Agosto 2024
ISSN 2953-6367 Vol. 5, No.11, PP.78-94
http://revistainvestigo.com https://doi.org/10.56519/8qv5w505
Revista Científica Multidisciplinaria InvestiGo
Riobamba – Ecuador
Cel: +593 97 911 9620
revisinvestigo@gmail.com 78
ANÁLISIS COMPARATIVO DE CURVAS DE TEMPERATURA EN
SISTEMAS DE PASTEURIZACIÓN LENTA: MANUAL VS
AUTOMATIZADO EN PRODUCCIÓN LÁCTEA SEMI-INDUSTRIAL
COMPRATIVE ANALYSIS OF TEMPERATURE PROFILES IN
SLOW PASTEURIZATION SYSTEMS: MANUAL VS AUTOMATED
IN SEMI-INDUSTRIAL DAIRY PRODUCTION
Daniel Luna
1
, Víctor Valverde
2
, Ángel Silva
3
, Augusto Guerrero
4
{daniel.luna@unach.edu.ec
1
, victor.valverde@unach.edu.ec
2
, alberto.silva@unach.edu.ec
3
, mesias.guerrero@unach.edu.ec
4
}
Fecha de recepción: 5 de agosto de 2024 / Fecha de aceptación: 8 de agosto de 2024 / Fecha de publicación: 26 de agosto de 2024
RESUMEN: Los tratamientos térmicos en la industria alimentaria son esenciales para
garantizar la seguridad alimentaria. Su objetivo es reducir poblaciones de microorganismos
patógenos de la materia prima utilizada mediante los fenómenos de transferencia de calor. La
temperatura y el tiempo de exposición son determinantes para destruir patógenos y conservar
los nutrientes, especialmente en procesos críticos como la pasteurización. En este estudio, se
implementó un sistema automático de bajo costo para monitorear y controlar la temperatura
y el tiempo de residencia en el pasteurizador de la planta semi-industrial de lácteos de la
UNACH, dicho sistema pretende ser una alternativa de bajo costo que puede ser replicada por
asociaciones de pequeños productores de derivados lácteos de la provincia de Chimborazo.
Para esto, se construyó un sistema de control automático utilizando un PLC, una termocupla,
un PLC y electroválvulas, además de un router para el control a través de una aplicación móvil.
Se recopilaron datos y se analizó el proceso de pasteurización antes y después de la
implementación del sistema. Una vez instalado el sistema fue validado, se realizaron pruebas
de proceso con dos volúmenes de trabajo 150 y 250 L. El análisis estadístico mostró diferencias
significativas, con lo que se logró demostrar que la variabilidad de la temperatura minimiza las
perturbaciones mejorando la eficacia del proceso de pasteurización. Las pruebas adicionales
demostraron que el uso del sistema de control automático mantuvo la temperatura dentro del
rango óptimo 62,5 - 63 °C, garantizando el control del proceso y la eliminación de la
manipulación manual de fluidos por parte del operario, constituyéndose en una alternativa
viable para el control de la temperatura de pasteurización y garantizar la calidad de la
pasteurización.
Palabras clave: Pasteurización, bajo costo, control, lácteo, proceso, semiindustrial
1
Universidad Nacional de Chimborazo (UNACH), https://orcid.org/0000-0002-3574-526X, +5930984012979
2
Universidad Nacional de Chimborazo (UNACH), https://orcid.org/0000-0001-8179-5383, +5930995714487
3
Universidad Nacional de Chimborazo (UNACH), https://orcid.org/0000-0002-1811-3340, +5930992962640
4
Investigador Independiente, https://orcid.org/0009-0008-7706-5722, +5930984012979
ANÁLISIS COMPORATIVO DE CURVAS DE TEMPERATURA EN SISTEMAS DE PASTEURIZACIÓN LENTA:
MANUAL VS AUTOMATIZADO EN PRODUCCIÓN LÁCTEA SEMI-INDUSTRIAL
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ABSTRACT: Heat treatments in the food industry are essential to ensure food safety. Their
objective is to reduce populations of pathogenic microorganisms in the raw material used
through heat transfer phenomena. Temperature and exposure time are determinant in
destroying pathogens and preserving nutrients, especially in critical processes such as
pasteurization. In this study, a low-cost automatic system was implemented to monitor and
control the temperature and residence time in the pasteurizer of the semi-industrial dairy plant
of UNACH, this system is intended to be a low-cost alternative that can be replicated by
associations of small producers of dairy products in the province of Chimborazo. For this, an
automatic control system was built using a PLC, a thermocouple, a PLC and solenoid valves, as
well as a router for control through a mobile application. Data was collected and the
pasteurization process was analyzed before and after the implementation of the system. Once
the system was installed and validated, process tests were performed with two working
volumes 150 and 250 L. Statistical analysis showed significant differences, demonstrating that
temperature variability minimizes disturbances and improves the efficiency of the
pasteurization process. Additional tests showed that the use of the automatic control system
maintained the temperature within the optimal range 62.5 - 63 °C, guaranteeing control of the
process and eliminating manual manipulation of fluids by the operator, constituting a viable
alternative for controlling the pasteurization temperature and guaranteeing pasteurization
quality.
