Empleo de fuentes renovables de energía y métodos de integración de procesos en la industria láctea

Tecnología del yogur natural. Fermentación láctica

El yogur natural es el producto coagulado que se obtiene a partir de leche tratada, por fermentación con bacterias como Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus, productoras de ácido láctico. La acción de estas bacterias desencadena un proceso denominado Fermentación Láctica; (Moreno et al., 2013Moreno Aznar, L., Cervera Ral, P., Ortega Anta, R., Díaz Martín, J., Baladia, E., & Basulto, J. (2013). Evidencia científica sobre el papel del yogur y otras leches fermentadas en la alimentación saludable de la población española. Nutrición Hospitalaria, 28(6).) en el cual la lactosa (el azúcar de la leche) se transforma en ácido láctico. A medida que el ácido se acumula la estructura de las proteínas de la leche va modificándose y lo mismo ocurre con la textura del producto, pues al alcanzarse el pH (potencial de Hidrógeno) del punto isoeléctrico, la caseína coagula formándose el gel.

Este tipo de yogur no contiene edulcorantes, esencias ni colorantes; puede ser descremado, semidescremado o normal.

En función de su consistencia puede ser firme o compacto; batido con consistencia cremosa (el producto escurre fácilmente) y líquido (yogur batido de menor consistencia) (Legarreta, 2018Legarreta Cruz, D. (2018). Integración energética en la UEB de Productos Lácteos de Santa Clara. Universidad Central Marta Abreu de la Villas, Tutor: Juan Pedro Hernandez Touset, Santa Clara.).

Los métodos de elaboración del yogur natural pueden variar considerablemente, según la materia prima utilizada, la formulación del producto y el tipo de yogur que se desea obtener. La fabricación general (Rodríguez et al., 2017Rodríguez Gregorich, A., Benítez Cortés, I., Yero Pérez de Corcho, Y., & Barrios Rodríguez, M. (2017). Estimación de la inversión de una planta para producir yogurt natural. Centro Azúcar, 44(4).) del mismo, consiste en una vez normalizada la leche en su contenido graso; sea posteriormente homogenizada, para reducir el tamaño de los glóbulos grasos y conseguir una emulsión estable para mejorar la digestibilidad del producto. Luego se procede a la pasteurización, por medio de un tratamiento térmico apropiado, que permita destruir la totalidad de su flora patógena. Una vez pasteurizada, se almacena durante unos minutos y se enfría a la temperatura de fermentación, alrededor de los 45 ^oC. Dependiendo del tipo de yogur, la fermentación puede efectuarse dosificando el cultivo directamente en el envase de consumo individual (yogur de coágulo) o añadiéndolo en el tanque de incubación (yogur batido) para su envasado posterior. Una vez culminado el proceso de fermentación se enfría y se almacena para su ulterior distribución.

Una solución tecnológicamente factible para asegurar energéticamente este producto lácteo es la integración de energía renovable a dicho proceso tecnológico, como fuente alternativa, para satisfacer la demanda de energía y reducir el consumo de combustibles fósiles; y así lograr con ello satisfacer los requerimientos de agua, vapor y energía, insumos esenciales en dicha actividad productiva.

En esta revisión bibliográfica muchos de los trabajos de investigación se basan en el empleo del Análisis de Procesos, la Modelación Matemática de Procesos, la Simulación de procesos y la Programación Dinámica para la optimización de procesos industriales.

Para lograr la intensificación de los procesos tecnológicos de la industria se ha utilizado el Análisis de Procesos; (Cortés et al., 2020Cortés Martínez, R., Ramos Miranda, F., Miño Valdés, J., & Pérez Navarro, O. (2020). Modelación y simulación de procesos en la intensificación de instalaciones de. Ingenio, 2(2).) puesto que, sirve para descubrir las partes débiles del proceso y para la creación de medidas que permitan un mejor aprovechamiento de las materias primas, la energía y los medios de trabajo. El análisis de procesos comprende un examen global de un proceso existente o concebido, el cual se puede realizar bajo un aspecto limitado, unilateral del proceso, o con un enfoque multilateral más complejo, constituye un elemento importante para tomar decisiones más científicas y responsables.

