se usan temperaturas de 50° a 70°C
dependiendo del tipo de detergente, la longitud de la tubería
y la temperatura ambiental.
Fig. 6. Principio básico del lavado CIP.

23
Capitulo 2. Antecedentes

Fig. 7. Principio básico del lavado CIP (continuación).

A continuación se efectúa un enjuague con agua fría
para disolver el detergente alcalino residual y los residuos
que han sido ya incorporados a la solución así mismo, este
enjuague ayuda a evitar la neutralización del detergente
ácido usado posteriormente, el lavado ácido actúa sobre
los depósitos minerales formados sobre las paredes del
equipo. Estos depósitos, llamados “piedra de leche”
resultan de los minerales propios de la leche y la dureza
del agua, esta piedra de leche puede contener hasta un
35% de calcio, 25% de fósforo y 8% de magnesio, esta se
desarrolla en mayor proporción en equipo que utiliza altas
temperaturas como pasterizadores, un enjuague en frío
posterior al lavado ácido es necesario para quitar la
solución ácida remanente del equipo para poder recibir el
enjuague saneador posterior que funciona como inhibidor
de cualquier desarrollo de bacterias durante el tiempo en el
que el equipo no se usa [Química especializada del Norte,
1997], ver Fig. 6 y 7.

Durante los años 60’s y 70’s se desarrollaron los
sistemas de limpieza C.I.P. centralizada. Desde dicha
estación se suministra agua, soluciones calientes de
detergente y agua caliente a través de una red de tuberías a
todos los circuitos C.I.P. de la planta. Las soluciones
utilizadas volvían nuevamente a la estación central y desde
allí a sus respectivos depósitos de recogida. Los
detergentes recuperados de esta forma se vuelven a ajustar
hasta su concentración correcta, reutilizándolos hasta que
estén muy gastados y deban ser eliminados.

24
Capitulo 2. Antecedentes

El problema sobre este sistema es que el agua que queda en las tuberías después del
enjuague final diluye las soluciones detergente, lo que significaba que es necesaria la adición
de grandes cantidades de detergente concentrado para mantener la concentración correcta.
Cuanto mayor es la distancia, mayor es el costo por la limpieza. Por ello se inició el uso de
estaciones descentralizadas donde cada departamento se encarga de su propio sistema C.I.P.
[Equipo Técnico de Alfa Laval, 1990].

2.4.3.5. Verificación de la limpieza

La verificación de que se consiguió la limpieza correcta se debe considerar como parte
esencial de las operaciones que han descrito. Se puede hacer de dos formas: visual y por
inspección bacteriológica. Debido a los avances que se han producido en la automatización,
en la actualidad las líneas de proceso son raramente accesibles por un control bacteriológico,
que se suele concentrar en un número de puntos estratégicos de la línea. Los resultados de la
limpieza C.I.P. se pueden comprobar normalmente mediante cultivos de bacterias coliformes.
El criterio que se sigue considera que el máximo de bacterias colis presente debe de ser de una
por cm2 de cultivo. Estas pruebas se pueden realizar sobre las superficies de los equipos, una
vez que se ha terminado el programa de limpieza.

2.5. Tratamiento de los efluentes de la Industria Láctea en el mundo

2.5.1. Estados Unidos de América

La generación de aguas residuales en las plantas de procesamiento lácteo se caracteriza en
sufrir de altas fluctuaciones durante el día continuamente asociadas a los procesos de limpieza
efectuados al final de un ciclo normal de producción. [Goronszy, 1989; Eroglu et al., 1991].
Existen también altas variaciones ocasionadas por los cambios de temporada durante el año
estas variaciones se correlacionan con la cantidad de leche recibida para ser procesada,
típicamente la recepción de leche durante los meses de verano es muy alta y baja durante los
meses de invierno [Eroglu et al., 1991; Kolarskia y Nyhuis, 1995]. En la investigación de
campo efectuada por Harper et al. (1971) sobre la industria láctea en los Estados Unidos de

25
Capitulo 2. Antecedentes

América, calculó la cantidad de agua residual que se generaba por cantidad de leche
procesada, a esta medida la llamo “coeficiente volumétrico residual”.

El coeficiente volumétrico residual promedio de la industria láctea en general y de los
productores de queso en particular, fue de 2.43 y 3.14 agua residual por tonelada de leche
procesada, respectivamente para el estudio de realizado por Harper. Sus análisis indicaron que
estos coeficientes variaban enormemente para la industria láctea, de 0.1 a 12.4 m3/ton y no se
relacionaban con el tamaño de la planta o con el grado de automatización. Basado en estas
observaciones Harper et al. (1971) concluyó que los factores que controlaban la generación de
aguas residuales eran la planeación de la administración de los procesos de producción así
como la eficiencia ensu supervisión.