Keywords: Pasteurization, low cost, control, dairy, process, semi-industrial
INTRODUCCIÓN
Entre la industria láctea desempeña un papel fundamental en la economía y la seguridad
alimentaria de Ecuador, especialmente en la provincia de Chimborazo, donde la producción de
leche y sus derivados constituye una importante fuente de ingresos para numerosas familias y
comunidades rurales. La leche es un producto alimenticio de considerable valor nutritivo, ya que
contiene vitaminas (A, B12, D) y minerales (fósforo, potasio, calcio, magnesio, selenio, yodo y
zinc), lo que la convierte en un componente esencial de la dieta humana.
El sector lácteo se dedica principalmente a la producción de leche y sus derivados, como queso,
yogur, y mantequilla. En Ecuador, la producción de leche cruda alcanza aproximadamente 6,15
millones de litros diarios, según (1) con datos correspondientes al año 2020. Esta actividad
representa una importante fuente de ingresos para cerca de 1,2 millones de personas en el país.
Asimismo, la industria láctea contribuye alrededor del 4% al Producto Interno Bruto (PIB)
Agroalimentario de Ecuador, lo que resalta su impacto económico y su alto potencial de
exportación. Según información del Servicio de Rentas Internas, en septiembre de 2021, el sector
lácteo experimentó un crecimiento del 10,92% en comparación con el mismo mes de 2020.
En este contexto, la pasteurización se erige como un proceso crítico para garantizar la inocuidad
de los productos lácteos y prolongar su vida útil. Sin embargo, los pequeños y medianos
productores de la región enfrentan desafíos significativos para implementar sistemas de
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MANUAL VS AUTOMATIZADO EN PRODUCCIÓN LÁCTEA SEMI-INDUSTRIAL
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pasteurización eficientes y confiables, debido principalmente a limitaciones económicas y
tecnológicas.
En Chimborazo, una provincia situada en el corazón de la región andina de Ecuador, la producción
láctea es una actividad económica de gran relevancia. Según datos del Ministerio de Agricultura
y Ganadería (MAG), la provincia aporta aproximadamente el 7% de la producción nacional de
leche, con una producción diaria estimada de 430,000 litros. Sin embargo, una proporción
significativa de esta producción proviene de pequeños y medianos productores que carecen de
acceso a tecnologías de pasteurización avanzadas, lo que limita su capacidad para agregar valor
a sus productos y acceder a mercados más lucrativos.
La pasteurización lenta es un tratamiento térmico ampliamente utilizado en la industria
alimentaria para extender la vida útil microbiológica de los alimentos mientras se preservan al
máximo sus cualidades nutricionales y organolépticas (2). Aunque efectivo para eliminar
patógenos y extender la vida útil del producto, el método tradicional de pasteurización lenta
presenta desafíos en términos de control preciso de temperatura y tiempo, lo que puede afectar
la calidad del producto final y el cumplimiento de las normas de seguridad alimentaria. Este
proceso requiere someter al producto a temperaturas entre 60-80°C durante tiempos
prolongados, normalmente entre 30-90 minutos (3). Para asegurar la eficacia del tratamiento, es
necesario un rigoroso control de tiempo y temperatura (4).
Los sistemas automatizados de control permiten monitorear y regular las variables críticas del
proceso de forma precisa (5). Sin embargo, las soluciones disponibles en el mercado suelen tener
un elevado costo (6), dificultando su implementación en pequeñas y medianas empresas (7) y
pequeños productores de la región. En este contexto, el desarrollo de sistemas de bajo costo
aparece como una alternativa prometedora para democratizar el acceso a tecnologías de
automatización avanzada (8). La automatización del proceso de pasteurización ofrece un control
más preciso y consistente de las variables críticas del proceso. En este contexto, surge la
necesidad de desarrollar sistemas de control automatizados de bajo costo que sean accesibles y
adecuados para las condiciones específicas de Chimborazo.
La implementación de sistemas de control automatizados en procesos de pasteurización ha sido
objeto de numerosos estudios en diferentes contextos geográficos y productivos. Según (9)
desarrollaron un sistema de control basado en PLC (Controlador Lógico Programable) para la
pasteurización de leche en pequeñas industrias lácteas en India, demostrando mejoras
significativas en la eficiencia energética y la consistencia del proceso. Por su parte, (10)
implementaron un sistema de control SCADA para procesos de pasteurización, logrando una
reducción de costos del 40% en comparación con sistemas comerciales equivalentes.
En el contexto ecuatoriano, (11) evaluaron el impacto de la automatización en la calidad
microbiológica del proceso de la pasteurización en una planta de procesamiento de pulpa de
guanábana, encontrando una reducción significativa en el recuento de microorganismos y una
mayor uniformidad en la calidad del producto final. Estos estudios subrayan el potencial de la
automatización para mejorar la eficiencia y la calidad en los procesos de pasteurización, pero
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también señalan la necesidad de adaptar estas soluciones a las condiciones específicas de cada
contexto productivo.
La automatización del proceso de pasteurización lenta implica el control preciso de múltiples
variables, siendo la temperatura y el tiempo las más críticas. El control de temperatura en
sistemas de pasteurización ha sido objeto de numerosas investigaciones en el campo del control
automático. (12) compararon diferentes estrategias de control, incluyendo PID (Proporcional-
Integral-Derivativo) convencional, PID adaptativo y control difuso, en un sistema de
pasteurización a escala piloto. Sus resultados mostraron que el control PID adaptativo ofrecía el
mejor desempeño en términos de precisión y estabilidad, especialmente en condiciones de
perturbaciones externas.