La obtención de modelos matemáticos elaborados a partir de los valores reales del comportamiento de los propios procesos, es una forma conveniente de analizar dichos procesos; resultando la validación de los mismos imprescindible, para así evitar la posible propagación de errores del análisis efectuado (Fritzson, 2015Fritzson, P. (2015). Introducción al Modelado y Simulación de Sistemas Técnicos y Físicos con Modelica. ).

Los modelos matemáticos pueden ser modelos dinámicos, los que son utilizados para los estudios de control automático y afines; y modelos estáticos, los cuales se emplean para estudios de diseño técnico y optimización técnico-económica. Estos modelos pueden considerarse como un soporte o ayuda para la toma de decisiones.

La función clave de la intensificación de procesos es su optimización, la cual se hace con apoyo de modelos fiables. Debido a la complejidad de estos modelos, la optimización de los mismos se realiza en la mayoría de los casos mediante la simulación; (Bolaños, 2014Bolaños Plata, O. (2014). Importancia de la Simulación en la Mejora de Procesos. Universidad Nacional Autónoma de México, Director: Silvina Hernández García. Tesis para obtener el título de Ingeniero Industrial.) técnica definida para evaluar un proceso mediante modelos matemáticos.

En la industria de procesos, hay que tomar decisiones que se basan en la evaluación de alternativas sobre el diseño o control operacional del proceso transformativo. Para ayudar a una decisión, tal como plantea, (Fleites et al., 2020Fleites Avila, Y., Martí Marcelo, C., Albernas Carvajal, Y., Miño Valdés, J., & González Suárez, E. (2020). Experiencias de las Aplicaciones de la Programación Lineal en la industria de Procesos Químicos en Cuba. Centro Azúcar, 47.) generalmente se deben realizar una serie de cálculos para estimar indicadores de carácter económico, tecnológico, energético o ambiental.

Se han empleado principalmente métodos matemáticos de optimización, tal es el caso de la programación dinámica; (Flores, 2017Flores Verdugo, I. (2017). Modelo de programación de la producción con metodología de investigación de operaciones para la empresa Energy Cool. Universidad del Azuay. Escuela de Ingeniería de la Prducción y Operaciones, Director: Iván Coronel. Trabajp de titulación previo a a Obtención del título de Ingeniero en Producción y Operaciones, Cuenca.) técnica desarrollada para resolver problemas en los que es imprescindible la toma de decisiones en periodos sucesivos, sirviendo para la resolución de problemas de optimización complejos, descomponiéndolos en subproblemas más sencillos.

Teniendo en cuenta todas las consideraciones anteriores, el objetivo general del presente trabajo es establecer el estado del arte en relación a la aplicación de la Programación Dinámica para la optimización de procesos industriales, los métodos de integración de procesos como herramienta para los sistemas de calidad y la mejora contínua y cómo pudieran complementarse con el uso de fuentes renovables de energía.

Finalmente, el análisis realizado permite fundamentar en las conclusiones del trabajo, una hipótesis que establece la dirección que pueden asumir futuras investigaciones que integren los métodos analizados en la industria láctea y particularmente en la producción de yogur natural.

Métodos de integración de procesos aplicados en la industria

Numerosos métodos de integración de procesos han demostrado que son muy efectivos para identificar y estimar los ahorros potenciales de energía en la industria. Estos métodos se dividen en tres grupos: Métodos Termodinámicos, Programación Matemática y Métodos Híbridos.

Los Métodos de Integración de Procesos Termodinámicos (Lorenzo, 2016Lorenzo Llanes, J. (2016). Propuesta de Alternativas para la Integración de Agua y Energía en la producción de Azúcar Crudo. Instituto Superior Politénico José Antonio Echeverría, Tutor: Alain Perez González. Memoria escrita para optar por el título de Máster en. La Habana.) son apropiados para estimar en forma aproximada en un proceso, los requerimientos mínimos de servicios auxiliares de calefacción y de enfriamiento.

