Procesamiento térmico 17

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17.1 Introducción

La aplicación industrial de la conservación de alimentos por calor comenzó con el trabajo del inventor francés Nicolas Appert (1749-1841), quien demostró por primera vez que la conservación a largo plazo de diferentes tipos de alimentos se puede lograr calentando los alimentos durante mucho tiempo (muchas horas) en recipientes herméticamente cerrados. El origen microbiano del deterioro de los alimentos y la relación entre la destrucción térmica de los microorganismos y la conservación de los alimentos fueron demostrados más tarde por Louis Pasteur (químico y biólogo francés, 1822-1895). El estudio cuantitativo de los aspectos cinéticos del procesamiento térmico (termomicrobiología) comenzó a principios del siglo XX y pronto se convirtió en un área activa de investigación. Hoy en día, el conocimiento de las leyes de la transferencia de calor, combinado con la termomicrobiología, constituye la base para el diseño racional de procesos térmicos ( Ball y Olson, 1957 ; Leland y Robertson, 1985 ; Holdsworth, 1997 ; Lewis y Heppel, 2000). En función de su intensidad, los procesos de conservación térmica se clasifican en dos categorías:

1.Pasteurización: procesamiento térmico a una temperatura relativamente suave (digamos 70-100 °C). La pasteurización destruye las células vegetativas de los microorganismos, pero casi no tiene efecto sobre las esporas.

2.Esterilización: procesamiento térmico a alta temperatura (por encima de 100 °C) con el objetivo de destruir todas las formas de microorganismos, incluidas las esporas.

La esterilización por sí sola proporciona la conservación a largo plazo de los alimentos, con la condición de que se evite la recontaminación mediante un embalaje adecuado. La pasteurización, por otro lado, proporciona solo estabilidad a corto plazo o requiere factores de conservación adicionales (obstáculos) como refrigeración o pH bajo para una efectividad a largo plazo. A continuación se presentan algunos casos en los que la pasteurización da resultados satisfactorios:

1. El objetivo del proceso es destruir patógenos no formadores de esporas (por ejemplo, Myco bacterium tuberculosis , Salmonella, Listeria etc. en la leche, Salmonella en el huevo líquido)

2. El producto está destinado al consumo poco tiempo después de su producción y se distribuye en refrigeración (productos lácteos pasteurizados, comidas listas para el consumo preparadas mediante tecnologías de cocción y refrigeración).

3. La acidez del producto es lo suficientemente alta (pH 4,6) para evitar el crecimiento de patógenos formadores de esporas, en particular Clostridium botulinum (jugos de frutas, frutas enlatadas, encurtidos) 4. El objetivo del proceso es evitar la fermentación «salvaje» y/o detener la fermentación (vino, cerveza).

Además de la pasteurización y la esterilización, el escaldado puede considerarse un tratamiento térmico suave, cuyo objetivo principal es inactivar las enzimas. Se aplica principalmente como paso en la preparación de verduras antes de su enlatado, congelación o dehy dration. El escaldado se lleva a cabo sumergiendo las verduras en agua caliente o exponiéndolas al vapor abierto. Aunque su objetivo principal es inactivar ciertas enzimas, el blanqueo tiene efectos deseables adicionales como realzar el color, expulsar el aire del tejido y limpiar la superficie. El proceso de escaldado ha sido revisado en detalle por Selman (1987).

El diseño racional de un proceso térmico requiere datos de dos áreas: la cinturología de la inactivación térmica (destrucción térmica, muerte térmica) y la distribución de la función tiempo-temperatura dentro de la masa del material (transferencia de calor, penetración de calor). La primera parte de este capítulo trata de la cinética de la inactivación térmica. La segunda parte trata de la penetración del calor. La combinación de los dos conjuntos de datos para el diseño de procesos térmicos es el tema de la tercera parte.

17.2 La cinética de la inactivación térmica de microorganismos y enzimas

17.2.1 El concepto de tiempo de reducción decimal

Si una suspensión de células (células vegetativas o esporas) de un determinado microorganismo se calienta por encima de una cierta temperatura, se produce la muerte del microorganismo, es decir, el número de células vivas se reduce gradualmente. Las temperaturas a las que se produce tal destrucción se denominan 'temperaturas letales'.