Los sistemas de control en la industria de alimentos son cruciales para la eficiencia de los
procesos. (13) propusieron un sistema de control basado en lógica difusa para optimizar los
procesos de pesaje para la formulación y control de alimentos, estableciendo mecanismos de
control como Internet de las cosas (IoT), logrando una reducción en el consumo energético sin
comprometer la calidad del producto. Estos avances en las estrategias de control subrayan la
importancia de integrar enfoques adaptativos y basados en la inteligencia artificial en los sistemas
de automatización para pasteurización.
La selección de componentes adecuados es fundamental para desarrollar sistemas de control
automatizados de bajo costo. En este sentido, las plataformas de hardware abierto como Arduino
y Raspberry Pi han ganado popularidad en aplicaciones de automatización industrial a pequeña
escala. (14) desarrollaron un sistema de control basado Redes Neuronales para la pasteurización
de leche de cabra en pequeñas explotaciones ganaderas en México, logrando una precisión de
control de temperatura de los procesos de pasteurización y una reducción del 80% de la
probabilidad de contaminación por manipulación de los alimentos.
Los sensores de temperatura juegan un papel crucial en estos sistemas. Los termopares tipo K y
las RTDs (Detectores de Temperatura por Resistencia) son opciones comunes debido a su
precisión y robustez. Sin embargo, (15), propusieron el uso de sensores de temperatura digital
DS18B20 en aplicaciones de control de temperatura tanto para la refrigeración como para la
pasteurización, demostrando una precisión comparable a sensores industriales a una fracción del
costo y a su vez determinando la eficiencia en el control de temperatura para estos procesos fue
superior.
En cuanto a los actuadores, las válvulas solenoides y las bombas peristálticas son componentes
clave para el control del flujo de leche y agua caliente en sistemas de pasteurización (5) evaluaron
diferentes configuraciones de válvulas y bombas en un sistema de pasteurización automatizado,
encontrando que una combinación de válvulas solenoides de 3 vías y bombas peristálticas ofrecía
el mejor equilibrio entre precisión de control y costo.
La interfaz humano-máquina (HMI) es otro aspecto crucial en el diseño de sistemas de control
automatizados. Pantallas LCD y teclados matriciales son opciones económicas y ampliamente
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utilizadas en proyectos de bajo costo. Sin embargo, la tendencia actual se inclina hacia interfaces
más intuitivas y accesibles. En este sentido, (14) desarrollaron una aplicación móvil para el
monitoreo y control remoto de un sistema de pasteurización basado en el IoT, mejorando
significativamente la usabilidad del sistema sin incrementar sustancialmente los costos.
El desarrollo de sistemas de control automatizados de bajo costo plantea desafíos únicos en
términos de robustez y confiabilidad. La exposición a ambientes húmedos y corrosivos, típicos de
las instalaciones de procesamiento de lácteos, requiere consideraciones especiales en el diseño
y la selección de componentes. (16) propusieron un enfoque de diseño modular para sistemas de
control en pasteurización, facilitando el mantenimiento y la sustitución de componentes, lo que
resulta particularmente relevante en contextos con recursos limitados como Chimborazo.
La calibración y el mantenimiento de estos sistemas también representan aspectos críticos para
garantizar su funcionamiento óptimo a largo plazo. (17) desarrollaron un protocolo de calibración
in situ para sistemas de control de temperatura en pasteurización, utilizando instrumentos de
referencia de bajo costo, lo que permite a los pequeños productores mantener la precisión de sus
sistemas sin depender de servicios externos costosos.
Este trabajo describe el diseño e implementación de un sistema automatizado de control para
pasteurización lenta basado en hardware y software de código abierto. El sistema desarrollado
permite la adquisición de datos en tiempo real, el control de temperatura mediante lógica difusa
y la interfaz hombre-máquina en una solución integral de bajo costo. Se presentan los resultados
de las pruebas realizadas para validar el funcionamiento del sistema propuesto en un caso de
estudio concreto en la planta de producción de derivados lácteos de la UNACH. CETTEPS
Los hallazgos de este estudio pueden sentar las bases para nuevos desarrollos que permitan
democratizar tecnologías avanzadas de automatización en pequeñas y medianas empresas o
asociaciones de productores artesanales del sector alimentario constituyendo un beneficio social.
MATERIALES Y MÉTODOS
La metodología de estudio adoptada aquí fue la implementación y examen exhaustivo de un
sistema automatizado de control de temperatura diseñado especialmente para el proceso de
pasteurización lenta de la leche. El sistema consistía en tres componentes principales que fueron
cuidadosamente elegidos: un termopar tipo J como sensor de temperatura, que podía medir en
el rango entre 0 y 300°C; ¡un Controlador Lógico Programable (PLC) LOGO! V8 Siemens como la
unidad central de procesamiento y controlador; y tres válvulas solenoides, como se observa en la
Figura 1, que servían como actuadores para controlar el flujo de vapor, agua fría y purga.
