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Esterilización

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN JUAN Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Química

Carrera: Ingeniería en Alimentos

ESTERILIZACIÓN

Prof. Dr. Ing. Roberto E. Cáceres

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Esterilización

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ÍNDICE Procesado térmico ..................................................................................................................................... 3 Tiempo de reducción decimal ............................................................................................................... 4 Constante de resistencia térmica ........................................................................................................... 5 Efecto esterilizante y tiempo de muerte térmica ................................................................................... 7 Valor Q10 ............................................................................................................................................... 8 Probabilidad de deterioro ...................................................................................................................... 9 Ecuación de Arrhenius .......................................................................................................................... 9 Relaciones entre los parámetros de procesado térmico ....................................................................... 10 Tiempo de reducción decimal y constante de reacción ................................................................... 10 Tiempo de muerte térmica y constante de resistencia térmica ........................................................ 11 Q10 y constante de resistencia térmica ............................................................................................. 11 Q10 y energía de activación ............................................................................................................. 12 Método de cálculo del proceso de esterilización ..................................................................................... 13 Procesado y envasado asépticos .............................................................................................................. 20 Componentes del equipo ..................................................................................................................... 20 Desaireador...................................................................................................................................... 21 Secciones de calentamiento y enfriamiento .................................................................................... 21 Tubo isotermo o de retención .......................................................................................................... 21 Sistema de envasado........................................................................................................................ 21 Producción de leche larga vida............................................................................................................ 22 Esterilización en recipiente ............................................................................................................. 22 Tratamiento UHT ............................................................................................................................ 24 El proceso UHT ........................................................................................................................... 24 Desarrollo del proceso UHT ....................................................................................................... 24 Plantas UHT ................................................................................................................................ 25 Diversos sistemas UHT ............................................................................................................... 26 Fases de Operación de la UHT .................................................................................................... 26 Planta UHT directa basada en inyección de vapor e intercambiador de calor de placas ............ 27 Planta UHT directa basada en inyección de vapor e intercambiador de calor tubular................ 28 Planta UHT directa basada en infusión de vapor ........................................................................ 29 Planta UHT indirecta basada en intercambiadores de calor de placas ........................................ 29 Planta UHT indirecta basada en intercambiadores de calor tubulares ........................................ 30 Planta UHT indirecta basada en intercambiadores de superficie raspada ................................... 31 Envasado aséptico ........................................................................................................................... 32 Bibliografía.............................................................................................................................................. 32

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Procesado térmico El término procesado térmico se utiliza para designar al proceso de calentamiento, mantenimiento a temperatura constante y posterior enfriamiento al que se somete a un alimento y que es necesario para eliminar el riesgo de una posible enfermedad provocada por la ingestión de ese alimento. La pasteurización es un procesado térmico diseñado para microorganismos patógenos, pero que no es útil para productos perdurables sin refrigerar. La esterilización comercial es el proceso que permite guardar a temperatura ambiente los productos envasados. Las bacterias pueden ser divididas en dos grupos: 1) aquellas que únicamente existen como células vegetativas (fáciles de matar por calor u otros medios) 2) aquellas que existen en estado vegetativo y también como esporas. Mientras que las bacterias mueren fácilmente ante el calor en estado vegetativo, sus esporas son difíciles de eliminar. Los productos a esterilizar contienen habitualmente una flora mixta conteniendo tanto células vegetativas como esporas. Desafortunadamente, no hay una correlación específica entre las cantidades de unas y otras. Se puede encontrar altos recuentos de esporas en productos con recuentos totales bajos, y viceversa, de tal forma que determinar un recuento total no puede servir como una base confiable para cuantificar esporas bacterianas en productos alimenticios. Ejemplo 1: acerca de la calidad de leche, las normas microbiológicas para el comercio intra comunidad establecidas por el Concilio de la Unión Europea (EU) para salvaguardar la salud humana y animal, se muestra en la siguiente tabla: Estándares de la Unión Europea para el recuento de bacterias en la leche (en vigencia desde el 01/01/1993) Producto Recuento (CFU /ml) Leche cruda < 100.000 Leche cruda, guardada en silo de la lechería por más de 36 horas < 200.000 Leche pasteurizada < 30.000 Leche pasteurizada, después de incubación por 5 días a 8 ºC < 100.000 Leche esterilizada UHT, después de incubación por 15 días a 30 ºC < 10 NOTA: CFU = unidades formadoras de colonias Tabla 1. La temperatura y el tiempo de procesado térmico de la leche son factores muy importantes que deben ser especificados con precisión en relación a los requerimientos de calidad y tiempo que puede conservarse sin que el producto se deteriore. La temperatura de tratamiento de leche homogeneizada, grado regular, pasteurizada, es normalmente 72 – 75 ºC por 15 – 20 segundos. El proceso de pasteurización puede variar de un país a otro de acuerdo a la legislación local. Un requerimiento común en todos los países es que el tratamiento térmico debe garantizar la destrucción de microorganismos no deseados y de todas las bacterias patógenas, sin que el producto sea dañado. Para leche larga vida, esterilizada con el tratamiento UHT, la temperatura es 135 – 150 ºC por 4 – 15 segundos. El proceso es acompañado por envasado aséptico en envases protectores de la luz y del oxígeno atmosférico. Se almacena a temperatura ambiente.

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Tiempo de reducción decimal Cuando microorganismos y / o esporas de bacterias son sometidos a un tratamiento térmico (a temperatura constante) no todos los microorganismos mueren a la vez; sólo una proporción es destruida en un período de tiempo dado. Si los microorganismos sobrevivientes son una vez más sujetos al mismo tratamiento por el mismo período de tiempo, una proporción igual de éstos serán destruidos, y así sucesivamente. En otras palabras, una exposición a un determinado tratamiento térmico siempre elimina la misma proporción del recuento inicial de cada etapa. Esto significa que la cinética de la muerte térmica, en condiciones isotérmicas, es claramente de primer orden. El efecto letal en los microorganismos puede entonces ser expresado matemáticamente: dN = − kT N (1) dt donde: N = número de microorganismos (o esporas) presentes luego de un tiempo de tratamiento, t. kT = constante específica de la reacción de muerte térmica a temperatura T [=] 1/t. t = tiempo de tratamiento [=] t. separando variables e integrando: N



N0

dN = − kT N

t

 dt

(2)

t0

donde: N0 = número de microorganismos (o esporas) originalmente presentes a t0 = 0 (recuento inicial). N (3) ln( ) = −kT (t − t 0 ) N0 N (4) 2,303 log( ) = −kT (t − t 0 ) N0 1 log N = log N 0 − kT (t − t 0 ) (5) 2,303 Esta fórmula da como resultado una línea recta, cuando se representa en un gráfico semilogarítmico, dibujando en las abscisas el tiempo de tratamiento (escala lineal) y el número de sobrevivientes en el de las ordenadas (escala logarítmica). La constante de reacción indica cuán rápidamente ocurre la destrucción de microorganismos (o esporas) a una temperatura constante. Los microbiólogos de alimentos usan DT (tiempo de reducción decimal) para indicar el tiempo de calentamiento necesario, a temperatura constante T, para destruir el 90 % de la población presente (esto implica una reducción de 10 veces). Representando en un papel semilogarítmico los valores N obtenidos a diferentes tiempos, el valor de DT representa el aumento de tiempo necesario para cambiar un orden logarítmico el valor de N. Ejemplo 2: se han obtenido los valores (presentados en la tabla 2) en una experiencia de resistencia térmica de una suspensión de esporas a 112 ºC. Determinar el tiempo de reducción decimal. Solución: se representa el número de sobrevivientes en función del tiempo en papel semilogarítmico (figura 1). De la figura se obtiene DT = D112 ºC = 2,3 minutos. El mismo valor podría ser obtenido encontrando por mínimos cuadrados la ecuación de la recta de ajuste (y = m x + b). Entonces: DT = - 1 / m.

