Análisis comparativo

La elección de la temperatura del agua de refrigeración en las centrales lecheras influye significativamente en la eficiencia del proceso, la calidad del producto, el consumo de energía y la rentabilidad económica. Este estudio compara la eficiencia termodinámica, la velocidad de enfriamiento, la seguridad microbiológica, la calidad del producto y los costes de explotación de la refrigeración con agua helada de 0,5 °C y con agua fría de 2 °C. El análisis muestra que el agua helada a una temperatura de 0,5 °C permite que el enfriamiento de la leche de 32 °C a 4 °C sea entre un 30 y un 50% más rápido debido a la mayor diferencia de temperatura en el intercambiador de calor, y que la temperatura objetivo pueda alcanzarse con mayor eficacia ^[1][2]. El enfriamiento más rápido reduce significativamente el tiempo de generación de bacterias mesófilas y psicrótrofas, disminuye el recuento total de bacterias en un 15-25% y prolonga la vida útil en un 20-30% ^[3][4][5]. Los sistemas modernos de agua helada de película descendente alcanzan valores COP más altos (4,5-5,5) a temperaturas de evaporación de T₀ ≈ -2 °C que los sistemas convencionales de agua refrigerada a 2 °C (COP 3,5-4,2) y reducen el consumo específico de energía hasta en un 20% ^[1][2][6]. A pesar de que los costes de inversión son entre un 15 y un 25% más elevados, los sistemas de agua helada con una temperatura de 0,5 °C se amortizan económicamente en un plazo de 4 a 6 años gracias a la reducción de los costes energéticos, la disminución de las pérdidas de producto y el aumento de las tasas de rendimiento ^[2][6].

En la industria láctea moderna, el enfriamiento rápido y preciso de la leche cruda desde aproximadamente 32-35 °C hasta un máximo de 4 °C en las cuatro horas siguientes al ordeño es crucial para la seguridad microbiológica, la vida útil y la calidad del producto ^[3][4][7]. Los sistemas convencionales de agua refrigerada a 2 °C se utilizan ampliamente, pero a menudo alcanzan temperaturas finales de la leche de sólo 5-6 °C debido a diferencias de temperatura insuficientes en el intercambiador de calor de placas ^[8][9].

Los sistemas de agua helada con temperaturas de unos 0,5 °C permiten un enfriamiento más profundo y rápido hasta los 2-4 °C, lo que ofrece ventajas microbiológicas y de calidad ^[1][2][10]. Los modernos sistemas Falling Film Chiller de agua helada funcionan a temperaturas de evaporación más altas (T₀ ≈ -2 °C) que los sistemas tradicionales y, por tanto, consiguen una mayor eficiencia energética ^[1][2][6].

El objetivo de este estudio es una comparación sistemática de ambos conceptos de refrigeración, teniendo en cuenta las tasas de transferencia de calor, los tiempos de enfriamiento, los efectos microbiológicos, la calidad del producto, el consumo de energía y la eficiencia económica global.

El caudal de calor Q [W] en un intercambiador de calor de placas de contracorriente se describe mediante:

$\dot{Q}=U\cdot A\cdot \mathrm{\Delta }{T}_{\text{log}}$

Donde U es el coeficiente global de transferencia de calor [W/(m²-K)], A es la superficie del intercambiador de calor [m²], y ΔT_log es la diferencia media logarítmica de temperatura [K] ^[11].

La diferencia de temperatura media logarítmica se calcula como

$\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_1-\mathrm{\Delta }{T}_2}{\mathrm{l}\mathrm{n}(\mathrm{\Delta }{T}_1/\mathrm{\Delta }{T}_2)}$

Donde ΔT₁ y ΔT₂ son las diferencias de temperatura en ambos extremos del intercambiador de calor.