La experiencia demuestra que cuando una suspensión homogénea de células se mantiene a una temperatura letal constante, la disminución del número de células vivas con el tiempo es casi logarítmica. Esta relación fue demostrada por primera vez por Viljoen (1926) en un experimento ya clásico con esporas bacterianas. Tales observaciones condujeron al desarrollo de un modelo cinético de primer orden para la destrucción térmica de microorganismos. Si N es el número de celdas supervivientes en el tiempo t, el modelo de primer orden se escribe de la siguiente manera:

Figura 17.1 D El modelo log-lineal de la reducción térmica de microorganismos

El tiempo de reducción decimal D: se defi ne como la duración (generalmente en minutos) del tiempo de calentamiento a una temperatura letal constante requerida para la reducción del número de células vivas en un factor de 10 (es decir, en un factor logarítmico). De ello se deduce que:

La figura 17.1 es una representación gráfica del modelo de reducción logarítmica. El tiempo de reducción decimal depende del microorganismo, la temperatura y el medio (pH, potencial redox, composición).

De acuerdo con el modelo de destrucción de primer orden, nunca se puede lograr la esterilidad completa (N 0). Por lo tanto, el concepto de «esterilidad comercial» se defi ne convencionalmente como objetivo de la esterilización térmica práctica. (Véase 17.2.3 a continuación).

El modelo cinético de muerte térmica de microorganismos también se aplica a la inactivación térmica de enzimas.

Es importante subrayar que el modelo de la cinética de primer orden de la destrucción térmica de los microorganismos no se basa en ningún mecanismo biológico conocido de muerte térmica de las células. El modelo simplemente proporciona una de las muchas expresiones de ajuste de curvas posibles para representar los resultados experimentales observados. Por ejemplo, Peleg (2006) propone la siguiente expresión como posible modelo cinético (weiboleano), que requiere dos parámetros a y b, y elimina el concepto de «tiempo de reducción decimal»:

El modelo log-lineal es notablemente simple y se ajusta bastante bien a los resultados experimentales, sobre todo si el número de supervivientes sigue siendo «contable». Sin embargo, las desviaciones del comportamiento logarítmico-lineal formal se observan aparentemente con tanta frecuencia que algunos investigadores afirman que el modelo es «la excepción más que la regla» ( Peleg, 2006 ). Conceptualmente, el modelo log-lineal es incapaz de explicar por qué algunas de las células mueren y otras no cuando se exponen a la misma temperatura durante el mismo período de tiempo. Claramente, la consideración de una ' distribución de resistencia térmica ' en la población debe tenerse en cuenta en la construcción del modelo cinético de inactivación térmica. A pesar de la existencia de modelos más avanzados ( Peleg, 2006 ; Corradini y Peleg, 2007 ), el enfoque de « primer orden » es, por el momento, la principal vía utilizada en la práctica para el diseño y la evaluación de procesos térmicos.

Figura 17.2 Conformidad con el modelo de reducción log-lineal.

EJEMPLO 17.1

Una suspensión de esporas bacterianas que contiene 160 000 esporas por ml se calienta a 110 °C. El número de supervivientes se determina en muestras extraídas cada 10 minutos. Los resultados son:

Suponiendo la cinética de ' primer orden ', calcule el tiempo de reducción decimal.

Solución: Log N se traza contra el tiempo de calentamiento t. Se observa una buena concordancia con la teoría del primer orden, dentro del rango de los datos. El tiempo de reducción decimal se determina a partir de la curva ( Figura 17.2 ). El resultado es: D 13.4 min. (Nota: Los datos se leyeron del informe histórico de Viljoen).

17.2.2 Efecto de la temperatura sobre la tasa de destrucción/inactivación térmica

Dentro del rango de temperaturas letales, la velocidad de destrucción se acelera (D se acorta) al aumentar la temperatura. Los experimentos muestran una relación casi lineal entre el logaritmo de D y la temperatura ( Figura 17.3 ).