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Tiempo (minutos) Número de esporas sobrevivientes 0 1,0 106 1 3,7 105 2 1,3 105 3 5,0 104 4 1,8 104 5 6,7 103 6 2,5 103 Tabla 2.

Figura 1. Nótese que como una función logarítmica nunca puede alcanzar el valor cero, la esterilidad definida como la ausencia de esporas vivientes, es imposible de lograr.

Constante de resistencia térmica La constante de resistencia térmica z, describe la resistencia térmica de las esporas bacterianas. Se define como el aumento de temperatura necesario para causar una disminución del 90 % en el tiempo de reducción decimal DT. Representando en un papel semilogarítmico los valores DT obtenidos a diferentes temperaturas, el valor de z representa el aumento de temperatura necesario para cambiar un orden logarítmico el valor de DT. En base a la definición, z puede expresarse:

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z=−

T1 − T2 log DT1 − log DT2

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(6)

Ejemplo 3: los tiempos de reducción decimal, DT, para una suspensión de esporas se midieron a varias temperaturas, obteniéndose: Temperatura (ºC) DT (minutos) 104 27,5 107 14,5 110 7,5 113 4,0 116 2,2 Tabla 3. Determinar la constante de resistencia térmica, z, para las esporas. Solución: se representan los valores de DT frente a la temperatura utilizando papel semilogarítmico, obteniéndose la figura 2. En ella se puede leer que z = 10,8. El mismo valor podría ser obtenido encontrando por mínimos cuadrados la ecuación de la recta de ajuste (y = m x + b). Se tendrá: z = - 1 / m.

Figura 2.

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Efecto esterilizante y tiempo de muerte térmica Un concepto muy utilizado es el de efecto esterilizante. Este término establece el número de reducciones decimales en el recuento de esporas bacterianas logrado por un proceso dado de esterilización (ver figura 1). Cada vez que es llevado a cabo un proceso de esterilización, éste puede ser caracterizado por un cierto efecto esterilizante. En cualquier proceso térmico de esterilización, el efecto esterilizante está determinado por la combinación tiempo / temperatura aplicada. A mayor temperatura y mayor tiempo de retención, el proceso será más eficiente. El efecto esterilizante es expresado por el número de reducciones decimales logrado mediante el proceso. Las esporas de Bacillus subtilis o de Bacillus stearothermophilus son usadas generalmente como organismos de prueba para determinar el efecto esterilizante del equipamiento continuo (por ejemplo UHT), ya que estas bacterias - especialmente el B. stearothermophilus - forman esporas altamente resistentes al calor. El Clostridium botulinum es usado para el cálculo del efecto de la esterilización realizada con el productos dentro de recipientes. El equipamiento para la esterilización continua (tratamiento UHT) tiene habitualmente un efecto esterilizante de alrededor de 10 a 12 al ser empleadas las esporas de B. subtilis, y de alrededor de 8 al usarse las esporas de B. stearothermophilus, mientras que el efecto esterilizante del proceso en contenedores no deberá ser menor a 12 cuando se utilizan esporas de Clostridium botulinum. Obviamente, el efecto esterilizante dependerá de: • la combinación tiempo / temperatura, • la resistencia térmica de las esporas, que a su vez es influida por la cepa de Bacillus empleada y por la forma en que fueron producidas las esporas en el producto en el que se lleva a cabo el tratamiento térmico. El efecto letal sobre las esporas bacterianas comienza a darse a una temperatura de alrededor de 118ºC y se incrementa muy rápidamente con el aumento de la temperatura. Otro concepto muy utilizado es el tiempo de muerte térmica, F, que es el tiempo necesario para causar un determinado efecto esterilizante (ver figura 1). Este tiempo puede expresarse entonces como un múltiplo de DT. Ejemplo 4: una reducción del 99,99 % en una población microbiana equivale a cuatro reducciones de orden logarítmico. Es decir: • efecto esterilizante = 4, • tiempo de muerte térmica, F = 4 DT. Como se explicó anteriormente, en el procesado térmico de alimentos perdurables en recipientes cerrados, el valor típico de efecto esterilizante utilizado es 12, lo que equivale a una reducción del 99,9999999999 % en la población microbiana o a F = 12 DT (con el valor característico de DT del Clostridium botulinum). Es corriente utilizar para F un subíndice que indica la temperatura y un supraíndice con el valor z del microorganismo considerado:

FTz = tiempo de muerte térmica para una temperatura T de un organismo caracterizado por un cierto valor z. Debido a que comúnmente se asume un valor z de 10 ºC (18 ºF) - para las esporas, los valores F calculados con este valor se utilizan como referencia y son designados como F0. La temperatura de referencia es habitualmente 121ºC (250 ºF).

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18 10 F0 = F250 = F121

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(7)

Valor Q10 Como ya se ha mencionado, el efecto esterilizante de un proceso de esterilización se incrementa rápidamente con el aumento de la temperatura. Esto, por supuesto, también se aplica a las reacciones químicas que ocurren como consecuencia del tratamiento térmico. El valor Q10 ha sido introducido como una expresión de este incremento en la velocidad de una reacción. Este valor establece cuántas veces aumenta la velocidad de una reacción si la temperatura del sistema es elevada en 10ºC. k(T + 5 ) (aplicable a ºC o K , no a ºF) (8) Q10 = k(T - 5 ) El valor Q10 para los cambios en el flavor - y para la mayoría de las reacciones es de alrededor de 2 a 3, lo que indica que si se incrementa la temperatura de un sistema en 10 ºC, la velocidad de las reacciones químicas se duplica o triplica. Por ejemplo, si una reacción tiene un valor Q10 = 3 y requiere de una hora para completarse a 100 ºC, sólo requerirá de 1 / 27 de dicho tiempo para completarse a 130ºC, esto es, poco más de 2 minutos. Los valores Q10 pueden ser determinados también para la muerte de esporas bacterianas, habiéndose encontrado valores dentro del rango de 8 a 30. La variación es tan grande debido a que las diferentes clases de esporas bacterianas reaccionan en forma diferente a los incrementos de temperatura. Los cambios por influencia del incremento de temperatura se muestran en la figura 3.

Figura 3.