Tabla 1: Comparación del enfriamiento de la leche desde 32 °C hasta la temperatura objetivo

Con el mismo coeficiente global de transferencia de calor U y la misma superficie A, el resultado es

$\frac{{\dot{Q}}_{\text{Eis}}}{{\dot{Q}}_{\text{Kalt}}}=\frac{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Eis}}}{\mathrm{\Delta }{T}_{\text{log,Kalt}}}=\frac{\mathrm{12,8}}{\mathrm{11,2}}=\mathrm{1,14}$

El agua helada permite un rendimiento térmico un 14% superior con el mismo tamaño de intercambiador o alcanza la misma capacidad de refrigeración con una superficie menor ^[1][2].

2.2 Temperatura de aproximación

La temperatura de aproximación describe la menor diferencia alcanzable entre la temperatura de salida de la leche y la temperatura de entrada del agua de refrigeración en el intercambiador de calor. En los intercambiadores de calor de placas eficientes, es de 1-2 K ^[9][12].

Tabla 2: Temperaturas finales de la leche alcanzables a diferentes temperaturas del agua de refrigeración

Sólo el agua helada a 0,5 °C permite un enfriamiento fiable de la leche a 2-3 °C, lo que ofrece importantes ventajas microbiológicas y de calidad ^[1][2][3].

2.3 Capacidad calorífica específica de la leche

La capacidad calorífica específica de la leche entera (3,5% de grasa) es de

$c_p=\mathrm{3,}\mathrm{93}\text{kJ/(kg}\text{-}\text{K)}$

c_p es de aproximadamente 3,97 kJ/(kg-K) para la leche desnatada ^[13].

La cantidad de calor que debe eliminarse al enfriar 1.000 kg de leche entera de 32 °C a 4 °C es, por tanto, la siguiente

$Q=m\cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=1.\mathrm{000}\text{kg}\cdot \mathrm{3,}\mathrm{93}\text{kJ/(kg}\text{-}\text{K)}\cdot (32-4\mathrm{)}\text{K}=110.\mathrm{040}\text{kJ}\approx \mathrm{30,}\mathrm{6}\text{kWh}$

La tasa de crecimiento de las bacterias en la leche depende en gran medida de la temperatura. Las bacterias mesófilas (óptimo 25-37 °C) ya muestran un crecimiento significativamente reducido a 10 °C, mientras que las bacterias psicrótrofas (Pseudomonas spp.) pueden crecer incluso a 4-7 °C ^{[3][4][5][14]}.

Tabla 3: Tiempos de generación de varios grupos bacterianos en la leche ^[3][4][14]

Marco temporal crítico: Las primeras 4 horas tras el ordeño son cruciales, ya que es cuando finaliza la fase de latencia bacteriana y comienza el crecimiento exponencial ^[3][4][7]. Cuanto más rápido se enfríe la leche por debajo de 4 °C, menor será el recuento bacteriano total.

3.2 Comparación de la evolución del recuento bacteriano

Escenario: 10.000 litros de leche cruda, recuento bacteriano inicial de 10.000 UFC/ml (UFC = unidad formadora de colonias)

Sistema de agua fría a 2 °C:

• Enfriamiento de 32 °C a 5,5 °C en 45 minutos
• Almacenamiento a 5,5 °C durante 48 horas
• Recuento bacteriano final: aprox. 35.000-45.000 UFC/ml ^[4][5]

Sistema de agua helada a 0,5 °C

• Enfriamiento de 32 °C a 3,0 °C en 30 minutos
• Almacenamiento a 3,0 °C durante 48 horas
• Recuento bacteriano final: aprox. 25.000-32.000 UFC/ml ^[4][5]

Reducción del recuento bacteriano en un 20-30% mediante el enfriamiento con agua helada, lo que aumenta directamente la vida útil y la seguridad del producto ^[3][4][5].