En el contexto de la investigación actual, se definieron meticulosamente los parámetros de
control térmico para dos volúmenes operativos distintivos dentro de una marmita,
concretamente 150 litros y 250 litros, los cuales corresponden a los volúmenes más prevalentes
en los procesos de producción industrial. Con el fin de realizar un análisis estadístico robusto,
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cada ensayo experimental fue ejecutado en triplicado, garantizando así la reproducibilidad de los
datos obtenidos. Se procederá a la recolección de datos del sistema en la fase pre-
automatización, con el objetivo de caracterizar detalladamente el proceso operante y el nivel de
control manual empleado, seguido de la implementación del sistema automatizado para la
evaluación comparativa del desempeño.
Figura 1. Distribución de válvulas en el sistema de automatización planteado.
En la Figura 2, la configuración física del sistema involucró un ensamblaje cuidadoso con válvulas
solenoides estratégicamente posicionadas aproximadamente a 2 metros de la entrada a la
marmita multipropósito, con un volumen de trabajo de 300 litros, de pasteurización. Una de las
válvulas SNTC 91172 en el flujo de vapor presentó un desafío técnico durante esta etapa que se
resolvió sustituyéndola por una válvula más sofisticada PGK50-P, que opera neumáticamente
asegurando así un rendimiento máximo bajo condiciones operativas.
La programación del sistema se realizó utilizando el software LOGO Soft Comfort que implementó
una lógica de control basada en histéresis con un rango preciso de variación que es 0.5°C. Esta
programación permitió un control fino de la temperatura, lo cual es crítico en el proceso de
pasteurización. Además, el sistema fue configurado para permitir el control remoto a través de la
aplicación LOGO WEB EDITOR mejorando la operación y monitoreo desde dispositivos móviles u
ordenadores en red.
El proceso automatizado de pasteurización fue diseñado para seguir tres etapas críticas: primero,
un calentamiento controlado hasta alcanzar los 63°C; segundo, mantenimiento preciso de esta
temperatura por tiempo programado con una varianza máxima ±0.5°C; y finalmente,
enfriamiento controlado hasta los 37°C ±2°C.
Se utilizaron dos volúmenes diferentes de leche, los cuales son con los que comúnmente se
trabaja a escala semi industrial, 150L y 250L para realizar pruebas de pasteurización en el sistema
y obtener una medida precisa de su rendimiento. En estas pruebas, se recopiló intensivamente
datos de temperatura de manera que se registraba cada cuatro segundos en una tarjeta SD
integrada en el módulo PLC. Los datos de estas pruebas se sometieron a análisis estadístico,
promediándolos para obtener treinta puntos representativos por minuto durante el período
crítico de mantenimiento de la temperatura.
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La evaluación del sistema se basó en un análisis detallado de esta información, centrándose en
dos aspectos clave: la estabilidad de la temperatura durante la fase de mantenimiento y la
eficiencia del proceso de enfriamiento. Este enfoque permitió un examen completo del
rendimiento del sistema bajo diferentes condiciones de carga, proporcionando valiosas lecciones
sobre su efectividad y confiabilidad en el proceso de pasteurización lenta de la leche.
En la presente investigación, se realizó un análisis estadístico de datos utilizando herramientas
como Excel y R-studio para demostrar diferencias significativas entre dos tipos de control. Se
aplicó un análisis de varianza ANOVA y análisis de medias en R-studio para comparar los dos
grupos de datos en cada volumen: proceso de pasteurización con control manual versus control
automático. Además, se utilizaron gráficas de control para monitorear el desempeño del proceso
de pasteurización y se aplicó una prueba de Shapiro-Wilks para evaluar la normalidad de los datos
y la variabilidad entre las pruebas con ambos tipos de control.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En La pasteurización de leche en el CETTEPS de la UNACH se realizó en una marmita fabricada en
acero inoxidable grado alimenticio AISI 304 con capacidad máxima de 300 litros y un grosor de 4
cm, con un diámetro de 1 m y una profundidad de 70 cm equipado con un agitador de dos aspas,
impulsando por un motor de 2 Hp. El sistema está conectado a un caldero automático de 10 BHP
desde donde se conduce el vapor hacia la marmita. El enfriamiento se realizó con agua como
líquido de trabajo a una temperatura de entre 0,5 y 7 C, provista por un banco de hielo de 2 HP
capaz de enfriar hasta 2000 litros de agua.
Figura 2. Esquema del sistema de control automatizado de temperatura en el proceso de pasteurización.
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Esta unidad incluía un serpentín de cobre, una unidad condensadora de 2 HP y diversos accesorios
de automatización, válvulas solenoides, válvulas de expansión, termostato y un tablero de control
eléctrico que permite el ajuste de la frecuencia del homogeneizador y el manejo de la bomba de
agua, facilitando así la circulación de agua fría a través del sistema. Un esquema de la estructura
del sistema de control se muestra en la Figura 2.
La estructura del sistema de control manual se caracteriza por su simplicidad y dependencia del
factor humano. En este sistema, el operador tiene la responsabilidad de monitorear de manera
continua las lecturas de temperatura y realizar ajustes regulares en las válvulas para mantener la
temperatura en el rango deseado. Este proceso depende de la atención, experiencia y capacidad
de respuesta del operador. También, la frecuencia con la que se realizan las lecturas y ajustes
puede estar influenciada por la capacidad humana, lo que puede llevar a intervalos un poco más
largos entre correcciones en comparación con un sistema automatizado.