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Probabilidad de deterioro La probabilidad de deterioro se utiliza para calcular el número de envases deteriorados producidos durante el procesado de una partida de producto. De las ecuación 4, para una exposición total de tiempo de muerte térmica F : N F log( 0 ) = N DT

(9)

Si r es el número de envases procesados y N0 es el número inicial de esporas por envase, la carga inicial total microbiana es igual a r N0 . Si el objetivo pretendido en un proceso térmico es alcanzar una probabilidad de un microorganismo en el lote, N = 1. Reemplazando: F log( rN 0 ) = DT



rN 0 = 10

F DT

arreglando: Probabilidad de deterioro =

N0 1 = F r 10 DT

(10)

Ejemplo 5: determinar la probabilidad de deterioro de un proceso de 50 minutos de duración A 113 ºC cuando D113 = 4 minutos y la población microbiana inicial es 104 por envase. Solución: Se utiliza la ecuación (10), Probabilidad de deterioro =

1 10 4 = = 3,16 *10 − 9 50 r 10 4

Despejando de la ecuación anterior r = 3,16 *108 , lo que quiere decir que puede esperarse el deterioro de un envase por cada 3,16 * 108 envases procesados.

Ecuación de Arrhenius Otro método usado para describir la dependencia de la constante de velocidad de reacción respecto de la temperatura fue introducida por Arrhenius como: kT =

 − Ea    Ae  RT 

o bien

log kT = log A −

Ea 2,303 RT

donde: A = coeficiente de la ecuación de Arrhenius Ea = energía de activación (cal/mol) R = constante universal de los gases (1.987 cal/mol K)

(11)

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T = temperatura absoluta (K) La ecuación (11) está graficada en la figura 4, en donde aparece log k versus 1/T. La Energía de activación (Ea) es la energía necesaria para la reacción, y puede ser determinada a partir de la pendiente de esta recta, (-Ea / 2.303 R).

Figura 4.

Relaciones entre los parámetros de procesado térmico En este apartado se describen las principales relaciones existentes entre los parámetros cinéticos y los utilizados en procesado térmico de alimentos.

Tiempo de reducción decimal y constante de reacción Como DT indica el tiempo necesario para producir una reducción de un orden logarítmico en la población, la relación entre k y DT se obtiene de la ecuación 4 haciendo: N0 = 10 y (t − t 0 ) = DT N reemplazando 2,303 (12) DT = kT Ejemplo 6: Calcular la constante de velocidad de primer orden correspondiente al tiempo de reducción decimal del ejemplo 2.

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Solución: Se utiliza la ecuación (11), 2,303 2,303 1 kT = = = 1,001 DT 2,3 minutos minuto

Tiempo de muerte térmica y constante de resistencia térmica Teniendo en cuenta la ecuación la reacción (6): z=−

DT1 DT2

T1 − T2 T2 − T1 T2 − T1 = = log DT1 − log DT2 log DT1 − log DT2  DT log  1  DT  2

   



 DT log  1  DT  2

 T −T = 2 1  z 

T2 − T1 = 10 z

(13)

Como se dijo anteriormente, el tiempo de muerte térmica puede expresarse como un múltiplo del tiempo de reducción decimal: FT1 = número * DT1 (14) Relacionando dos temperaturas: FT1 DT = 1 FT2 DT2

(15)

De (12) y (14): FT1 FT2

T2 − T1

= 10

z

(16)

Q10 y constante de resistencia térmica Teniendo en cuenta la ecuación (8): Q10 = la ecuación (12): DT = y la ecuación (13):

DT1 DT2

k(T + 5 ) kT2 (donde T2 = T1 + 10) = k(T - 5 ) kT1

2,303 kT T2 −T1 10 = 10 z = 10 z ,

10 = 10 z

Q10 o bien: 10 z= log Q10

es:

(17) (18)

Ejemplo 7: Determinar el valor Q10 para el efecto de la temperatura sobre el tiempo de reducción decimal mostrado en el ejemplo 3. Solución: Se utiliza la ecuación (16),

Esterilización

Q10

10 = 10 z

10 10 = 10 ,8

12

= 8,4

Q10 y energía de activación k(T + 5 ) kT2 (donde T2 = T1 + 10) = k(T - 5 ) kT1

De la ecuación (8): Q10 =

y la ecuación (11): kT = Q10 =

 − Ea  RT Ae  2

  

 − Ea  RT Ae  1

  

Q10 = e

 − Ea    Ae  RT  ,

 Ea Ea  − RT1 RT 2  =e

 Ea  10   R  T1 (T1 +10) 

es:

 Ea   =e R

o bien

 1 1  −  T1 T2

log Q10 =

 Ea   =e R

 1 Ea 1   −   T1 T1 +10  = e R

 T1 +10 − T1  Ea    T1 (T1 +10)  = e R

 Ea  10   2,303 R  T1 (T1 + 10) 

  10    T1 (T1 +10) 

(19)

Como conclusión de las relaciones entre los parámetros de procesado térmico, en la tabla 4 se presentan los distintos parámetros indicadores de sensibilidad ante la temperatura.

Vitaminas Enzimas Células vegetativas Esporas microbianas (cepas termo resistentes) Caracteres organolépticos (sabor, color, textura, etc.)

Datos de destrucción térmica D121ºC z (minutos) (ºC) 100 – 1000 72,0 - 12,7

Q10 2,1 - 2,5

Ea (kcal/mol) 20 - 30

1 – 10

11,1 - 37,8

1,5 - 31,0

12 - 100

0,002 - 0,02

11,1 - 13,3

31,0 - 178,0

100 - 120

1–5

5,6 - 11,1

6,5 - 31,0

53 - 83

5 – 500

7,2 - 26,7

1,7 - 2,5

10 - 30

Tabla 4.

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13

Método de cálculo del proceso de esterilización Este método se basa en el uso de la ecuación (16):

FT1 FT2

T2 − T1

= 10

z

para determinar el tiempo de muerte térmica, F, del proceso (tiempo necesario para causar un efecto esterilizante deseado). Es necesario entonces conocer la constante de resistencia térmica z de las esporas bacterianas a eliminar y la curva temperatura versus tiempo del proceso. Para entender el procedimiento de cálculo se hace uso de dos ejemplos. Ejemplo 8: Un proceso térmico de un alimento líquido consta de un calentamiento instantáneo de 30 ºC a 140 ºC seguido de un periodo isotérmico de 6 segundos a dicha temperatura y un enfriamiento instantáneo a 30 ºC. Para el microorganismo a eliminar, ensayos de laboratorio establecen que D121 = 1,1 minutos y z = 11 ºC. El número inicial de microorganismos en el alimento se supone que es 105/g y el mayor envase a utilizar es de 1.000 g. Se desea obtener un proceso que asegure que el deterioro ocurre en cantidades inferiores a un envase por cada 10.000. Determinar la letalidad del proceso y si es necesario modificarlo. Solución: El procediendo debe ser adecuado para reducir la población de 108 microorganismos por envase (105 microorganismos/g * 1.000 g) a 10-4 microorganismos por envase (esto es porque se espera un deterioro de 1 cada 10.000 envases, o sea 1 / 10.000 = 10-4). En síntesis se desea un efecto esterilizante de 12 (recuérdese que el efecto esterilizante establece el número de reducciones decimales en el recuento de esporas bacterianas logrado por un proceso dado de esterilización). Se puede decir entonces que el tiempo de muerte térmica: F121Referencia = 12D121 = 12 * 1,1 minutos = 13.2 minutos = 792 s Esto indica que si el proceso se realizara a 121 ºC se debería mantener 792 s a esa temperatura para lo– grar el efecto deseado. En la figura 5 se muestra el devenir de la temperatura durante el proceso.