Suelen ser agrupados en métodos basados en el análisis de la primera ley (Tecnología Pinch) y métodos basados en el análisis de la segunda ley (análisis exergético y análisis exergoeconómico), siendo la tecnología Pinch (Sadeghian y Beheshti , 2017Sadeghian Jahromi, F., & Beheshti , M. (2017). An extended energy saving method for modification of MTP process heat exchanger network. Energy, 140, págs. 1059-1073.) conocida como «análisis del pellizco», la herramienta del análisis termodinámico que mayor aplicación industrial ha tenido.

Actualmente ha pasado de ser una herramienta dirigida a mejorar la eficiencia energética en el diseño de redes de recuperación de calor a ser una metodología de optimización tanto para diseñar procesos nuevos como para modificar procesos existentes.

La Programación Matemática como Método de Integración de Proceso considera métodos de optimización matemática; (Pérez, 2017Pérez León, A. (2017). Propuesta de Integración Energética en la Planta de Queso Crema de la UEB Productos Lácteos de Cárdenas. Universdad de Matanzas, Tutor: Agustín Benítez Hernández. Tesis Presentada como Requisito Parcial para la Obtención del Título de Máster en Ingeniería Asistida por Computadora, Matanzas.) utilizando modelos detallados y algoritmos convencionales, los que permiten optimizar las condiciones de operación y dimensiones de los equipos en forma simultánea. Estos métodos son herramientas potentes y eficaces para analizar y optimizar cualquier sistema en general; emplean principalmente la programación lineal, no lineal y dinámica, resultando la programación dinámica (Muriedas, 2021Muriedas García, S. (2021). Programación Dinámica con Aplicaciones en la Economía. Universidad de Cantabria, Director: Luis Alberto Fernández Fernández. Trabajo de Fin de Grado para acceder al Grado en Matemáticas, Cantabria.) una metodología perfecta, amigable y de mucha ayuda puesto que muestra los posibles escenarios óptimos que va a satisfacer las expectativas de la problemática. En este caso se obtiene la resolución mediante la recursividad y no contando con una formula estándar, enfoque usado para la solución de problemas de tipo general. Las ecuaciones específicas usadas son desarrolladas para que representen cada situación individual.

El Método Híbrido como plantea, (Bergamin et al., 2021Bergamin, R., VanNguyen, T., Bühlera , F., Bellemo, L., & Elmegaard, B. (2021). A method for faster application of process integration techniques in retrofit situations. Journal of Cleaner Production, 284.) es un Método de Integración de Proceso que combina las ventajas de los conocimientos del proceso del análisis Pinch con las ventajas de los métodos de programación matemática para abordar con éxito el problema general.

Los métodos de Integración de Procesos pueden ser de naturaleza secuencial o simultánea. El análisis Pinch representa un método de solución secuencial, mientras que el problema de programación matemática se puede resolver utilizando un enfoque secuencial o simultáneo tal como plantea (Čuček et al., 2019Čuček, L. y. (2019). Approaches for retrofitting heat exchanger networks within processes and Total Sites. Journal of Cleaner Production, 211, págs. 884-894.). Por ende, la programación matemática resulta el método más completo puesto que los termodinámicos presentan ciertas dificultades cuando se los pretende utilizar para optimizar la síntesis y diseño de cualquier proceso en los que los equipos-componentes se encuentran fuertemente acoplados (Manassaldi, 2017Manassaldi, J. (2017). Aplicación de Técnicas de Programación Matemática y Métodos de Integración de Procesos para determinar la Síntesis y el Diseño óptimo de una Planta de Cogeneración de Ciclo Combinado. Universidad Tecnológica Nacional, Director: Sergio F. Mussati. Tesis presentada como parte de los requisitos de la Universidad Tecnológica Nacional para la obtención del Grado Académico de Doctor en Ingeniería, Rosario.).

No han sido pocas las investigaciones desarrolladas en relación a la aplicación de los Métodos de Integración de Procesos en la industria láctea, química y de alimentos. En este artículo se hace mención sobre algunos estudios de casos informados, con respecto a la aplicación de estos métodos en sectores industriales; (Nemati et al., 2019Nemati Amirkolaii, K., Romdhana, H., & Lameloise, M. L. (2019). Pinch Methods for Efficient Use of Water in Food Industry: A Survey Review. Sustainability, 11(16), págs. 1-26.) aplica en la industria alimentaria el método Pinch para el uso eficiente del agua.