3.3 Efectos cualitativos

Las temperaturas de almacenamiento más bajas reducen

• Lipólisis (descomposición de grasas por lipasas bacterianas) → mejor sabor ^[4][15]
• Proteólisis (descomposición de proteínas) → mayor vida útil del queso y el yogur ^[4][15]
• Defectos sensoriales (rancidez, amargor) ^[4][5]

Los estudios demuestran que en la leche almacenada a 2 °C , la calidad sensorial sigue siendo excelente después de 5 días, mientras que en la leche almacenada a 6 °C, las pérdidas de calidad ya se producen después de 3 días ^[4][5][15].

El coeficiente de rendimiento (COP) de una enfriadora describe la relación entre la capacidad de refrigeración y el consumo de energía eléctrica:

$\text{COP}=\frac{{\dot{Q}}_0}{P_{\text{el}}}$

El COP aumenta con temperaturas de evaporación T₀ más elevadas. Los sistemas modernos de agua helada de película descendente alcanzan valores de COP más altos a T₀ ≈ -2 °C para agua helada de 0,5 °C que los sistemas convencionales con temperaturas de evaporación más bajas ^[1][2][6].

Tabla 4: Comparación de los valores COP de los diferentes sistemas.

Los sistemas de agua helada de película descendente alcanzan valores de COP hasta un 20-30% superiores gracias a la optimización de las temperaturas de evaporación ^[1][2][6].

4.2 Ejemplo de cálculo: Consumo de energía para la refrigeración de 10.000 litros de leche

Datos de entrada:

• Volumen de leche: 10.000 litros (≈ 10.300 kg, densidad 1,03 kg/ l).
• Enfriamiento desde 32 °C hasta la temperatura objetivo
• Capacidad calorífica específica: 3,93 kJ/(kg-K)

Sistema de agua fría de 2 °C (temperatura objetivo 5,5 °C):

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{5,5})=1.071.\mathrm{000}\text{kJ}=\mathrm{297,}\mathrm{5}\text{kWh}$

Con un COP = 3,8:

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{297,5}}{\mathrm{3,8}}=\mathrm{78,}\mathrm{3}\text{kWh}$

Sistema de agua fría a 0,5 °C (temperatura objetivo 3,0 °C):

$Q=10.300\cdot \mathrm{3,93}\cdot (32-\mathrm{3,0})=1.174.\mathrm{000}\text{kJ}=\mathrm{326,}\mathrm{1}\text{kWh}$

Con un COP = 5,0:

$P_{\text{el}}=\frac{\mathrm{326,1}}{\mathrm{5,0}}\mathrm{=\; 65,}\mathrm{2}\text{kWh}$

Ahorro de energía a pesar de una menor refrigeración:

$\text{Ahorro}=\mathrm{78,3}-\mathrm{65,2}=\mathrm{13,}\mathrm{1}\mathrm{kWh}(\mathrm{16,}\mathrm{7}\mathrm{\%})$

El ahorro asciende al 16,7% en electricidad a pesar de que la temperatura final es 2,5 K inferior ^[1][2][6].

4.3 Costes de funcionamiento anuales

Supuestos:

• La central lechera procesa 50.000 litros/día = 18,25 millones de litros/año
• Precio de la electricidad: 0,13 EUR/kWh
• Funciona 350 días/año

Tabla 5: Costes energéticos anuales de la refrigeración de la leche (50.000 l/día)

Ahorro anual de costes energéticos: 3.120 EUROS (16,8%) ^[1][2][6].

Tabla 6: Comparación de los costes de inversión para una potencia de refrigeración de 200 kW

Inversión adicional en agua refrigerada 47.300 EUROS (36%) ^[2][6][17].

5.2 Comparación de los costes de explotación (anuales)

Tabla 7: Costes de explotación anuales

Costes adicionales del agua refrigerada 2.600 euros/año (excluidos los beneficios de calidad) ^[6][16].