Figura 5.

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Como la temperatura del proceso no es 121 ºC, deberá encontrarse mediante la ecuación (16) el tiempo de muerte térmica:

 F121  = 10    F140  Proceso

140 −121 140 −121 z = 10 11 = 53,37

Como F140 Proceso = 6 segundos

Es F121Proceso = 6 * 53,37 = 320,22 segundos T −121 Obsérvese que si se representa velocidad letal ( 10 z ) versus tiempo,

numéricamente igual al área bajo la curva (o sea la integral



F121Proceso

es

T −121 10 z dt ), ver figura 6.

Figura 6. Para lograr el efecto deseado se debe cumplir: Letalidad =

F121Proceso F121Referencia

=1

reemplazando valores: F121Proceso 320,22 Letalidad = = = 0,4043 F121Referencia 792 lo que indica que este proceso no es suficiente para lograr un efecto esterilizante de 12. El proceso deberá ser modificado para que sea F121Proceso = 792 segundos

(20)

Esterilización

15

Como se observa en la figura 6, cada segundo aporta un F121Proceso = 53,37 segundos, por lo que F121Proceso =  6 + 792 − 320,22  = 14,84 segundos. 53,37   Por lo que se deberá modificar el procedimiento aumentando 8,84 segundos a temperatura de 140 ºC. T −121 Es interesante analizar el comportamiento de 10 z con la temperatura (ver figura 7), con z = 10.

Figura 7. T −121 Como surge claramente la velocidad letal ( 10 z ) es significativa por sobre 118 ºC. Para

temperaturas menores a 118 ºC toma valores menores de 0,5. Ejemplo 9: El mismo alimento líquido del ejemplo anterior es sometido a un proceso HTST en una planta piloto. Las temperaturas medidas en distintos tiempos son las siguientes: Tiempo (s) 1.0

Temperatura (ºC) 115.0

3.4

127.0

5.3

135.0

6.5

138.0

8.3

140.0

12.3

140.0

12.9

127.0

14.0

114.0

Tabla 5.

Esterilización

16

Para el microorganismo a eliminar, ensayos de laboratorio establecen que D121 = 1,1 minutos y z = 11 ºC. El número inicial de microorganismos en el alimento se supone que es 105/g y el mayor envase a utilizar es de 1.000 g. Se desea obtener un proceso que asegure que el deterioro ocurre en cantidades inferiores a un envase por cada 10.000. Calcular el tiempo mínimo a temperatura constante que se necesita para alcanzar el resultado deseado. Solución: El procediendo debe ser adecuado para reducir la población de 108 microorganismos por envase a 10-4 microorganismos por envase. Esto quiere decir que desea un efecto esterilizante de 12. Se tienen entonces: F121Referencia = 12D121 = 12 * 1,1 minutos = 13.2 minutos = 792 s Esto indica que si el proceso se realizara a 121 ºC se debería mantener 792 s a esa temperatura para lograr el efecto deseado. En la figura 8 se muestra el devenir de la temperatura durante el proceso.

Figura 8. Como la temperatura del proceso no es 121 ºC deberá encontrarse mediante la siguiente ecuación el tiempo de muerte térmica (recuérdese que el tiempo de muerte térmica es numéricamente igual al área bajo curva velocidad letal, cuando se representa ésta versus tiempo):

F121Proceso = 

t final

T −121 10 z dt

t inicial

La letalidad se deberá calcular entonces por:

(21)

Esterilización

Letalidad =

F121 Proceso F121 Referencia

t final

=

t

17

T −121 10 z dt

inicial

F121 Referencia

=1

(22)

Para poder cuantificar la integral de la ecuación (22), se divide la curva de la figura 8 en tres sectores: 1,0  t  8,3 8,3  t  12,3 12,3  t  14,0

y se ajustan los tramos primero y tercero a una serie de Taylor de orden 3: Y = Y0 + Y0' (X - X0 ) + Y0' ' (X - X0 )2 + Y0' ' ' (X - X0 )3

mediante el procedimiento de mínimos cuadrados. Los resultados se presentan en la tabla 6. Tramo

Ecuaciones Y = Y0 + Y0' (X - X0 ) + Y0' ' (X - X0 )2 + Y0' ' ' (X - X0 )3 Donde: X0 = 1,0

1,0  t  8,3

Y0 = 115,0 Y0' = 5,208 Y0' ' = 0,011 Y0''' = -0,035 R

8,3  t  12,3

2

Y = 140

= 1,0

Y = Y0 + Y0' (X - X0 ) + Y0' ' (X - X0 )2 + Y0' ' ' (X - X0 )3 Donde: X0 = 12,3 12,3  t  14,0

Y0 = 140,0 Y0' = -18,990 Y0' ' = -8,081 Y0''' = 6,032 R

2

= 1,0 Tabla 6.

Con las ecuaciones de cada tramo se construyen las tres primeras columnas de la tabla 7.

Esterilización

Tiempo 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0

Velocidad letal F121Referencia 0,000359600 0,001064368 0,003029011 0,007930513 0,018278804 0,035489080 0,055538814 0,067035957 0,067382566 0,067382566 0,067382566 0,067382566 0,002806968 0,000291683 Letalidad =

Temperatura 115,0 120,2 125,2 129,8 133,8 136,9 139,1 140,0 140,0 140,0 140,0 140,0 124,8 114,0



Tabla 7. Con las columnas uno y tres se hace la figura 9.

Figura 9.

Superficie rectángulos 0,000711984 0,002046690 0,005479762 0,013104659 0,026883942 0,045513947 0,061287385 0,067209261 0,067382566 0,067382566 0,067382566 0,035094767 0,001549325 = 0,461029421

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El área bajo la curva es la letalidad, que de acuerdo a la cuarta columna de la tabla 7 es: Letalidad = 0,461029421 Como cada segundo a temperatura constante de 140,0 aporta 0,067035957 a la letalidad, el tiempo a adicionar a 140,0 ºC es: 1,0 − 0,461029421  tiempo140 ºC = = 8,0 s 0,067035957 O se que el tiempo total a temperatura constante de 140,0 ºC debe ser: tiempo140ºC = 4,0 + 8,0 = 12,0 s.