Además, la precisión de los ajustes puede verse afectada por factores como la fatiga del operador
o distracciones externas. Los componentes principales en este sistema incluyen un termómetro,
una fuente de calor y válvulas de control manual. Este proceso es inherentemente propenso a
errores y retrasos, ya que depende de la atención, experiencia y tiempo de reacción del operador.
Los resultados muestran que independientemente del volumen de trabajo, la temperatura varía
entre 60.5 – 66.5 °C aproximadamente, es decir alrededor de 6 °C, durante los 30 minutos que la
leche debió mantenerse a 63 °C tal y como se observa en la figura 3.
Hay que considerar que los fenómenos de transferencia de calor al ambiente provocan un
descenso en la temperatura, requiriendo un consumo energético adicional en la fuente de calor.
Durante los 30 minutos de la etapa de retención, se observa que la leche se encuentra fuera de
los límites de control establecido alrededor de 15 minutos.
Por otro lado, la estructura del sistema de control automatizado es más compleja, pero ofrece
una mayor precisión y consistencia. Los componentes principales de este sistema incluyen un PLC
que tiene módulos de entrada y salida de señales, ranura para tarjeta SD, botón de inicio y para,
bocina para señales sonoras, dos botones con lámparas indicadoras de válvulas, botón de
emergencia, y pantalla para la lectura de temperatura en tiempo real. Este sistema mide la
temperatura mediante una termocupla ajustable en la tina polivalente, tres electroválvulas
dosifican el flujo de vapor, agua fría y purga, y un router capaz de transmitir la señal mediante
una aplicación móvil.
Un compresor de aire acciona la válvula de vapor, la termocupla envía señales al PLC, que las
procesa y controla las electroválvulas para regular el flujo. El operador puede ajustar la
temperatura y el tiempo desde una aplicación, además de monitorear el proceso en tiempo real
con límites de temperatura establecidos. Este sistema ofrece un control más preciso y rápido, ya
que el PLC realiza cientos de lecturas por segundo y ajusta los actuadores, manteniendo la
temperatura seteada. Utiliza un algoritmo de control avanzado PID, que anticipa y corrige
desviaciones. La automatización permite que el operador se enfoque en la supervisión y la
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intervención solo cuando sea necesario, lo que reduce errores y mejora la consistencia del
proceso e indudablemente la calidad del producto.
El sistema automático de control de temperatura en el equipo de pasteurización de leche del
CETTEPS de la UNACH demostró efectividad al mantener la temperatura en 63 ± 5 °C, al
pasteurizar 150 y 250 litros. Estos resultados son similares a los obtenidos por (18) que mantuvo
la leche materna a una temperatura de 63 ± 0.5 °C, así también muestran un desempeño superior
al de (19) que controló el agua a 26 y 27 °C, y (20) que controlaron entre 85 °C ± 2 °C, todos
mediante PLC. La automatización requiere supervisión, centrándose en la monitorización y la
intervención solo en casos excepcionales, lo que minimiza errores y mejora la consistencia del
proceso.
Figura 3. Gráficas de control temperatura vs. tiempo para control automático vs control manual.
La Figura 3 muestra las gráficas de monitoreo y control de los procesos manual y automatizado
para los volúmenes de 150 y 250 L durante la etapa de retención en el proceso de pasteurización.
Las gráficas de control revelan patrones distintivos en las curvas de temperatura de los procesos
manual y automatizado de pasteurización lenta. En el sistema manual, se observa una mayor
fluctuación en la temperatura a lo largo del tiempo, con picos y valles más pronunciados. Estas
variaciones sugieren que los operarios realizan ajustes frecuentes para mantener la temperatura
dentro del rango deseado. En contraste, la curva del sistema automatizado muestra una
tendencia más suave y constante, con menos oscilaciones abruptas. Esta diferencia indica una
mayor precisión en el control de temperatura del sistema automatizado, lo que podría traducirse
en una pasteurización más uniforme y confiable (21).
La estabilidad y consistencia de ambos procesos se evidencian claramente en las gráficas de
control. El sistema manual, aunque logra mantener la temperatura dentro de los límites
aceptables, presenta una mayor variabilidad. Esta inconsistencia podría atribuirse a factores
humanos como la fatiga, las distracciones o las diferencias en la técnica entre los operarios. Por
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otro lado, el sistema automatizado de bajo costo exhibe una notable estabilidad, manteniendo la
temperatura más cerca del punto óptimo durante períodos prolongados. Esta consistencia en el
proceso automatizado no solo mejora la calidad del producto final, sino que también reduce la
probabilidad de errores en el proceso de pasteurización, lo cual es crucial para garantizar la
seguridad alimentaria en la industria láctea semi-industrial (22), (23).
Los resultados del ANOVA para los dos volúmenes analizados muestran un valor -p de 0.001896
y 0.006106 para los volúmenes de 150 y 250L correspondientemente. A partir de este análisis, se
procedió a realizar un análisis de media, cuyos resultados se muestran en la Figura 4, como se
observa, el uso del control automatizado minimiza las variaciones de temperatura a lo largo de
toda la etapa de retención.
Figura 4. Análisis comparativo de errores de las medias en los procesos con control manual y automático durante
la pasteurización.