Otro estudio efectuado por Danalewich et al. (1998) indica que los productores de queso
de la región del medio oeste de Estados Unidos, generaban un menor coeficiente volumétrico
residual que aquel estudiado por Harper estos coeficientes muestran una variación de 0.3 a
2.29 m3 agua residual/ton de leche procesada, con una media de 1.26 m3/ton. Así que, el
incremento del tamaño de las plantas (Danalewich efectuó su investigación en plantas de
cuatro veces mayor tamaño comparadas con las que Harper estudió) y la introducción del
sistema de limpieza Clean-In-Place, (C.I.P.) o por su traducción al español limpieza in situ,
durante las últimas décadas han resultado en una significativa reducción de las aguas
residuales generadas por cantidad de leche procesada. Sin embargo, la gran variación en los
coeficientes volumétricos residuales obtenidos de las plantas estudiadas por Danalewich
indicó que continua siendo difícil predecir el flujo de generación de las aguas residuales
generadas, aunque se tenga información detallada de las operaciones de proceso. Esto sugiere
que la estrategia de administración de los procesos de producción continúa siendo un factor
determinante en la generación de residuos y remarca la importancia de la caracterización de
los flujos residuales y de la evaluación de la tratabilidad de las aguas residuales para
determinar estrategias de tratamiento viables.

Danalewich et al. (1998) demostró que a diferencia de lo que se creía, el drenaje
ecualizado proveniente de esta industria, en su mayoría quesera, contiene un pH de 8.4 ±1.8,

26
Capitulo 2. Antecedentes

esto demuestra que la principal preocupación no son las aguas ácidas o alcalinas provenientes
del lavado de utensilios, equipo de almacenado, de llenado, etc., sino más bien el problema a
combatir sería el alto contenido de nutrientes en las aguas de residuo, claro, siempre y cuando
la planta procesadora cuente con sistema de ecualización del efluente antes de cualquier
tratamiento o vertido fuera de la planta. El fósforo, es formulado en los detergentes alcalinos
en forma de polifosfatos (los más comunes son el trifosfato sódico y los compuestos
complejos de fosfatos), estos muy efectivos para emulsionar, dispersar y ablandar el agua de
lavado así como anticorrosivos, otra forma en que se presenta el fósforo es en forma de ácido
fosfórico (HPO4) ácido orgánico utilizado en la formulación de detergentes ácidos usado en el
ciclo secundario de lavado en los sistemas C.I.P. de la industria alimentaría, este funciona
como disolvente efectivo de las proteínas así como del ablandamiento de incrustaciones de
carbonato de calcio junto con albúmina debido a la dureza del agua o a la presencia de una
fuerte incrustación de producto quemado [Equipo técnico de Alfa Laval, 1990].

Danalewich et al. (1998) encontró que la cantidad de agua tirada al drenaje disminuyó en
los Estados Unidos de América entre 2 a 3 veces comparando la industria de 1960 con la de
hoy en día, siendo qué los tamaños de planta han aumentado. Esto debido a que la
automatización de muchos de los procesos de producción de esta industria así como la
introducción del proceso de lavado C.I.P., reusos de aguas de enjuague y de programas de
reuso de químicos y de reducción de desechos han disminuido los efluentes que se tenían en
aquellos años, de cualquier manera el investigador comenta que los problemas de
administración persisten con relación a los flujos descargados fuera de las plantas
procesadoras debido a la falta de consistencia entre la descarga de aguas residuales y la
cantidad de producto procesado en Kilos, así como también el que los operadores de las
mismas subestiman la cantidad de producto lácteo descargado (merma para el industrial); para
esto se sugiere la implementación de un sistema contable de residuos generados así como de
lo agregado en químicos (detergentes), sería de gran utilidad, esto no haría todo el trabajo
como para abatir el problema, por lo que también sugiere la utilización de un sistema de
tratamiento biológico para la eliminación de fósforo y nitrógeno en combinación.

27
Capitulo 2. Antecedentes

2.5.2. Alemania

El tratamiento avanzado de las aguas residuales en Europa ha sido un tópico importante
por casi 25 años, muchos países han reforzado sus regulaciones ambientales e impulsado altos
estándares de tratamiento por medio de la imposición de cuotas y tarifas. Por ejemplo, las
autoridades alemanas anunciaron el Federal Water Act (FWA) o por su traducción al español,
Ley Federal de Agua, así como las regulaciones tarifarías para las descargas de aguas
residuales federales, que en Alemania se conoce como Abwasserabgabengesetz de 1981. Las
tarifas son usadas como un incentivo para que los industriales inviertan en tratamientos
avanzados para la reducción de la contaminación.