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Procesado y envasado asépticos El envasado aséptico (a: sin; séptico: que produce putrefacción) de zumos de fruta y bebidas en recipientes individuales se ha hecho muy común en el mercado. Acompañan a esta tendencia leche, productos lácteos, alimentos infantiles y, en otros países, sopas y budines. En general, la calidad del concentrado de tomate y del tomate mejoró mediante el uso de tecnología aséptica. El procesado y envasado asépticos incluyen la esterilización del producto y del envase por separado, seguidos del envasado (llenado y sellado de los envases) en un ambiente esterilizado. El pionero de esta tecnología fue C. Olin Ball que en 1927 desarrolló el proceso HCF (heat, cool, fill o calor, frío, llenado), que incluía la esterilización de los envases vacíos y del alimento por separado. Este proceso se considera el precursor de la actual tecnología aséptica. Los altos costos y problemas de operación de aquel tiempo impidieron que el proceso HCF llegase a tener éxito comercial. Otro método, denominado Avoset, utilizaba un ambiente esterilizado en la zona de envasado mediante lámparas UV y presión de aire positiva (circulación de aire). A finales de la década de los cuarenta del siglo pasado, tuvo lugar un gran desarrollo de la comercialización del proceso aséptico DOLE. Este sistema utilizaba vapor sobrecalentado para esterilizar los envases y tapones metálicos; incluía el uso de intercambiadores de calor tubulares para calentar los productos líquidos, el envasado aséptico en frío del producto esterilizado, seguido de un sellado de los envases en atmósfera de vapor. Entre las aplicaciones del sistema DOLE pueden mencionarse el procesado de sopas, cremas de guisantes, salsas, purés y productos lácteos. En 1958, el desarrollo del envasado aséptico comercial de tambores de 55 galones (213 litros) supuso otro gran avance. Posteriores modificaciones dieron como resultado el Sistema de Envasado FranRica, que actualmente procesa 1.000.000 de tambores anuales en todo el mundo. Hoy se envasan asépticamente recipientes incluso de mayor tamaño, que varían desde 55 hasta 125.000 galones (213 hasta 484.000 litros). Durante la década de los 60 Tetrapak utilizó peróxido de hidrógeno como esterilizante del envase. La forma vertical, llenado y sellado de la unidad Tetrapak se utiliza actualmente en todo el mundo. El material de envase laminado le confiere ciertas propiedades tales como el sellado hermético y la de ser una barrera contra el oxígeno y la luz. El concepto bag in box desarrollado por Scholle Corporation ha reemplazado en el mercado de distribución a los envases en latas metálicas. El tamaño de los envases asépticos varía entre 1 y 500 galones (4 a 1.900 litros). Incluso se han esterilizado y posteriormente llenado, con tomate y derivados de frutas, tanques a granel de hasta 40.000 galones (155.000 litros). La utilización de recipientes poliméricos para el envasado aséptico requiere que la temperatura del producto durante el envasado no sea superior a 32 ºC. La esterilización del envase puede realizarse utilizando peróxido de hidrógeno (oficialmente aceptado por la FDA, Foods and Drugs Administration, en 1981). El nivel de peróxido de hidrógeno residual no debe superar las 0,1 ppm. Los mayores retos tienen lugar al tratar de utilizar la tecnología aséptica para productos particulados de bajo contenido de ácidos. Dado que las partículas de producto se calientan por conducción y que el líquido portador que lo rodea se calienta principalmente por conducción, deben conocerse perfectamente tanto la transmisión de calor como los problemas de flujo que de ello pudieran derivarse.

Componentes del equipo Los componentes básicos de un sistema de procesado y envasado asépticos incluyen: o desaireador o secciones de calentamiento y enfriamiento o tubo isotérmico o de retención. o sistema de envasado

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Desaireador El desaireador es un componente del equipo que expone el producto a vacío, como parte de un sistema de flujo en continuo. El producto debe desairearse para eliminar el oxígeno antes del calentamiento, minimizando de esta manera las reacciones de oxidación que producirían un deterioro de la calidad del producto durante el procesado y almacenamiento.

Secciones de calentamiento y enfriamiento El calentamiento puede realizarse utilizando intercambiadores de calor directo, tales como calentadores por inyección de vapor. El agua añadida al producto debe eliminarse por un enfriamiento “flash”. También se utilizan sistemas de calentamiento y enfriamiento indirectos, que utilizan intercambiadores de calor (tubulares, de placas, de superficie rascada). El calentamiento mediante un sistema indirecto de alimentos que contienen partículas, resulta generalmente en un exceso de procesado del líquido portador, con el fin de asegurar un procesamiento adecuado de las partículas. El sistema APV Júpiter ofrece una alternativa, calentando las partículas y el líquido por separados; este sistema no ha tenido aceptación comercial. La sección de calentamiento por sí sola no es suficiente para alcanzar la letalidad necesaria, por lo que debe utilizarse posteriormente un tubo isotermo para aumentar el tiempo de retención a elevada temperatura (para satisfacer las necesidades temperatura / tiempo del procesamiento).

Tubo isotermo o de retención Es un componente muy importante del sistema de procesamiento aséptico. Aunque la letalidad es la suma de la producida en las secciones de calentamiento, isoterma y enfriamiento, la FDA considera solamente la letalidad producida en la sección isoterma. Por ello, el diseño del tubo de retención es crucial para alcanzar un procesado térmico uniforme y suficiente para alcanzar la letalidad necesaria. Algunos de los requisitos que deben cumplir su diseño son los siguientes: 1. el tubo debe estar inclinado hacia arriba un mínimo de 0,25 pulgadas por cada pié (2,1 cm por metro), con el fin de eliminar posibles bolsas de aire y permitir el drenaje y posterior limpieza del sistema 2. la superficie interior del tubo debe ser lisa 3. no puede existir calentamiento del producto a lo largo del tubo 4. el tubo debe ser fácilmente desmontable para su inspección 5. el diseño debe prevenir cambios en las dimensiones del tubo durante el montaje 6. el tubo no debe ser expuesto a condensados ni corriente de aire frío 7. la presión en el interior del tubo debe ser superior a la presión de vapor del líquido, con el fin de prevenir la ebullición o la rápida vaporización del producto 8. deben existir sensores de temperatura y dispositivos de control tanto a la entrada como a la salida del tubo.

Sistema de envasado Existen numerosos sistemas para el envasado aséptico de alimentos procesados. Las diferencias residen principalmente en el tamaño, la forma y el material utilizado para los envases. El componente clave en todo sistema de envasado aséptico es el diseño del espacio donde se introduce el producto en el envase. Este espacio debe esterilizarse de tal manera que prevenga la contaminación del producto después del procesado y durante el llenado del envase. Como ejemplo de esta tecnología se presenta la producción de leche larga vida.

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Producción de leche larga vida Como ejemplo del proceso de esterilización se estudia la producción de leche larga vida. Sin embargo los principios son generales y pueden ser aplicados a otros procesos. Se usan dos métodos para la producción de leche de vida larga: • Esterilización en recipiente, donde el producto y el contenedor (recipiente) son calentados a aproximadamente 116 °C durante unos 20 minutos. El almacenamiento se efectúa a temperatura ambiente. • Ultra alta temperatura (UHT) tratamiento con el producto calentado a 135 – 150 °C por 4 - 15 segundos seguido por envasado aséptico en cajas que protegen el producto contra la luz y el oxígeno atmosférico. Almacenamiento a temperatura ambiente.