5.3 Beneficios de calidad y rendimiento

Reducción de las pérdidas de producto:

• Sistema de 2 °C: 1,5% de pérdidas debido a la reducción de la vida útil y a defectos de calidad.
• Sistema de 0,5 °C: 0,8% de pérdidas
• Con 18,25 millones de litros/año a 0,72 euros/litro de valor de la materia prima:

$\text{Ahorro}=\mathrm{(1,5\%}-\mathrm{0,8\%)}\cdot \mathrm{18.250.000}\cdot \mathrm{0,72}=92.\mathrm{000}\mathrm{euros/año}$

La mayor calidad del producto permite precios superiores:
Para el 20% de la producción (3,65 millones de L) con una prima de precio del 2%:

$\text{Beneficio adicional}=\mathrm{3.650.000}\cdot \mathrm{0,72}\cdot \mathrm{0,02}=52.600\mathrm{EUR/año}$

Un enfriamiento más rápido aumenta el rendimiento:
Ciclos de refrigeración un 30% más rápidos → Posibilidad de un 10% más de rendimiento diario → Margen de contribución adicional de 16.500 EUR/año (conservador) ^[2][6].

5.4 Balance económico global

Tabla 8: Balance económico global por año

Periodo de amortización:

$\text{Amortización}=\frac{\text{Inversión adicional}}{\text{Beneficio neto/año}}=\frac{47.300}{158.500}=\mathrm{0,}\mathrm{30}\text{años}\approx \mathrm{3,}\mathrm{6}\text{meses}$

Incluso con un cálculo conservador que tiene en cuenta los beneficios de calidad pero excluye los ingresos por primas y los beneficios de rendimiento:

${\text{Payback}}_{\text{conservador}}=\frac{47.300}{92.000-2.600}=\mathrm{0,}\mathrm{53}\text{años}\approx \mathrm{6,}\mathrm{4}\text{meses}$

Enla práctica, el periodo de amortización suele ser de 4 a 6 años para operaciones de tamaño medio sin beneficios de calidad extremos ^[2][6].

Los sistemas modernos de agua helada de película descendente distribuyen el agua uniformemente sobre placas de almohada verticales de acero inoxidable, en las que el refrigerante (normalmente NH₃) se evapora a T₀ ≈ -2 °C ^[1][2].

Ventajas:

• Riesgo mínimo de formación de hielo gracias a una distribución uniforme.
• Elevado coeficiente global de transferencia de calor (hasta 2.000 W/m² K) ^[2][10]
• Baja carga de refrigerante (a menudo por debajo de los límites legales)
• Fácil limpieza y mantenimiento
• Resistencia al ensuciamiento

6.2 Tanques de almacenamiento de agua helada para la gestión de picos de carga

Un tanque de almacenamiento de agua helada de 20 m³ permite:

• Producción nocturna de agua fría utilizando electricidad de bajo coste fuera de las horas punta
• Cubrir los picos de carga por la mañana sin sobredimensionar el compresor
• Suavizar la carga eléctrica
• Refrigeración de emergencia en caso de avería del compresor

Capacidad de almacenamiento con una diferencia de temperatura de 5 K (0,5 → 5,5 °C):

$Q_{\text{Almacenamiento}}=V\cdot \rho \cdot c_p\cdot \mathrm{\Delta }T=20\cdot 1.000\cdot \mathrm{4,18}\cdot 5=418.\mathrm{000}\text{kJ}=\mathrm{116}\text{kWh}$

Esto cubre aproximadamente 3-4 horas de carga máxima ^[2][17].

6.3 Integración con recuperación de calor

El calor residual de la enfriadora (calor de condensación) puede utilizarse para agua caliente (limpieza CIP, 65-85 °C) o calefacción ^[18]:

${\dot{Q}}_{\text{Condensador}}={\dot{Q}}_0+P_{\text{el}}=200+40=\mathrm{240}\text{kW}$

A 6.000 horas de funcionamiento/año: 1.440 MWh/año de calor disponible, valor equivalente a 0,09 EUR/kWh ≈ 130.000 EUR/año ^[18].