Figura 17.3 Efecto de la temperatura sobre D

donde D 1 y D 2 son el tiempo de reducción decimal a temperaturas T 1 y T 2 respectivamente.

El valor z se defi ne como el incremento de temperatura necesario para una aceleración diez veces mayor de la tasa de destrucción térmica (es decir, para acortar D en un factor de 10). Para muchas bacterias formadoras de esporas de interés en el procesamiento de alimentos, z 8–12 °C.

La relación logarítmica entre la tasa de inactivación térmica y la temperatura está de acuerdo con el modelo de Arrhenius para el efecto de la temperatura en la velocidad de las reacciones químicas, expresada como la siguiente ecuación:

donde:

k 1 , k 2 constantes de velocidad a temperaturas absolutas T 1 y T 2 respectivamente.

E energía de activación.

R constante de gas universal 8,31 J/ mol*K .

La energía de activación E (véase el Capítulo 4) representa la sensibilidad de la velocidad de reacción a la temperatura, del mismo modo que el valor z indica la sensibilidad de la tasa de inactivación térmica a la temperatura. La relación cuantitativa entre E y z viene dada por:

Si las temperaturas absolutas no están demasiado separadas, se puede escribir:

Tm es la temperatura absoluta media. Una vez más, es importante subrayar que la « energía de activación » para la destrucción térmica de las células no tiene significación molecular. Con esta advertencia en mente, es interesante observar el valor z y la correspondiente ' energía de activación ' de diferentes efectos térmicos ( Tabla 17.1 ).

EJEMPLO 17.2

En un experimento de laboratorio, se descubrió que calentar una suspensión de esporas a 120 ° C durante 100 segundos da como resultado una muerte de 9 log de las esporas. Para lograr la misma reducción a 110° C, se necesitan 27,5 segundos. Calcular el tiempo de reducción decimal a las dos temperaturas, el valor z, la energía de activación y el Q 10 del proceso de inactivación térmica a estas temperaturas.

Solución: El tiempo de reducción decimal a las dos temperaturas:

El valor z se calcula a partir de la Ec. (17.5):

La energía de activación E se calcula a partir de la Ec. (17.7):

El valor de Q 10 se encuentra aplicando la Ec. (4.13) (Capítulo 4):

17.3 Letalidad de los procesos térmicos

De la discusión anterior se puede concluir que la misma 'letalidad', es decir, la misma reducción en el número de microorganismos, se puede lograr bajo diferentes combinaciones de tiempo y temperatura. Con el fin de comparar diferentes procesos en cuanto a su letalidad, el concepto de «valor F» está defi nido. El «valor F» es la duración (en minutos) necesaria para alcanzar una relación de reducción determinada en el número de microorganismos a una temperatura constante dada. De ello se deduce que:

Si, por ejemplo, se especifica log (N 0 /N)=12, entonces F=12D. Para la esterilidad comercial en alimentos de baja acidez, se suelen especificar procesos de reducción de 12 logaritmos o 12D ( Pfl ug y Odlaug, 1978 ). La consecuencia práctica de un proceso de reducción de 12 logaritmos es que si el alimento contiene originalmente 10^3 esporas del microorganismo objetivo por gramo, contendrá 10^-9 esporas por gramo después del procesamiento. Si el alimento se envasa en unidades de 500 g cada una, una de cada dos millones de latas contendrá una espora viable. Este cálculo « determinista » es evidentemente una simplificación excesiva. Los métodos más sofisticados para evaluar el riesgo de deterioro de los alimentos procesados térmicamente tienen en cuenta algunos de los factores que el método simplificado no tiene en cuenta. Consideremos un proceso térmico durante el cual la temperatura T del producto varía de acuerdo con un perfil de tiempo-temperatura conocido, T=f(t). Se logra una cierta relación de reducción logarítmica log(N 0 /N). Nos gustaría calcular la duración en minutos (el valor F) de un proceso ' equivalente ' a una temperatura constante dada (temperatura de referencia R) que daría como resultado la misma relación de reducción. El cálculo requiere la especificación de la temperatura de referencia R y el conocimiento del valor z del microorganismo considerado. El valor F del proceso equivalente es:

Para los procesos de esterilización térmica, la temperatura de referencia estándar R es de 250 °F o 121 °C y el valor z estándar es de 18 °F o 10 °C. Los índices R y z se omiten por conveniencia y la F estándar se escribe como F 0 . Entonces:

El valor F 0 de cualquier proceso de esterilización térmica es el número de minutos de calentamiento a 121 ° C necesarios para lograr la misma relación de destrucción térmica de un microorganismo objetivo especificado. Con toda la reserva expresada con respecto a los modelos formales utilizados como base para su defi nición, el concepto F 0 es útil para comparar procesos térmicos con diferentes perfiles de tiempo-temperatura y para especificar las condiciones de procesamiento térmico recomendadas para productos comerciales. El cálculo de F 0 implica calcular la integral en la Ec. (17.11), basándose en el perfil tiempo-temperatura del proceso. Este perfil se obtiene de forma experimental o se calcula de acuerdo con la teoría de la transferencia de calor.

EJEMPLO 17.3

Para la esterilización de la leche, se recomienda un tratamiento térmico de 2 segundos a 131 °C. Calcule el valor F 0 del proceso.

Solución: Se aplica la ecuación (17.11):

EJEMPLO 17.4

Para la evaluación de los procesos de pasteurización, se recomienda utilizar un valor F basado en una temperatura de referencia de 70 °C y un valor z de 7 °C ( Bimbenet et al., 2002 ). Para la evaluación de los procesos de cocción y otros cambios químicos que se producen durante el procesamiento térmico (por ejemplo, destrucción de vitaminas), la temperatura de referencia recomendada es de 100 °C y z de 30 °C. Calcular el «valor de pasteurización» y el «valor de cocción» de los siguientes procesos a temperatura constante:

Solución: Para procesos a temperatura constante, la Ec. (17.10) se reduce a:

La sustitución de los datos da:

17.4 Optimización de los procesos térmicos con respecto a la calidad

La optimización de los procesos térmicos con respecto a la calidad de los alimentos significa la búsqueda de condiciones de procesamiento que proporcionen la conservación requerida, con la menor cantidad de daño a la calidad organoléptica y nutricional del producto ( Richardson, 2004 ; Awuah et al., 2007 ). La destrucción de los microorganismos no es la única consecuencia del procesamiento térmico. Otros efectos térmicos incluyen:

1. Inactivación de enzimas: esto es deseable y esencial para la estabilidad a largo plazo.

2. « Cocción »: un gran número de reacciones químicas diferentes que afectan a la calidad del producto: cambios en la textura, el brillo, el color, el aspecto. Tales cambios suelen ser deseables hasta cierto punto, pero objetables más allá de

3. Destrucción de componentes nutricionalmente significativos, como las vitaminas sensibles al calor.

Los parámetros cinéticos de estos efectos son diferentes a los de la destrucción térmica de los microorganismos. Como hemos visto, el valor z de las reacciones químicas ordinarias es mayor que el de la muerte térmica de los microorganismos. De ello se deduce que, para un F 0 igual , el procesamiento a una temperatura más alta durante un tiempo más corto da como resultado un menor daño térmico a la calidad. Este es el trasfondo teórico del concepto de tiempo corto de alta temperatura (HTST).