Esterilización en recipiente Se usan dos procesos para esterilización de botellas o latas: procesamiento en lotes y sistemas de procesamiento continuo. • Procesamiento en lotes (batch) en autoclaves, figura 10, que pueden ser operados en tres formas: • Recipientes apilados en la autoclave. • En una jaula que puede ser rotada dentro del autoclave. • En una autoclave rotatoria. Esta última forma de operar tiene la ventaja de una penetración más rápida del calor y una mayor uniformidad de tratamiento. Para llevar a cabo el proceso de esterilización en autoclave, la leche es normalmente precalentada a unos 80 ºC y luego transferida a botellas limpias y calientes. Las botellas son tapadas, ubicadas en el autoclave y esterilizadas, normalmente a 110 – 120 ºC por 15 – 40 minutos. El lote es luego enfriado y la autoclave llenada con un nuevo batch. El principio es el mismo para latas. La esterilización batch en autoclaves es una técnica usada más a menudo para alimentos sólidos enlatados que para productos líquidos. El hecho que la esterilización tome lugar luego que el producto es embotellado o enlatado, tiene la ventaja de no requerir procesamiento aséptico, pero hay que usar materiales para el envase resistentes al calor. • Sistemas de procesamiento continuo, preferidos cuando deben producirse más de 10.000 unidades diarias. Existen dos tipos principales de maquinarias que trabajan de esta manera: torres hidrostáticas verticales y esterilizadores horizontales. • Torres hidrostáticas verticales. Este tipo de esterilizadores, a menudo referidas como torres de esterilización, figura 11, consiste básicamente en una cámara central mantenida a temperatura de esterilización por medio de vapor a presión, contrabalanceada en la entrada y descarga por columnas de agua que proveen de una presión equivalente. El agua del lado de la entrada es caliente y la del lado de la salida es fría, ambas a temperaturas que permitan un mayor intercambio de calor y que eviten la rotura por choque térmico del vidrio de las botellas. En las torres hidrostáticas los contenedores de la leche son transportados lentamente a través de las zonas de calentamiento y enfriamiento. Las

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zonas son dimensionadas para corresponder a los requerimientos de tiempo necesarios en las diversas etapas del tratamiento. En muchos casos la leche es tratada previamente en una planta de preesterilización, similar a una planta UHT. La leche es calentada a 135 ºC o más por unos pocos segundos y luego enfriada a 30 – 70 ºC (dependiendo del material de la botella; como regla las botellas plásticas requieren menor temperatura). La leche es transferida a botellas calientes y limpias antes de ser tratadas en las torres hidrostáticas. La pre-esterilización no necesita ser tan intensa como la etapa de esterilización ya que su único propósito es disminuir el número de esporas y así reducir el tiempo de procesamiento necesario en la torre de esterilización. El ciclo completo de tiempo de este esterilizador es aproximadamente de una hora, que incluyen 20 a 30 minutos de pasaje a través de la sección de esterilización a temperatura de entre 115 a 125 ºC. Las torres hidrostáticas verticales son apropiadas para el rango de tratamiento de 2.000 unidades (de 0,5 litros) por hora hasta 16.000 unidades (de 1 litro) por hora. Se pueden usar botellas de plástico o de vidrio.

•

Esterilizadores horizontales. Es una máquina de relativamente baja altura, figura 12, provisto de un sellado con una válvula rotatoria a través de la cual los contenedores llenos son introducidos a una zona de relativamente alta presión / alta temperatura donde son sometidos a temperaturas de esterilización del orden de 132 a 140 ºC durante 10 a 12 minutos. Con un tiempo total del ciclo de 30 a 35 minutos, se pueden lograr capacidades de 12.000 unidades por hora. El esterilizador horizontal puede ser utilizado para esterilizar tanto botellas de plástico y de vidrio como así también contenedores de film plástico flexible y laminados plásticos

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Tratamiento UHT En una moderna planta UHT la leche es bombeada a través de un sistema cerrado, donde es precalentada, tratada a elevada temperatura, homogeneizada, enfriada y envasada asépticamente. Productos líquidos de baja acidez (pH > 4,5; para el caso de la leche pH > 6,5) son normalmente tratados a 135 – 150 ºC por unos pocos segundos, por calentamiento indirecto o por calentamiento directo mediante inyección o infusión de vapor. Productos de elevada acidez (pH < 4,5) tales como jugos, son normalmente calentados a 90 – 95 ºC durante 15 – 30 segundos. Todas las partes del sistema aguas abajo de la esterilización son de diseño aséptico para eliminar el riesgo de re-infección. Comparado con la esterilización tradicional en torres hidrostáticas, el tratamiento UHT de leche ahorra tiempo, trabajo, energía y espacio. El proceso UHT es un proceso rápido que tiene mucho menos efecto sobre el flavor de la leche. Sin embargo consumidores regulares de leche esterilizada en autoclave, acostumbrados al flavor “cocinado” o “caramelo” , pueden encontrar el producto tratado UHT como “desabrido”, “sin gusto”.

El proceso UHT UHT es una técnica para preservar productos alimenticios líquidos por exposición breve e intensiva al calor. Este tratamiento destruye los microorganismos en el producto. Es útil mientras se mantenga el producto bajo condiciones asépticas, por lo que es necesario prevenir re-infecciones empacando el producto después del tratamiento térmico bajo condiciones asépticas y en envases de materiales previamente esterilizados. Todo almacenamiento intermedio entre el tratamiento térmico y el envasado debe realizarse bajo condiciones asépticas. Por todo lo anterior el procesamiento UHT es llamado procesamiento aséptico.

Desarrollo del proceso UHT Luis Pasteur llevó a cabo experiencias sobre esterilización de leche en botellas, pero no fue hasta alrededor de 1960 (cuando estuvieron comercialmente disponibles las tecnologías de llenado y

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procesado asépticos) que el moderno desarrollo del proceso UHT comenzó. Leche y otros alimentos líquidos tratados UHT son ahora aceptados a lo ancho del mundo pero ello no fue siempre así. La primera planta UHT operaba con el principio de inyección directa de vapor. Comparadas con las plantas de esterilización en contenedores, las nuevas plantas UHT ganaron rápidamente reputación para producir un excelente flavor. Las primeras plantas con calentamiento indirecto fueron recién introducidas en el mercado unos diez años más tarde. Se han realizado intensos esfuerzos en investigación y desarrollo sobre esta temática desde que se introdujo el proceso UHT. Hoy las plantas entregan productos con color y valores nutricionales prácticamente inalterados.