En la industria láctea (Bergamini et al., 2021Bergamini, R., Moussavi, A., Shahhosseini, H.R., Nguyen, T.-V., Bellemo, L., Elmegaard, B., Stuart, P., 2021. Analysis of energy integration opportunities in the retrofit of a milk powder production plant using the Bridge framework. Journal of Cleaner Production 328, 129402. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.129402) emplea el bridge framework en una planta de producción de leche en polvo como herramienta sistemática de apoyo a la toma de decisiones, para la integración de procesos en plantas industriales modernizadas; también (Jablonsky y Skocdopolova, 2017Jablonsky, J., & Skocdopolova, V. (2017). Análisis y Optimización del Proceso de Producción en una Empresa Procesadora de Leche. Información Tecnológica, 28(4), págs. 39-46.) ha aplicado la programación por metas para optimizar linealmente el proceso de producción en una procesadora de leche. Actualmente las industrias suelen aplicar para optimizar el uso del agua y la energía, la programación matemática con un enfoque simultaneo.

Se evidencia en (Kermani et al., 2016Kermani, M., Périn-Levasseur, Z., Benali, M., Savulescu, L., & Maréchal, F. (2016). A novel MILP approach for simultaneous optimization of water and energy: Application to a Canadian softwood Kraft pulping mill. Computers and Chemical Engineering, 102, págs. 238-257.) donde se presentan varios ejemplos de aplicación; tal es el caso de (Ahmetovi´c et al., 2013Ahmetovi´c, Elvis; Kravanja, Zdravko. (2013). Simultaneous synthesis of process water and heat exchanger networks. Energy, 57(1), págs. 236-250.) y (Ahmetovi´c et al., 2015Ahmetovi´c, E., Ibri ´c, N., Kravanja, Z., & Grossmann, I. E. (2015). Water and energy integration: A comprehensive literature review of non-isothermal water network synthesis. Computers and Chemical Engineering, 82, págs. 144-171.) este último presenta una revisión sistemática y completa de los artículos publicados en las últimas dos décadas acerca de la integración del agua y la energía; con el uso de métodos sistemáticos basados en el análisis Pinch (Luo et al., 2014Luo , Y., Liu , Z., Luo , S., & Yuan, X. (2014). Thermodynamic analysis of non-isothermal mixing’s influence on the energy target of water-using networks. Computers & Chemical Engineering, 61, págs. 1-8.) y (Hou et al., 2014Hou , Y., Wang , J., Chen , Z., Li , X., & Zhang , J. (2014). Simultaneous integration of water and energy on conceptual methodology for both single- and multi-contaminant problems. Chemical Engineering Science, 117, págs. 436-44.); la programación matemática (Ahmetovic et al., 2014Ahmetovic´ , E., Ibric´ , N., & Kravanja, Z. (2014). Optimal design for heat-integrated water-using and wastewater treatment networks. Applied Energy, 135, págs. 791-808.), (Ibric et al., 2014Ibric´, N., Ahmetovic´, E., & Kravanja, Z. (2014). Simultaneous optimization of water and energy within integrated water networks. Applied Thermal Engineering, 70, págs. 1097-122.), (Ibric´ et al., 2014Ibric´ , N., Kravanja, Z., & Ahmetovic´ , E. (2014). Two-step mathematical programming synthesis of pinched and threshold heat-integrated water networks. Journal of Cleaner Production, 77, págs. 116-39.) (Chen et al., 2014Chen, Z., Hou, Y., Li, X., & Wang, J. (2014). Simultaneous optimization of water and heat exchange networks. Korean Journal of Chemical Engineering., 31, págs. 558-67.), (Jiménez et al., 2014Jiménez Gutiérrez , A., Lona Ramírez , J., Ponce Ortega , J. M., & Halwagi , M. (2014). An MINLP model for the simultaneous integration of energy, mass and properties in water networks. Computers & Chemical Engineering., 71, págs. 52-66.), (Seid y Majozi, 2014Seid, E. R., & Majozi , T. (2014). Optimization of energy and water use in multipurpose batch plants using an improved mathematical formulation. Chemical Engineering Science., 111, págs. 335-49.) y su combinación (Sahu y Bandyopadhyay, 2012Sahu, G. C., & Bandyopadhyay , S. (2012). Energy optimization in heat integrated water allocation networks. Chemical Engineering Science, 69, págs. 352-64.) siendo las referencias más sobresalientes las recién aludidas.