El enfoque HTST tiene ciertas limitaciones prácticas:

1. El valor z para la inactivación enzimática también es mayor que el de la esterilización. Por lo tanto, para un valor igual de F 0, la inactivación de la enzima será menos extensa si el proceso se lleva a cabo a una temperatura más alta. Por lo tanto, la temperatura de proceso más alta admisible de un proceso HTST es aquella a la que la actividad enzimática residual del producto no pondrá en peligro la estabilidad a largo plazo

2. Si la cocción es uno de los objetivos del procesamiento térmico, entonces un proceso HTST puede resultar en una cocción menos que deseable (cocción insuficiente)

3. Por razones de seguridad, los procesos térmicos están diseñados para lograr el F0 deseado en el punto más frío del producto (por ejemplo, en el centro geométrico de una lata calentada por conducción, el eje central de un tubo en procesamiento continuo en un intercambiador de calor tubular). En consecuencia, una parte considerable de los alimentos se procesa en exceso. A temperaturas de procesamiento más altas, el procesamiento excesivo de los alimentos fuera de la región más fría y, por lo tanto, el daño térmico a la calidad promedio es más extenso, particularmente si la resistencia a la transferencia de calor es alta (alimentos sólidos).

Por todo ello, el diseño de un proceso térmico para obtener la máxima seguridad con el mínimo daño se convierte en un complejo ejercicio de optimización multivariable.

EJEMPLO 17.5

Un alimento líquido se procesa a una temperatura constante de 110 °C durante 30 segundos. El proceso da como resultado una pérdida del 25% de una vitamina presente en los alimentos. Se desea cambiar la temperatura constante para que se logre la misma destrucción de microorganismos con solo un 10% de pérdida de la vitamina. Calcule la nueva temperatura constante y el nuevo tiempo de procesamiento.

El valor z de la destrucción térmica de microorganismos es de 10 °C.

El valor Q 10 de la destrucción térmica de la vitamina es 2.

Solución: Para la inactivación de microorganismos:

Para la destrucción térmica de la vitamina (con C el contenido de vitaminas):

Resolviendo la ecuación A y la ecuación B para t 2 y T 2 encontramos:

El resultado confirma la validez del enfoque HTST.

17.5 Consideraciones sobre la transferencia de calor en el procesamiento térmico

El tiempo de procesamiento típico para la esterilización de alimentos sólidos en una lata de 0,5 kg en una retorta a 120 °C puede ser superior a una hora, mientras que el tiempo de calentamiento neto necesario para lograr la muerte térmica deseada del microorganismo objetivo a esa temperatura puede ser de solo unos minutos. La larga duración del proceso se debe a la lentitud de la transferencia de calor (penetración de calor) hasta el punto más frío de la lata. Se puede afirmar que en el diseño de procesos térmicos, la tasa de transferencia de calor más que la resistencia térmica del microorganismo a menudo determina la duración del proceso.

17.5.1 Procesamiento térmico en el paquete

La transferencia de calor a los alimentos en envases herméticamente cerrados se produce en tres pasos consecutivos:

1. Transferencia de calor desde el medio de calentamiento hasta la superficie del envase

2. Transferencia de calor a través del paquete

3. Transferencia de calor interna desde la superficie interna del paquete hasta el punto más frío del producto.

1. El medio de calentamiento

Vapor saturado: en la práctica, el medio de calentamiento más eficiente es el vapor saturado, por las siguientes razones:

El coeficiente de transferencia de calor de una película de vapor de condensación es muy alto

La temperatura del vapor saturado se controla fácilmente a través de su presión

El 'contenido de calor' transportado por la unidad de masa de vapor (calor de evaporación) es muy alto

El contenido de agua de la mayoría de los productos alimenticios es muy Alto. La presión del vapor fuera del paquete contrarresta la presión desarrollada en el interior a medida que se calienta el contenido. De este modo, se evitan la deformación y la rotura del paquete como resultado de diferencias de presión excesivas.

En algunos casos, la excesiva eficiencia del vapor como medio de calentamiento es una desventaja.

En el caso de los envases en frascos y botellas, se crean gradientes de temperatura excesivos en el vidrio, como resultado de un calentamiento demasiado rápido de la superficie y una conductividad térmica relativamente baja del vidrio. Tales gradientes causan una gran tensión interna, lo que resulta en roturas. Los gradientes de temperatura excesivos también son perjudiciales para la calidad de los productos sólidos y semisólidos sensibles al calor, especialmente en paquetes grandes. Agua caliente : la transferencia de calor del agua caliente al paquete es menos eficiente. El agua caliente (calentada por contacto directo con el vapor, en la mayoría de los casos) es el medio preferido para el procesamiento térmico de alimentos en vidrio o productos sensibles al calor. Una buena circulación del agua de calefacción es esencial para evitar 'bolsas frías'.