Para 1981, a las plantas de tratamiento de aguas residuales mayores de 10 MGD. Se les
permitió una descarga de un máximo de 45 mg/l de DBO5 un de 140 mg/l de DQO debido al
FWA.

Las catástrofes ambientales causadas por la eutroficación del Mar del Norte y del Mar
Báltico a mediados de los ochenta alertaron a la población de la zona en cuanto a la reducción
que se debía dar en las descargas de nutrientes como el nitrógeno y sus compuestos, así como
el fósforo.

Para 1988, los estándares alemanes fueron reforzados a 30 y 130 mg/l para el DBO5 y el
DQO respectivamente y una remoción de nitrógeno era requerida. Los niveles máximos de
amonio fueron fijados a 10 mg/l y el nivel máximo de fósforo fue fijado a 2 mg/l. Más
adelante en 1990 los estándares fueron nuevamente ajustados a 15 y 75 mg/l para el DBO5 y
el DQO respectivamente y el fósforo total fue reducido a 1 mg/l. Estos estándares permanecen
en efecto. Los requerimientos de tratamiento pueden ser más estrictos en ciertas plantas de
tratamiento, por ejemplo si las aguas son usadas para el consumo humano o si las aguas son
susceptibles para la eutroficación. Para las plantas de tratamiento de aguas residuales en
Alemania, la descarga en algunos lagos, el nivel de fósforo esta restringido a un máximo de
0.5 mg/l y para el nitrógeno a 5 mg/l.

28
Capitulo 2. Antecedentes

Las tarifas de descarga alemanas han sido adaptadas a estándares de descarga muy estrictos
y a cuotas de pago estipuladas que dependen de la concentración de descarga de los siguientes
contaminantes: DBO5 DQO, nitrógeno, fósforo, metales pesados. La inclusión de los niveles
de concentraciones nitrógeno y el fósforo en el calculo de las tarifas fue un mandato alemán
ocasionado principalmente por el daño que estos nutrientes ocasionaban en lagos, así como en
el Mar del Norte y en el Mar Báltico.

Actualmente, los estándares de tratamiento de aguas residuales han sido copiados por la
Comisión para la Protección Ambiental de la Comunidad Europea para aplicarlas a todos los
países dentro de la Comunidad Europea [Boehnke, 1997].

2.5.3. Noruega

Las autoridades para el control de la contaminación de Noruega demandan a la industria
alimentaria que sus aguas residuales sanitarias e industriales sean tratadas hasta alcanzar los
mismos bajos niveles que las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, esto
desde 1975.

La Asociación de Lecheras Noruegas (Norwegian Dairies Association, NDA) ha mostrado
interés en el pretratamiento de las aguas residuales de lecheras, debido a la posibilidad de
recuperación de grasas y proteínas para su uso como aditivo alimenticio para animales.

El pretratamiento del agua residual de la industria alimentaria, antes de su descarga al
sistema de drenaje municipal, puede ser necesario para proteger la planta de tratamiento de
aguas residuales del municipio. También podría reducir o eliminar sobrecargas provocadas
por variaciones en el influente, sobrecargas pagadaspor el industrial debido a la descarga de
efluentes altamente contaminantes. El pretratamiento químico de las aguas residuales de la
industria alimentaria ha sido usado por muchos años en diferentes plantas lecheras en
Noruega.

29
Capitulo 2. Antecedentes

Los efluentes de las plantas lecheras son la reserva de proteínas más grande del mundo,
estos efluentes están llegando a tener una creciente importancia para la alimentación humana
y especialmente para el alimento de animales [Selmer-Olsen, 1996]. Como se menciona antes
las proteínas y las grasas pueden ser recobradas de estas aguas residuales por una multitud de
técnicas fisicoquímicas y biológicas. La recuperación de proteínas no solo genera productos
de valor económico sino también el pretratamiento de las aguas residuales de la industria
láctea, lo cuál es una medida prioritaria, para la posterior descarga de aguas residuales en
Noruega.