DISCUSIÓN: Las gráficas de control revelan patrones distintivos en las curvas de temperatura de
los procesos manual y automatizado de pasteurización lenta. En el sistema manual, se observa
una mayor fluctuación en la temperatura a lo largo del tiempo, con picos y valles más
pronunciados. Estas variaciones sugieren que los operarios realizan ajustes frecuentes para
mantener la temperatura dentro del rango deseado (24). En contraste, la curva del sistema
automatizado muestra una tendencia más suave y constante, con menos oscilaciones abruptas.
Esta diferencia indica una mayor precisión en el control de temperatura del sistema
automatizado, lo que podría traducirse en una pasteurización más uniforme y confiable.
La estabilidad y consistencia de ambos procesos se evidencian claramente en las gráficas de
control y de medias. El sistema manual, aunque logra mantener la temperatura dentro de los
límites aceptables, presenta una mayor variabilidad. Esta inconsistencia podría atribuirse a
factores humanos como la fatiga, las distracciones o las diferencias en la técnica entre los
operarios. Por otro lado, el sistema automatizado de bajo costo exhibe una notable estabilidad,
manteniendo la temperatura más cerca del punto óptimo durante períodos prolongados (24).
Esta consistencia en el proceso automatizado no solo mejora la calidad del producto final, sino
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que también reduce la probabilidad de errores en el proceso de pasteurización, lo cual es crucial
para garantizar la seguridad alimentaria en la industria láctea semi-industrial.
El análisis detallado de las gráficas de control permite identificar puntos críticos y anomalías en
ambos sistemas. En el proceso manual, se observan ocasionales desviaciones significativas de la
temperatura objetivo, particularmente durante los cambios de turno o en momentos de alta
demanda productiva. Estas anomalías podrían comprometer la eficacia de la pasteurización en
ciertos lotes(25). El sistema automatizado, aunque generalmente más estable, tampoco está
exento de puntos críticos. Se detectan pequeñas fluctuaciones periódicas que podrían indicar la
necesidad de calibración o mantenimiento del equipo. Además, en ambos sistemas se identifican
puntos de inflexión en las curvas que corresponden a las fases de calentamiento y enfriamiento,
siendo estos momentos críticos para asegurar la correcta eliminación de patógenos sin afectar
excesivamente las propiedades organolépticas del producto lácteo (26).
El análisis comparativo de las medias de temperatura entre los sistemas de pasteurización lenta,
tanto manual como automatizado y de bajo costo, revela diferencias significativas en el control
térmico durante el proceso. Los datos obtenidos muestran que el sistema automatizado mantiene
una temperatura media más estable y cercana al punto óptimo de pasteurización (63°C durante
30 minutos) en comparación con el método manual (20), (21), (23), (24). Esta diferencia se hace
evidente en la menor variabilidad de las lecturas de temperatura a lo largo del tiempo de
procesamiento, lo que sugiere un control más preciso y consistente por parte del sistema
automatizado.
Las pruebas estadísticas aplicadas a los datos recopilados demuestran diferencias significativas
entre ambos sistemas, lo que indica que las variaciones observadas no son producto del azar, sino
que reflejan una verdadera diferencia en el rendimiento de los sistemas, esto se corrobora con
los análisis estadísticos aplicados a los datos, que respaldan la hipótesis de que el sistema
automatizado ofrece un control de temperatura más preciso y constante durante el proceso de
pasteurización lenta.
Las diferencias observadas entre los sistemas manual y automatizado tienen implicaciones
prácticas significativas para la industria láctea semi-industrial. Un control más preciso de la
temperatura, como el logrado por el sistema automatizado, se traduce en una mayor garantía de
seguridad alimentaria al asegurar que toda la leche alcance y mantenga la temperatura de
pasteurización requerida (20). Esto reduce el riesgo de supervivencia de microorganismos
patógenos y mejora la calidad microbiológica del producto final. Además, la menor variabilidad
en la temperatura puede contribuir a preservar mejor las propiedades organolépticas y
nutricionales de la leche, resultando en un producto de mayor calidad. Desde una perspectiva
operativa, el sistema automatizado podría reducir la necesidad de supervisión constante,
permitiendo que el personal se enfoque en otras tareas críticas del proceso productivo.
La precisión y fiabilidad de los sistemas de pasteurización son cruciales para garantizar la calidad
y seguridad del producto lácteo. El sistema automatizado de bajo costo demuestra una mayor
precisión en el mantenimiento de la temperatura objetivo, con fluctuaciones mínimas a lo largo
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del tiempo de procesamiento. Esta consistencia se traduce en una mayor fiabilidad del proceso,
reduciendo la probabilidad de errores humanos que podrían ocurrir en el sistema manual,
especialmente durante operaciones prolongadas o en condiciones de fatiga del operador. Sin
embargo, es importante señalar que la fiabilidad del sistema automatizado depende de la calidad
de sus componentes y de un mantenimiento adecuado (27). Por otro lado, aunque el sistema
manual puede ser menos preciso, ofrece la ventaja de una mayor flexibilidad y la capacidad de
ajuste inmediato basado en la experiencia del operador. En última instancia, la elección entre
ambos sistemas debe considerar no solo la precisión y fiabilidad, sino también factores como el
volumen de producción, los recursos disponibles y las regulaciones locales de seguridad
alimentaria.