Mezcla de vapor y aire: este es un medio de calentamiento bastante común. La eficiencia de la transferencia de calor es comparable a la del agua. Gas caliente (gases de combustión): en el proceso de «esterilización por combustión», los envases se calientan mediante gases de combustión y radiación. La esterilización con llama de los alimentos enlatados no se practica a menudo.

2. El paquete

La conductividad térmica del aluminio y la hojalata es alta, la del vidrio es relativamente baja (ver Tabla 3.1). En todos los casos, la resistencia del paquete a la transferencia de calor es relativamente insignificante, debido al pequeño espesor.

3. Transferencia de calor interna

La transferencia de calor a través del producto puede ser por convección, por conducción o ambas. En los alimentos sólidos (pastel de carne, atún sólido, etc.), la conducción es el modo principal. En los alimentos líquidos, predomina la transferencia de calor por convección. En los productos que consisten en partículas sólidas en un medio líquido (fruta en almíbar, verduras en salmuera, carne en salsa, dedos de tomate en jugo de tomate), el calor viaja desde la pared del paquete al líquido y desde el líquido a los trozos sólidos. La ubicación del punto más frío depende del modo de transferencia de calor. En la transferencia puramente conductora, el punto más frío es el centro geométrico del paquete. En la transferencia convectiva sin agitación en una lata vertical, el punto más frío está a un tercio de la altura desde el fondo. En el caso de partículas sólidas grandes en

Figura 17.4 Agitación de extremo a extremo y centrifugado de una lata

Figura 17.5 Posición del espacio de cabeza en la rotación de extremo a extremo

Un medio líquido de baja viscosidad, los puntos más fríos pueden distribuirse en el centro de las partículas sólidas.

La resistencia interna a la transferencia de calor es, obviamente, el factor predominante. En los productos que contienen un medio líquido o semilíquido, esta resistencia puede reducirse considerablemente mediante agitación. Hay dos modos de agitación en el paquete: rotación de extremo a extremo y centrifugado.

En el método de extremo a extremo, el contenedor se gira a una velocidad determinada ( Figura 17.4 ). Cada vez que se invierte el recipiente, el espacio de la cabeza tiende a elevarse y agita el contenido. La velocidad de movimiento del espacio de cabeza de un extremo al otro depende de la viscosidad del producto. Si la velocidad de rotación es demasiado rápida, el espacio de la cabeza se inmoviliza y no se produce agitación. La velocidad óptima depende del tamaño del recipiente y de la viscosidad del contenido.

En el método de espín ( Figura 17.5 ), el contenedor se gira alrededor de su eje. La agitación se produce como resultado del gradiente de velocidad desde la pared del contenedor hasta su centro.

Los modelos matemáticos para la predicción de la tasa de penetración de calor en los contenedores se basan en la teoría de la transferencia de calor transitoria, que se analiza en el capítulo 3. Cuando se calienta un paquete de alimentos, la temperatura T de cada partícula del alimento tiende a la temperatura del medio de calentamiento T R . La teoría de la transferencia de calor en estado no estacionario predice que, después de un período inicial de ajuste, el logaritmo (T R T) disminuye linealmente con el tiempo, como se muestra en la Figura 17.6 .

En el caso de los envases procesados en una retorta, T R es la temperatura de la retorta. T * es la temperatura inicial imaginaria, obtenida por extrapolación del segmento recto. El segmento recto de la curva puede defi nirse por su pendiente e intersección. La pendiente se expresa convencionalmente por el factor f h (tiempo de calentamiento requerido para reducir TR-T

Figura 17.6 Curva teórica de penetración de calor

a una décima parte de su valor). La intersección T * generalmente se transforma en la expresión adimensional j, conocida como el factor de retraso de calentamiento, de la siguiente manera:

Las curvas de penetración de calor reales suelen diferir del modelo log-lineal teórico, principalmente debido a cambios en las propiedades (viscosidad, conductividad térmica) del material o incluso a la transición de un mecanismo de transferencia de calor a otro (por ejemplo, de principalmente conductor a principalmente convectivo) durante el procesamiento térmico. En tales casos, la relación tiempo-temperatura se aproxima a veces mediante una línea discontinua (cambio de la pendiente f h ).