2.5.4. La industria láctea en México

La industria láctea en México no se congrega principalmente en una sola cuenca como
suele suceder en los Estados Unidos de América, existen tres regiones altamente productoras,
entre ellas están las siguientes poblaciones La Laguna, Coahuila, Guadalajara, Jalisco y
Querétaro; Querétaro. La leche procesada en el Estado de Nuevo León en su mayoría
proviene de la región llamada Comarca Lagunera y de los ejidos de Sabinas Hidalgo, Nuevo
León, estas se encuentran ubicadas en una región donde el ganado lechero es altamente
explotado debido a las bastas extensiones de pastizales que sirven de alimento para el mismo.

2.5.4.1. El tratamiento de aguas en “El Sauz”

En México, Monrroy et al. (1996) presenta un caso particular de tratamiento de aguas
residuales generadas en la planta “El Sauz”, planta quesera situada en el Estado de
Guanajuato, la cual se dio a la tarea de diseñar su propio sistema de tratamiento debido al
éxito deficiente que obtuvo con algunas firmas diseñadoras de plantas de tratamiento, su
trabajo consistió en remodelar el sistema con el que ya contaban, una laguna anaerobia. La
modificación consistía en mantener una buena distribución del agua residual de entrada para
obtener un mejor contacto entre la biomasa y los contaminantes orgánicos.

El tratamiento completo consiste de un pretratamiento en el que se incluye la remoción de
grasas mediante el uso de cuatro compartimentos, uno de ellos fue llenado con rocas de

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Capitulo 2. Antecedentes

diferentes tamaños (3”, 2” y 1”) para proveer la deemulsificación mecánica de la grasa, las
dos secciones siguientes contienen difusores de burbujas que hacen flotar la grasa en la
superficie siendo esta removida de forma mecánica, el cuarto compartimento, se equipo con
bafles que inducen la separación por gravedad.

El tratamiento biológico secundario consiste de una laguna anaerobia antecediendo a una
aeróbica en donde se colocaron tres difusores - mezcladores de superficie los cuales permiten
obtener una eficiencia de remoción del 86%.

El tratamiento terciario usado permite el pulimento del efluente, este tratamiento cuenta de
una laguna de lirios acuáticos lo que evita el uso de productos químicos precipitadores, esta
parte del tratamiento permite obtener remociones del 30% o más si se cuenta con un buen
tratamiento secundario. El fósforo no fue removido de manera satisfactoria debido a que en el
fondo de la laguna anaerobia se promovió la producción de (PO4-3).

En suma, la planta surge con un nuevo tratamiento para aguas residuales de la industria
quesera, que cumple con los limites máximos de descarga de la Secretaria de Medio Ambiente
en México (SEMARNAP) así como de la Procuraduría Federal para la Protección al
Ambiente (PROFEPA).

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Capitulo 2. Antecedentes

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Capitulo 2. Antecedentes

CAPITULO 2......................................................................................................................................................... 5
2. ANTECEDENTES ............................................................................................................................................ 5
2.1. GENERALIDADES.......................................................................................................................................... 5
2.2. COMPOSICIÓN DE LA LECHE ......................................................................................................................... 5
2.2.1. La grasa en la leche............................................................................................................................. 6
2.2.2. Las proteínas de la leche ..................................................................................................................... 7
2.2.3. Aminoácidos ........................................................................................................................................ 7
2.2.4. Clases de proteínas.............................................................................................................................. 7
2.2.5. Enzimas en la leche ............................................................................................................................. 8
2.2.6. Vitaminas en la leche........................................................................................................................... 8
2.2.7. Sales minerales en la leche.................................................................................................................. 8
2.2.8. Otros constituyentes de la leche .......................................................................................................... 9
2.3. LOS BLOQUES INTEGRANTES DE LOS PROCESOS LÁCTEOS........................................................................... 10
2.3.1. Bloques básicos de proceso ............................................................................................................... 11
2.3.2. Recepción........................................................................................................................................... 12
2.3.3. Clarificado (centrifugado)................................................................................................................. 13
2.3.4. Intercambiadores de calor para calentamiento y/o enfriado............................................................. 14
2.3.5. Pasterización ..................................................................................................................................... 14
2.3.6. Envasado ........................................................................................................................................... 15
2.4. LIMPIEZA DE EQUIPOS EN LA INDUSTRIA LÁCTEA ....................................................................................... 17
2.4.1. Teoría de la limpieza ......................................................................................................................... 18
2.4.2. Detergentes ........................................................................................................................................ 19
2.4.2.1. Mezcla de detergentes alcalinos ...................................................................................................................19
2.4.2.2. Detergentes alcalinos puros ..........................................................................................................................20
2.4.2.3. Soluciones ácidas..........................................................................................................................................21
2.4.3. Procesos de limpieza ......................................................................................................................... 21
2.4.3.1. Enjuague previo con agua.............................................................................................................................21