En cambio, no sucede de igual forma con las investigaciones relacionadas particularmente con la aplicación de estos métodos en la tecnología del yogur natural, que suelen ser menos; de lo reportado en la literatura se encuentra el estudio realizado por (Ramírez et al., 2019Ramírez Martín, C., Cavieles Rojas, N., Méndez Salamanca, N., Cifuentes Osorio, R., & Ochoa Echeverria, M. (2019). Simulator to Improve the Productivity of Yogurt Processing Based on a Model of Finite Automaton. International Journal of Engineering and Technology, 11(2), págs. 344-351.) en el cual, se evidencia cómo se puede mejorar la productividad de la elaboración de yogur por medio de un simulador.

Programación dinámica aplicada en la industria

La programación dinámica es una técnica matemática basada en el llamado «Principio de optimalidad de Bellman» desarrollado por el matemático Richard Bellman en la década de 1950; (Flores, 2017Flores Verdugo, I. (2017). Modelo de programación de la producción con metodología de investigación de operaciones para la empresa Energy Cool. Universidad del Azuay. Escuela de Ingeniería de la Prducción y Operaciones, Director: Iván Coronel. Trabajp de titulación previo a a Obtención del título de Ingeniero en Producción y Operaciones, Cuenca.) que permite a resolver decisiones secuenciales interrelacionadas, combinándolas para obtener la solución óptima. El modelo de programación dinámica no sigue un patrón estándar; para cada situación especial, será indispensable establecer cada uno de los parámetros que caracterizan las variables únicas y usar aquellas que generan las soluciones óptimas (Muriedas, 2021Muriedas García, S. (2021). Programación Dinámica con Aplicaciones en la Economía. Universidad de Cantabria, Director: Luis Alberto Fernández Fernández. Trabajo de Fin de Grado para acceder al Grado en Matemáticas, Cantabria.).

El método de solución para los problemas de programación dinámica está desarrollado para encontrar las soluciones óptimas para cada periodo o etapa en los escenarios que se presenten; comenzando de atrás hacia adelante y desplazándose etapa por etapa para encontrar cada uno de los parámetros óptimos de solución, hasta encontrar los parámetros óptimos de la etapa inicial (Vasquez, 2016Vasquez, G. F. (2016). Aplicación de modelo de programación dinámica para la asignación de recursos del área de fuerza de ventas de la empresa Total Potentials. Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas, Asesor: Bouillón Sardon, Adolfo. Trabajo de Suficiencia Profesional para optar al Título de Licenciado en Administración, Lima.).

Esta característica de la Programación Dinámica, hace que sea ideal para aplicarlo en la optimización de las tecnologías lácteas, que pueden considerarse procesos, que van desarrollándose en etapas, tal y como se expone al describir la tecnología para la obtención del yogur natural. En este caso las etapas serían: recibimiento y preparación de la leche, pasteurización-homogenización, preparación del inóculo, inoculación y fermentación, envasado y almacenamiento.

Se aplica entonces, el método que corresponda para hallar las condiciones óptimas de cada una de esas etapas. No son muchos los estudios que han abordado el tema referente a la aplicación de la programación dinámica en la resolución de problemas que se presentan en la industria láctea, química y de alimentos y en particular en la tecnología del yogur natural.

Una de las investigaciones que ha profundizado en el tema (González et al., 2018González Sánchez, D., Díaz Infante, S., & Peñuñuri, F. (2018). Del algoritmo de programación dinámica a los procesos Markovianos de decisión. Miscelánea Matemática, 66, págs. 57-80.) resalta, que la razón por la que se evita el uso de la programación dinámica es debido a la dimensión de los espacios involucrados, puesto que la dimensión del espacio de estados crece de forma exponencial lo que se conoce como maldición dimensional. Se debe tener en cuenta en este caso que el espacio de estados, el espacio de acciones y el espacio de realizaciones son fuentes de maldición dimensional, las cuales han de determinar el tipo de problema y método de aproximación a usar.