El agua helada a 0,5 °C ofrece tres ventajas termodinámicas:

• Mayor diferencia de temperatura en el intercambiador de calor (ΔT_log 12,8 K frente a 11,2 K) → 14% más de producción de calor ^[1][2].
• Menor temperatura de salida del producto (3 °C frente a 5,5 °C) gracias a una mejor aproximación ^[1][9]
• Mayor COP (5,0 frente a 3,8) debido a la optimización de la temperatura de evaporación en la tecnología de película descendente ^[1][2][6].

7.2 Beneficios microbiológicos y de calidad

Reducción de la temperatura de almacenamiento de 5,5 °C a 3,0 °C:

• Prolongación del tiempo de generación de bacterias psicrótrofas en un 30-50% ^[3][4].
• El recuento total de gérmenes se redujo en un 20-30% al cabo de 48 horas ^[4][5].
• Prolongación de la vida útil sensorial en 1-2 días ^[4][15].
• Reducción de la degradación enzimática (lipólisis, proteólisis) ^[4][15]

7.3 Ventajas económicas y operativas para operaciones a mediana y gran escala

La rentabilidad del agua helada aumenta con:

• La escala operativa: Beneficios significativos a partir de 20.000 l/día ^[2][6]
• Los requisitos de calidad: Los segmentos premium justifican la inversión ^[4][15]
• Los precios de la energía: Cuanto más altos son los precios, más rápida es la amortización ^[6][16]
• Mezcla de productos: La leche fresca, el yogur y el queso se benefician especialmente ^[4][15]

Para operaciones pequeñas (<10.000 l/día) con productos sencillos, puede bastar con agua fría a 2 °C ^[6].

7.4 Tendencias tecnológicas

Los avances modernos aumentan el atractivo del agua helada:

• Tecnología Falling Film con baja carga de refrigerante ^[1][2]
• Refrigerantes naturales de alta eficiencia (NH₃, CO₂) ^[1][2]
• Sistemas inteligentes de gestión de la carga para uso fuera de las horas punta ^[17]
• Integración con recuperación de calor y generación combinada de calor y electricidad ^[18]

La refrigeración por agua helada con 0,5 °C de agua fría supera significativamente a la refrigeración por agua fría con 2 °C de agua fría en las plantas de procesado de lácteos en términos de velocidad de refrigeración (30-50% más rápida), calidad del producto (20-30% menos de recuentos bacterianos, 1-2 días más de vida útil) y eficiencia energética (15-20% menos de costes energéticos específicos a pesar de una temperatura final más baja) ^{[1][2][3][4][6]}. Los sistemas modernos de agua refrigerada de película descendente alcanzan valores de COP de 4,5-5,5 a temperaturas de evaporación en torno a -2 °C y permiten temperaturas finales de la leche de 2- -3 °C, que los sistemas convencionales de agua refrigerada de 2 °C (COP 3,5- -4,2, temperatura final de la leche 5- -6 °C) no pueden alcanzar ^[1][2][9].

A pesar de que los costes de inversión son entre un 35 y un 40% más elevados, los sistemas de agua helada con 0,5 °C se amortizan en explotaciones lácteas medianas y grandes (>20.000 l/día) gracias a la reducción de los costes energéticos (3.100 euros/año de ahorro con 50.000 l/día), la reducción de las pérdidas de producto (más de 90.000 euros/año gracias a la mejora de la calidad) y el aumento de las tasas de producción; el sistema se amortiza en 4-6 años ^[2][6]. Para instalaciones con requisitos de alta calidad, productos de primera calidad o recuperación de calor adicional, el periodo de amortización se reduce a 2-3 años.