EJEMPLO 17.6

La temperatura en el centro de las latas de maíz en el agua se midió en el curso de la retorta inquebrantable. Las lecturas se muestran en la Tabla 17.2 . La temperatura de la retorta fue constante a 121 °C. La primera medición se realizó cuando la temperatura de la retorta se estabilizó. El vapor se cortó a los 45 min y la válvula de agua de refrigeración se abrió a los 47 min.

Calcule el F0 del proceso.

¿En qué momento se debe detener el calentamiento para tener F0=8 min?

A partir de los datos, trace la curva de penetración de calor (log(TR- T) versus t).

Suponiendo que creas en los datos, ¿cómo explicarías la desviación de la línea recta teórica?

Figura 17.7 Procesamiento térmico del maíz. Gráfico F 0 frente a t.

Solución: a. El F 0 del proceso viene dado por la Ec. (17.11):

Dado que el historial de tiempo-temperatura del alimento no se da en forma analítica, la integral se calculará empíricamente. La ecuación (17.10) se escribe de la siguiente manera:

La tabla 17.2 se amplía de la siguiente manera:

● El tiempo se divide en intervalos. Para cada intervalo, se calcula la temperatura media (punto medio) T.

● Para cada intervalo de tiempo Δ t, se calcula la expresión 10^(T-121/10)*t Δ. Esta es la contribución del intervalo dado a la F 0 del proceso.

● El F0 de todo el proceso es la suma de las contribuciones.

La figura 17.7 es un gráfico de la letalidad F 0 frente a t.

El resultado es: F 0 17.3 min.

b. El tiempo de proceso requerido para F0=8 min:

La contribución del período de enfriamiento al total de F 0 es de 0,43 min. Por lo tanto, el vapor debe cortarse cuando el F 0 8 0.43 7.57 min. Volviendo a la Tabla 17.2, encontramos que esto ocurre a t 32 min. El vapor debe cortarse a t 32 min.

c. La figura 17.8 es un gráfico de log(TR-T) frente a t. La trama dista mucho de ser lineal y puede representarse, en el mejor de los casos, como dos líneas rectas con pendientes muy diferentes.

Figura 17.8 Curva de penetración de calor a partir de datos.

Este comportamiento puede deberse a la existencia de dos mecanismos de transferencia de calor (conducción por convección) y a cambios internos en las propiedades del contenido (por ejemplo, hinchazón y gelatinización del almidón libre).

17.5.2 Procesamiento térmico en el flujo

Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente para la pasteurización o esterilización de productos bombeables. Calculemos la relación tiempo-temperatura en un producto alimenticio bombeable, que pasa a través de un intercambiador de calor tubular a una tasa de flujo de masa G (Figura 17.9). El balance de calor a medida que los alimentos pasan sobre un elemento dA del área de transferencia de calor proporciona:

donde:

U coeficiente general de la transferencia de calor

TR temperatura del medio calefactor dA/dt está relacionado con la tasa de flujo de masa de la siguiente manera:

La sustitución da:

La integración proporciona:

Figura 17.9 Diagrama de flujo del procesamiento térmico en flujo de leche (UHT) antes del envasado aséptico. (Cortesía de Alfa-Laval)

Vemos que la relación tiempo-temperatura es logarítmica, al igual que en el caso de la penetración de calor en el paquete. Hay que tener en cuenta que T es la temperatura media del producto. La distribución real de la temperatura depende del grado de turbulencia y de la estructura física del producto, como en el caso de los productos que consisten en partículas sólidas en un medio líquido.