Plantas UHT El tratamiento UHT es un proceso continuo y por ello su aplicación está limitada a productos que pueden ser bombeados. El procedimiento puede ser aplicado a un amplio rango de productos lácteos y alimentos otros alimentos (tabla 6). La lista mostrada no es exhaustiva; muchos otros productos alimenticios líquidos serán probablemente de gran interés en el futuro. Las plantas UHT están diseñadas normalmente en forma flexible para permitir el procesamiento de un amplio rango de productos en la misma planta. Este tipo de instalaciones podría procesar sin problemas productos de baja acidez (pH > 4,5) y productos de alta acidez (pH < 4,5). Son sin embargo sólo los primeros son los que requieren tratamiento UHT para hacerlos comercialmente estériles. Las esporas no pueden desarrollar en productos de elevada acidez y el tratamiento térmico es realizado en estos casos sólo para destruir mohos y levaduras. Normalmente una pasteurización a elevada temperatura (90 – 95 ºC por 15 – 30 segundos) es suficiente para hacer los productos de elevada acidez comercialmente estériles. • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Productos normalmente tratados UHT Leche líquida fresca y recombinada. Leche concentrada. Crema de leche. Leche saborizada. Productos de leche fermentados (yogur, suero de leche, etc). Tragos basados en suero de leche. Ingredientes para helados. Postres (flanes y budines). Tragos de proteínas. Tragos de soja. Alimentos para bebés. Jugos de frutas y vegetales. Bebidas tales como té y café. Coberturas y cremas basadas en grasa vegetal. Sopas. Salsas. Purés. Aliños. Tabla 1.

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Las plantas UHT están totalmente automatizadas. Los aspectos de seguridad deben ser considerados muy importantes en el diseño de una planta UHT. Debe eliminarse todo riesgo de suministrar productos no esterilizados a la máquina de llenado aséptico. El programa de control debe proveer seguridad contra errores de operación y manejo del proceso. Debería, por ejemplo, ser imposible comenzar la producción si la planta no ha sido pre-esterilizada. Todas las secuencias relacionadas en el arranque, corrida y limpieza de la planta son iniciadas desde un panel de control, el cual contiene todos los equipos necesarios para el control, monitoreo y grabación del proceso.

Diversos sistemas UHT Existen dos tipos principales de sistemas UHT en el mercado. • En los sistemas directos el producto se pone inicialmente en contacto con el medio de calentamiento, seguidamente se realiza un enfriamiento flash en un recipiente al vacío y eventualmente enfriamiento indirecto hasta temperatura de envasado. Los sistemas directos se dividen en: • Sistemas de inyección de vapor (vapor inyectado en el producto por medio de una tobera, figura 13). • Sistemas de infusión de vapor (producto introducido dentro de un recipiente lleno de vapor, figura 14). • En los sistemas indirectos el calor es transferido desde el medio calefactor a través de una pared. Los sistemas indirectos pueden basarse en: • Intercambiadores de placas. • Intercambiadores tubulares. • Intercambiadores de superficie raspada, figura 15. Aún más, es posible combinar los intercambiadores de calor en los sistemas de calentamiento indirecto de acuerdo a los requerimientos del producto o del proceso.

Fases de Operación de la UHT Estas fases de operación son comunes a todos los sistemas: • Pre-esterilización. Antes de comenzar la producción la planta debe ser pre-esterilizada para prevenir re-infecciones del producto tratado. Esta operación comprende: • Esterilización con agua caliente a la misma temperatura a la que será sometido el producto. El tiempo mínimo de esterilización con agua calientes es de 30 minutos a partir del momento que la temperatura pertinente ha sido alcanzada en la totalidad de las partes asépticas de la planta. • Enfriamiento de la planta a las condiciones requeridas para la producción. • Limpieza intermedia aséptica (AIC) La limpieza intermedia aséptica es una herramienta útil en casos donde una planta es usada en corridas de producción muy largas. Una AIC de 30 minutos puede llevarse a cabo siempre que sea necesario remover obstrucciones en la línea de producción sin perder las condiciones asépticas. La planta no deber ser re-esterilizada después de una AIC. Este método ahorra pérdidas de tiempo y permite corridas de producción más largas. • Ciclo de limpieza in situ CIP.

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El ciclo completo CIP (cleaning in place) toma unos 70 a 90 minutos y es normalmente llevado a cabo inmediatamente después de la producción. El ciclo de limpieza CIP para plantas UHT directas o indirectas comprende secuencias para preenjuague, limpieza cáustica, enjuague con agua caliente, limpieza ácida y enjuague final, todas controladas automáticamente de acuerdo a un programa preestablecido. El programa CIP debe ser optimizado para las diferentes condiciones de operación en diferentes lecherías. Producción. Las fases de producción varían de acuerdo a los diferentes procesos y se describen a continuación:

Planta UHT directa basada en inyección de vapor e intercambiador de calor de placas

En el diagrama de flujo de la figura 16, el producto con una temperatura de alrededor de 4 ºC es abastecida desde el tanque pulmón (1a) e impulsada por la bomba (2) hacia la sección de pre calentamiento del intercambiador de placas (3). Luego de precalentar hasta aproximadamente 80 ºC, la presión del producto es incrementada a alrededor de 4 bar por la bomba (4) y es enviado hacia la tobera de inyección de vapor (5). El vapor instantáneamente aumenta la temperatura del producto hasta aproximadamente 140 ºC (la presión de 4 bar previene la ebullición del producto). En el tubo de retención (6) el producto es mantenido unos pocos segundos a temperatura UHT antes de su enfriamiento flash en la cámara de expansión (7) que está equipada con un condensador. El vacío parcial es mantenido por una bomba (8) y está controlado a un valor tal que el vapor eliminado del producto iguale la cantidad previamente inyectada. Una bomba centrífuga (9) alimenta el producto

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tratado UHT a un homogenizador de dos etapas (10). Posteriormente el producto es enfriado a aproximadamente 20 ºC en el intercambiador de placas (3) y luego continúa directamente hacia una máquina de llenado aséptico (12) o hacia un tanque aséptico (11) para almacenamiento intermedio antes de ser envasado. El agua de enfriamiento, alimentada desde el tanque 1b, es utilizada para el condensador de la cámara de expansión. Luego de ser pasada por una inyección de vapor es utilizada como medio de pre calentamiento en el intercambiador de placas. La temperatura del agua cae hasta aproximadamente 11 ºC y es entonces usada para enfriar el producto que proviene del homogenizador. En caso de que la temperatura caiga durante la producción, el producto es enfriado y re direccionado hacia un tanque de rechazo; simultáneamente la planta es inundada con agua. Posteriormente al enjuague con agua, la planta es limpiada (CIP) y esterilizada previamente a restablecer la producción. Plantas que usan esta tecnología, son apropiadas para capacidades de 2.000 a 30.000 l/h.