Para productos sensibles al tiempo con altos estándares de calidad (leche fresca, productos lácteos fermentados, leche ecológica) y un volumen de procesamiento suficiente, la refrigeración con agua helada a 0,5 °C representa la tecnología termodinámica, microbiológica, cualitativa y económicamente superior. El enfriamiento con agua fría a 2 °C sigue siendo una alternativa más rentable para las pequeñas empresas con bajos requisitos de calidad y productos sencillos.

^[1] HTT-AG. (2025). Refrigeración por agua helada para centrales lecheras | Eficiencia BUCO.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairy-plants/

^[2] HTT-AG. (2023). Refrigeración por agua helada BUCO para centrales lecheras.
https://www.htt-ag.com/solutions/dairy-cooling/

^[3] Instituto de Agricultura. (2025). Importancia y Efectos de la Refrigeración de la Leche.
https://agriculture.institute/milk-processing-packaging/importance-effects-chilling-milk/

^[4] Blog de tecnología láctea. (2014). Enfriamiento de la leche.
http://dairy-technology.blogspot.com/2014/01/chilling-of-milk.html

^[5] Instituto de la Leche Cruda. (2023). El enfriamiento rápido de la leche cruda reduce los riesgos de patógenos y mejora la vida útil.
https://www.rawmilkinstitute.org/updates/rapid-chilling-of-raw-milk-lowers-pathogen-risks-and-improves-shelf-life

^[6] HTT-AG. (2023). Refrigeración por agua helada en plantas lácteas.
https://www.htt-ag.com/solutions/ice-water-cooling-in-dairiy-plants/

^[7] Grupo ESA. (2017). Composición y microbiología de la leche.
https://www.groupe-esa.com/ladmec/bricks_modules/brick02/co/ZBO_Brick02_3.html

^[8] DairyNZ. (2018). Enfriamiento de la leche.
https://www.dairynz.co.nz/milking/milking-plant-maintenance/milk-cooling/

^[9] GEA. (2024). Refrigeración y calefacción industrial para procesos lácteos.
https://www.gea.com/en/heating-refrigeration/dairy/

^[10] TDM. (2024). Sistema de Refrigeración de Leche por Agua Helada (IB & DIB).
https://www.tdm.it/en/project/ice-water-milk-cooling-system-ib-dib/

^[11] Wikipedia. (2005). Coeficiente de transferencia de calor.
https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer_coefficient

^[12] HTT-AG. (2023). Refrigeración de leche para granjas.
https://www.htt-ag.com/solutions/milk-cooling-on-farms/

^[13] Instituto de Agricultura. (2025). Calor Específico de la Leche y su Relevancia en el Procesamiento Lácteo.
https://agriculture.institute/milk-production-and-quality/specific-heat-of-milk-dairy-processing/

^[14] PMC/NCBI. (2021). Efectos de la Temperatura de Enfriamiento en la Granja sobre la Calidad Microbiológica de la Leche.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8532842/

^[15] ScienceDirect. (2023). El Efecto de Diferentes Tasas de Preenfriamiento y Almacenamiento en Frío sobre la Calidad de la Leche.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022030218300171

^[16] Thermal Care. (s.f.). Air Cooled vs Water Cooled Chiller Cost Savings.
https://www.thermalcare.com/air-cooled-vs-water-cooled/

^[17] HTT-AG. (sin fecha). Almacenamiento industrial de hielo en combinación con enfriadoras de agua por hielo de refrigeración directa.
https://www.htt-ag.com/solutions/industrial-ice-storage-in-combination-with-direct-cooling-ice-water-chillers/

^[18] Agroscope. (s.f.). Recuperar el calor de los sistemas de refrigeración de leche ahorra energía.
https://www.agroscope.admin.ch/agroscope/de/home/aktuell/dossiers/n-p-kreislaeufe-optimieren/

^[19] Universidad de Cornell. (s.f.). Economic Feasibility of Milk Cooling with Lithium Bromide Absorption Chiller.
https://ecommons.cornell.edu/server/api/core/bitstreams/24b6c4aa-a3b8-4f4b-8187-c815740d27e5/content