El problema clásico con el que se pueden introducir las ideas esenciales de la programación dinámica, es el problema de la ruta óptima (ruta corta pensando en distancias o ruta más barata pensando en costos). Ofrece el algoritmo de programación dinámica una forma elegante y transparente para resolver el problema anteriormente planteado. El algoritmo de programación dinámica funciona para resolver una familia de problemas de minimización, deterministas y con un número finito de etapas (González et al., 2018González Sánchez, D., Díaz Infante, S., & Peñuñuri, F. (2018). Del algoritmo de programación dinámica a los procesos Markovianos de decisión. Miscelánea Matemática, 66, págs. 57-80.).

Para reconocer que se está frente a un problema que se puede plantear como una programación dinámica (Vasquez, 2016Vasquez, G. F. (2016). Aplicación de modelo de programación dinámica para la asignación de recursos del área de fuerza de ventas de la empresa Total Potentials. Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas, Asesor: Bouillón Sardon, Adolfo. Trabajo de Suficiencia Profesional para optar al Título de Licenciado en Administración, Lima.), es necesario identificar su estructura: etapa, estado y política. El problema a desarrollar es divisible en etapas, las mismas que tendrán sus propias políticas de decisión.

Los estados deben estar asociados a cada etapa del problema y pueden ser finitos o infinitos, dependerá de las condiciones posibles que presente el problema y la política de decisión del estado actual, que se transforma en un estado inicial para la siguiente etapa.

A medida que el problema aumenta en número de tareas u operaciones tornándose este, complejo y poco práctico. Es importante señalar que, a pesar del tiempo de cálculo que se extiende y crece de forma exponencial, la solución obtenida por el algoritmo de programación dinámica tiende a mostrar resultados mejores y exactos. Resultados estos que se esperan obtener al aplicar la programación dinámica como Método de Integración de Procesos en la tecnología del yogur y lácteos en general.

Oportunidades de uso de la energía renovable en la industria láctea

Dado el continuo desarrollo industrial y el encarecimiento de las fuentes de energía convencionales se ha hecho necesaria la introducción de Fuentes Renovables de Energía (FRE) en el sector industrial.

El empleo de este tipo de energía puede resultar de gran ventaja en la industria ya que la misma es inagotable, es una energía limpia, su costo es relativamente bajo y ayuda a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero contribuyendo con ello a frenar el cambio climático (Robles y Rodríguez, 2018Robles Algarin, C., & Rodríguez Álvarez, O. (2018). Un panorama de las energías renovables en el Mundo, Latinoamérica y Colombia. Espacios, 39(34), pág. 10.).

Las siguientes soluciones tecnológicas pueden ser evaluadas por el sector industrial, tal plantea (Bravo, 2015Bravo Hidalgo, D. (2015). Energía y desarrollo sostenible en Cuba. Centro Azúcar, 42(4).) como oportunidades de uso de energía renovable en la industria.

Actualmente se han realizado significativos estudios prácticos referentes a la implementación de soluciones tecnológicas con FRE en procesos industriales:

En el proceso de producción de yogur natural las necesidades de calor que se requieren en función de los requerimientos de la operación, se cubren en su mayor parte con el uso de agua caliente o vapor de agua obtenida de la combustión de combustibles fósiles.

Las necesidades de refrigeración, iluminación, ventilación y equipos de proceso se cubren con uso eléctrico.

En estas operaciones también se generan residuos líquidos orgánicos los cuales pueden tratarse por biodigestión anaerobia como vía de descontaminación y eliminación de residuos. Es por ello que en este proceso el empleo de FRE desde los sistemas solares (tanto térmicos como fotovoltaicos hasta fuentes bioenergéticas dígase biomasa húmeda y sólida) son de gran ayuda para contribuir a la mejora y disminución de la demanda eléctrica y reducir el consumo de combustibles fósiles.