El sistema automatizado de bajo costo para la pasteurización lenta presenta una serie de ventajas
significativas sobre el método manual tradicional. En primer lugar, ofrece una mayor precisión y
consistencia en el control de temperatura, lo que resulta crucial para garantizar la seguridad
alimentaria y la calidad del producto final. Además, reduce la necesidad de supervisión constante
por parte del personal, liberando recursos humanos para otras tareas importantes en el proceso
productivo. Sin embargo, este sistema también conlleva algunas desventajas. La inversión inicial
puede ser un obstáculo para pequeños productores, y existe una curva de aprendizaje asociada a
la implementación y uso del nuevo equipo. Asimismo, la dependencia de componentes
electrónicos introduce un nuevo punto de fallo potencial que requiere conocimientos técnicos
específicos para su mantenimiento y reparación.
La eficiencia del control de temperatura es un aspecto clave en la pasteurización lenta, donde el
sistema automatizado de bajo costo destaca por su eficacia. A diferencia del método manual, que
depende de las habilidades del operador para mantener la temperatura en el rango óptimo, el
sistema automatizado emplea sensores de alta precisión y algoritmos de control para ajustar de
forma continua la temperatura del proceso. Esto genera una curva de temperatura más estable y
precisa, minimizando fluctuaciones y desviaciones del punto de ajuste deseado. Los datos
obtenidos demuestran que el sistema automatizado mantiene la temperatura dentro de un
margen de error de ±0.5°C, en contraste con el método manual, que puede experimentar
variaciones de hasta ±2°C. Esta mejora en la precisión no solo optimiza la eliminación de
patógenos, sino que también ayuda a preservar mejor las propiedades organolépticas y
nutricionales de la leche.
La evaluación de la relación costo-beneficio del sistema automatizado de bajo costo sugiere una
perspectiva positiva para su implementación en la industria láctea semi-industrial. Aunque la
inversión inicial es superior a la del sistema manual, los beneficios a mediano y largo plazo son
significativos (23), (28). El ahorro en mano de obra, la reducción de pérdidas por errores humanos
y la mejora en la calidad y consistencia del producto final contribuyen a un retorno de inversión
relativamente rápido. Estudios de caso en plantas piloto han evidenciado que el periodo de
amortización puede variar entre 12 y 18 meses, según el volumen de producción (18), (21).
Adicionalmente, la mayor eficiencia energética del sistema automatizado, resultado de un control
más preciso de la temperatura, se traduce en ahorros adicionales en costos operativos. Es
relevante señalar que estos beneficios económicos se acompañan de una mejora en la seguridad
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alimentaria y la satisfacción del consumidor, factores que, aunque difíciles de cuantificar, son
esenciales para el éxito y la sostenibilidad del negocio a largo plazo.
La implementación y mantenimiento del sistema automatizado de bajo costo para pasteurización
lenta presentan tanto oportunidades como desafíos para la industria láctea semi-industrial. Estos
sistemas están diseñados para ser relativamente sencillos de instalar y operar, con interfaces de
usuario intuitivas que facilitan la transición desde métodos manuales. Sin embargo, una
implementación exitosa requiere una planificación cuidadosa y, en algunos casos, ajustes en la
infraestructura existente para integrar el nuevo equipo.
En términos de mantenimiento, el sistema automatizado generalmente demanda menos
intervenciones diarias que el método manual, pero requiere un enfoque más técnico. Es
fundamental establecer rutinas de mantenimiento preventivo y garantizar que el personal esté
capacitado para llevar a cabo diagnósticos básicos y resolver problemas menores. Aunque esto
pueda suponer un desafío inicial, a largo plazo contribuye a una operación más confiable y
eficiente, reduciendo tiempos de inactividad y prolongando la vida útil del equipo.
Los resultados de este estudio comparativo destacan el potencial de los sistemas automatizados
de bajo costo en la pasteurización lenta. La precisión y consistencia observadas en estos sistemas
sugieren la viabilidad de desarrollar soluciones tecnológicas accesibles y eficientes para el control
de la pasteurización. Esto podría desencadenar una nueva ola de innovación en la industria láctea
semi-industrial, donde los fabricantes de equipos podrían concentrarse en diseñar sistemas más
económicos, pero igualmente efectivos. La implementación de estos sistemas no solo podría
mejorar la calidad del proceso y el producto, sino también reducir los costos operativos a largo
plazo, haciendo que la automatización sea una opción viable incluso para productores de menor
escala (27).
La adopción de sistemas automatizados de bajo costo para la pasteurización lenta promueve una
mejora considerable en la calidad y seguridad de los productos lácteos. Al garantizar un control
más preciso y constante de la temperatura durante todo el proceso, estos sistemas reducen el
riesgo de sub-pasteurización, que podría permitir la supervivencia de patógenos dañinos, así
como el riesgo de sobre-pasteurización, que podría comprometer las propiedades organolépticas
y nutricionales del producto. Esta mayor consistencia en el proceso no solo asegura la eliminación
eficaz de microorganismos nocivos, sino que también contribuye a preservar el sabor, la textura
y los nutrientes de la leche. Como resultado, los consumidores disfrutarían de productos lácteos
más seguros y de mejor calidad, mientras que los productores podrían experimentar una
disminución en el número de lotes rechazados y un aumento en la vida útil de sus productos.