Planta UHT directa basada en inyección de vapor e intercambiador de calor tubular

Como una alternativa al diseño anterior, figura 17, el intercambiador de calor de placas puede ser reemplazado por intercambiadores de calor tubulares cuando se procesan productos de viscosidad media o baja, con o sin partículas o fibras. La leche con una temperatura de alrededor de 4 ºC es dirigida a un intercambiador tubular (3) para calentarla hasta aproximadamente 95 ºC (en las secciones 3a y 3c). Después de mantenerla en (4a) para estabilizar las proteínas, la leche es calentada indirectamente (3d). La inyección de vapor instantáneamente aumenta la temperatura hasta 140 – 150 ºC. La leche es mantenida por pocos segundos a esta temperatura (4b) antes de ser enfriada. El pre enfriamiento es

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llevado a cabo en el intercambiador de calor tubular (3e) donde el agua se calienta recuperando y economizando energía. El vapor inyectado es flasheado y eliminado en la cámara de expansión (6), donde la temperatura de la leche cae a 80 ºC. El sistema de pre enfriamiento previo a la evaporación flash mejora la economía térmica y minimiza las pérdidas de aroma. Luego de la homogenización aséptica (8), la leche es enfriada regenerativamente (3f) a temperatura de envasado (aproximadamente 20 ºC) y conducida dentro de un tanque aséptico para almacenamiento intermedio antes de ser asépticamente envasada. El medio de calentamiento y enfriamiento circula en un circuito cerrado de agua. Se inyectan pequeñas cantidades de vapor para adicionar la energía requerida durante la producción normal. Si ocurre una caída de la temperatura durante la producción, el producto es re direccionado hacia un tanque de rechazo. La planta debe ser limpiada y esterilizada previo a restablecer la producción.

Planta UHT directa basada en infusión de vapor Este sistema difiere del de inyección de vapor principalmente en la manera de poner en contacto el vapor y la leche. El principio básico de la infusión de vapor es calentar el producto pasándolo a través de una atmósfera de vapor, como se muestra en la figura 14. Para que la velocidad de transferencia de calor no varíe, el sistema para diseminar el producto debe lograr un tamaño de gotitas de leche uniforme. Aparte del sistema de infusión, el proceso es similar al de inyección de vapor.

Planta UHT indirecta basada en intercambiadores de calor de placas Este tipo de plantas se construye para capacidades superiores a 30.000 l/h. Un diagrama de flujo típico se muestra en la figura 18.

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El producto a alrededor de 4 ºC es bombeado desde el tanque pulmón hacia la sección regenerativa del intercambiador de calor de placas (3). En esta sección el producto es calentado a alrededor de 75 ºC por la lecha ya tratada UHT, la que al mismo tiempo es enfriada. El producto pre calentado es luego homogenizado (4) a una presión de 18 – 25 MPa (180 – 250 bar). La homogenización previa al tratamiento UHT es posible en plantas indirectas, lo que significa que pueden utilizarse homogenizadores no asépticos. De todas maneras, si se quiere mejorar la textura y la estabilidad física de ciertos productos como la crema, es preferible utilizar un homogenizador aséptico aguas abajo. El producto precalentado y homogenizado continúa hacia la sección de calentamiento del intercambiador de calor de placas, donde es calentado a alrededor de 137 ºC. El medio calefactor es un circuito cerrado de agua caliente, con la temperatura regulada por la inyección de vapor (5). Después de calentado, el producto pasa a través del tubo de retención (6), dimensionado para 4 segundos. Finalmente el enfriamiento es llevado a cabo regenerativamente en dos secuencias. El producto que deja el enfriamiento regenerativo continúa directamente a envasado aséptico o a un tanque aséptico para almacenamiento intermedio. Como siempre, si ocurre una caída de la temperatura durante la producción, el producto es re direccionado hacia un tanque de rechazo. La planta deberá ser limpiada y esterilizada previo a restablecer la producción.

Planta UHT indirecta basada en intercambiadores de calor tubulares

Un sistema UHT es elegido para tratamiento de productos de viscosidad baja o media que puede o no contener partículas o fibras. El término viscosidad media es un concepto difuso ya que la viscosidad puede variar dependiendo del material base, los aditivos y tratamiento mecánico.

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Son ejemplos de productos de viscosidad media posibles de tratar: sopas, algunos tipos de postres y productos derivados de tomate, de frutas y de vegetales. Los sistemas tubulares son utilizados frecuentemente cuando se requieren tiempos de procesamiento más prolongados para productos lácteos. El principio de funcionamiento mostrado en la figura 19, no difiere mucho de la planta UHT con intercambiadores de calor de placas descrito anteriormente. Se pueden construir plantas que operan con este sistema con capacidades desde 1.000 a 30.000 l/h. Los intercambiadores de calor tubulares, figura 20, están constituidos por un número de tubos montados dentro de un módulo y que pueden ser conectaos en serie y/o paralelo para ofrecer un sistema completamente optimizado de enfriamiento o calentamiento. Como se dijo anteriormente, si ocurre una caída de la temperatura durante la producción, el producto es re direccionado hacia un tanque de rechazo. La planta deberá ser limpiada y esterilizada previo a restablecer la producción normal.

Planta UHT indirecta basada en intercambiadores de superficie raspada Los intercambiadores de calor de superficie raspada son los más apropiados para alimentos de elevada viscosidad. En la figura 21 se muestra un diagrama de flujo típico. Debido a que productos con elevada viscosidad presentan una amplia variación de sus propiedades físicas no pueden establecerse programas de control de temperaturas o capacidades horarias. El producto es bombeado desde un tanque (1) por una bomba (2) hacia el primer equipo de superficie raspada (3a). Se pueden utilizar una etapa adicional de calentamiento (3b) para elevar la temperatura del producto al valor deseado. Se colocan monitores en las diferentes etapas del proceso para chequear si esas temperaturas han sido alcanzadas. El tubo de retención (4) mantiene el producto a la temperatura requerida por un periodo de tiempo pre determinado. El producto es enfriado con agua (3c y 3d) y llevado a temperatura de envasamiento con agua muy fría. Finalmente, el producto enfriado es bombeado a un tanque pulmón aséptico (6), que provee un volumen buffer entre la línea de procesamiento continua y el sistema de envasado. Si existen problemas de lograr los valores pre establecidos, automáticamente se abre una válvula de retorno que envía el producto hacia un tanque de rechazo.

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Envasado aséptico El envasado aséptico es un procedimiento consistente en: esterilización del material del envase o contenedor, llenado con un producto comercial estéril (procesado UHT) en un ambiente estéril y cerrado hermético de los envases para prevenir recontaminación. Para productos larga vida no refrigerados, el envase debe también proporcionar completa protección contra la luz y el oxígeno atmosférico. Una caja de leche larga vida debe por lo tanto estar provista con una delgada capa de aluminio, colocada entre capas de polietileno. El término aséptico implica la ausencia o exclusión de cualquier organismo del producto, envase u otras áreas específicas, mientras que el término hermético es utilizado para indicar propiedades mecánicas apropiadas para excluir la entrada de bacterias dentro del envase o más estrictamente prevenir el pasaje de microorganismos y la difusión de gas o vapor hacia dentro del recipiente contenedor.

Bibliografía • • •

Dairy processing handbook. Publisher: Tetra Pak Processing Systems AB, S-221 86 Lund, Sweden. Text: Gösta Bylund, M.Sc. (Dairy Techn.). Editor: Teknotext AB. Illustrations: Origrit AB. Cover: Torkel Döhmers. Printer: LP Grafiska AB. Printed in 1995. Introducción a la ingeniería de los alimentos. R. Paul Singh and Dennis R. Heldman. Editorial Acribia, S. A. Zaragoza (España). 1998. Sterilization of Food in Retort Pouches (Food Engineering Series). A.G. Abdul Ghani Al-Baali and Mohammed M. Farid. Springer; 2006 edition (October 9, 2006).