A pesar de los beneficios evidentes, la adopción de sistemas automatizados de bajo costo para la
pasteurización lenta puede encontrar diversas barreras en la industria láctea semi-industrial. En
primer lugar, aunque la inversión inicial es inferior a la requerida para sistemas más sofisticados,
puede seguir siendo un obstáculo para pequeños productores con recursos limitados. Además, la
resistencia al cambio y la falta de familiaridad con la tecnología entre los operadores tradicionales
podrían dificultar la transición. Es probable que se requiera capacitación adicional para el
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personal, lo que conlleva tiempo y costos. Otra barrera potencial radica en la percepción de que
los métodos manuales son más "artesanales" y, por ende, superiores en algunos nichos de
mercado. Finalmente, las regulaciones y certificaciones existentes pueden necesitar
actualizaciones para integrar estos nuevos sistemas, lo que podría retrasar su implementación
generalizada. Superar estas barreras requerirá esfuerzos coordinados entre fabricantes,
educadores y reguladores para demostrar claramente los beneficios a largo plazo y facilitar la
transición hacia esta tecnología accesible.
En el presente estudio, es fundamental reconocer ciertas limitaciones que podrían haber influido
en los resultados obtenidos. Una de las principales consideraciones es la variabilidad inherente
en la calidad de la leche utilizada, la cual puede fluctuar debido a factores estacionales o a la
alimentación del ganado. Además, las condiciones ambientales en las que se llevaron a cabo los
experimentos, como la temperatura y la humedad, podrían haber afectado sutilmente el proceso
de pasteurización. Otro aspecto a tener en cuenta es la posible influencia del operador en el
sistema manual, ya que la experiencia y habilidad individual podrían introducir variaciones en el
proceso. Aunque se hizo un esfuerzo por controlar estos elementos, podrían constituir fuentes
de sesgo en la comparación entre los sistemas manual y automatizado.
Aunque los resultados de este estudio proporcionan valiosas perspectivas sobre la eficacia
comparativa de los sistemas de pasteurización lenta, manual y automatizado de bajo costo, es
importante abordar con cautela la generalización de estos hallazgos. Las condiciones específicas
de la planta láctea semi-industrial donde se realizó el estudio, incluyendo su escala de producción,
equipamiento y prácticas operativas, podrían no ser representativas de todas las instalaciones
similares. Adicionalmente, las variaciones regionales en la composición de la leche y las
regulaciones locales sobre pasteurización podrían afectar la aplicabilidad directa de estos
resultados en otros contextos geográficos. Por lo tanto, si bien este estudio ofrece una base sólida
para la comparación, se recomienda considerar cuidadosamente las particularidades de cada
entorno antes de extrapolar directamente estos hallazgos a otras instalaciones o regiones.
Este estudio abre interesantes oportunidades para futuras investigaciones en el campo de la
pasteurización láctea. Una línea prometedora sería la realización de un estudio longitudinal que
evalúe el impacto a largo plazo de ambos sistemas en la calidad del producto final y en la eficiencia
energética de la planta. Asimismo, sería valioso llevar a cabo un análisis comparativo de costos-
beneficios que incluya no solo la inversión inicial en equipamiento, sino también los costos
operativos y de mantenimiento a lo largo del tiempo. Otra área de interés podría ser la
investigación de cómo estos sistemas responden a diferentes tipos de leche (por ejemplo, leche
de cabra o de oveja) o a volúmenes de producción variables, lo que proporcionaría una
comprensión más amplia de su versatilidad y aplicabilidad en diversos escenarios de la industria
láctea.
Se sugiere llevar a cabo un estudio multicéntrico que involucre varias plantas lácteas semi-
industriales en diferentes regiones, lo que permitiría un mejor control de los factores ambientales
y de variabilidad de la materia prima. En futuras etapas se planea implementar en la planta de
producción, un análisis más detallado de la composición microbiológica de la leche antes y
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después de la pasteurización, utilizando técnicas avanzadas de secuenciación genómica. Esto
proporcionaría una comprensión más profunda de la efectividad de ambos sistemas en la
eliminación de patógenos específicos. Por último, se recomienda explorar la integración de
tecnologías de monitoreo en tiempo real y análisis de datos como las mostradas en esta
investigación, lo que contribuiría a la detección temprana de desviaciones en la curva de
temperatura.
CONCLUSIONES
El sistema de control de lazo cerrado basado en PLC para la regulación del proceso de
pasteurización en la planta láctea de la UNACH se ha implementado con éxito. Incluye sensores
de temperatura de alta precisión (termopares), actuadores electroneumáticos (válvulas
solenoides) y sistemas de bombeo controlados por variadores de frecuencia (VFDs). La
arquitectura de control utiliza un algoritmo PID optimizado para mantener con precisión los
parámetros críticos del proceso.
El procedimiento implementado mediante la regulación térmica para el proceso de
pasteurización ha demostrado una optimización cuantitativa del 80% en relación con las
fluctuaciones globales originadas por los métodos de control convencional. Esto se ha logrado
mediante la creación de una plataforma denominada Logo Web Editor, que facilita la interacción
a través de una Interfaz Hombre-Máquina (HMI), permitiendo la parametrización de manera
remota y el monitoreo en tiempo real de los parámetros operativos. De este modo, se
ejemplifican aspectos clave de conectividad y accesibilidad de datos en el contexto de la Industria
4.0.
Además, en la comparación entre el control manual y el sistema automatizado mostró una mejora
sustancial en los tiempos de calentamiento, enfriamiento y retención del proceso de
pasteurización.
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