En el calentamiento continuo en el flujo de agua, la temperatura del producto suele aumentar muy rápidamente y el tiempo de residencia en el rango de temperatura letal es demasiado corto para una esterilización o pasteurización completa ( Trägårdh y Paulsson, 1985 ). Por lo tanto, es necesario mantener el producto calentado a alta temperatura durante el tiempo requerido, sin más transferencia de calor. Esto generalmente se hace instalando un tubo de retención o un recipiente de retención de dimensiones adecuadas después de la sección de calentamiento del intercambiador de calor.

Otra opción para el procesamiento térmico en flujo es el calentamiento óhmico (ver Sección 3.9). El calentamiento óhmico es rápido, prácticamente instantáneo y no requiere superficies de transferencia de calor. No hay gradientes de temperatura y no hay ensuciamiento. Teóricamente, estas características harían que el calentamiento óhmico fuera el método preferido de procesamiento térmico en el flujo, particularmente para los fl úbidos que contienen partículas sólidas. Sin embargo, el calentamiento óhmico en su estado actual no proporciona la uniformidad y fiabilidad necesarias para el procesamiento térmico de alimentos de baja acidez. Además, a pesar de que el calentamiento es rápido, el enfriamiento aún depende de la transferencia de calor a través de las superficies. Por todas estas razones, la aplicación del calentamiento óhmico se limita en la actualidad a la pasteurización de zumos de frutas y, posiblemente, huevo líquido.

EJEMPLO 17.7

Un alimento líquido recibe un tratamiento térmico que consta de tres etapas consecutivas:

a. Calentamiento en un intercambiador de calor. La temperatura aumenta linealmente de 30 a 120 °C en 90 segundos.

b. Mantener a 120° C durante 70 segundos.

c. Enfriamiento en un intercambiador de calor. La temperatura desciende linealmente de 120 a 10 °C en 90 segundos.

Calcula el F0 de cada etapa y de todo el proceso.

Solución:

a. Para la etapa de calentamiento:

Por lo tanto:

b. Para la etapa de mantenimiento (temperatura constante):

c. Para la etapa de enfriamiento:

Por lo tanto:

La letalidad total del proceso es de 5,47+55,6 +2,83=63,9 s. Alrededor del 87% de la letalidad se logra durante la tenencia.

EJEMPLO 17.8

Un alimento líquido se calienta continuamente en un intercambiador de calor de 70 a 130 °C en 60 segundos. Se supone que el aumento de temperatura es lineal con el tiempo. El objetivo del proceso es inactivar un determinado microorganismo objetivo. Si la comida originalmente contenía 10^5 células vivas del microorganismo objetivo por gramo, ¿cuál será el número de células supervivientes por gramo al final del proceso?

Datos: El tiempo de calentamiento a una temperatura constante de 110 °C para una reducción de 12 log del microorganismo objetivo es de 21 minutos. El valor z es de 9 °C.

Solución:

El perfil tiempo-temperatura del proceso es: T =70+t (t en segundos).

Calcularemos la letalidad del proceso en relación con un proceso de temperatura constante a 110° C con z 9°C.

Sea S la razón de supervivencia de nuestro proceso. Comparándolo con el procesos de referencia encontramos:

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Por lo tanto:

EJEMPLO 17.9

Un desierto lechero se calienta rápidamente a 121 °C en un intercambiador de calor y luego se bombea a un tubo de retención aislado, de 0,1 m de diámetro y 10 m de largo. ¿Cuál es la tasa de flujo volumétrico máximo imum si el valor F0 de la tenencia debe ser de al menos 3 minutos? Suponga un aislamiento perfecto.

Nota: Teniendo en cuenta la alta viscosidad del producto, se supondrá que el régimen de flujo será laminar.

Solución:

El tiempo mínimo de residencia en el tubo de retención debe ser de 3 minutos. Esto significa que la partícula que se mueve más rápido del fluido debe residir en el tubo al menos 3 minutos.

Si Q es la tasa de flujo volumétrico, la velocidad media del flujo es:

En el flujo laminar de los tubos, la velocidad máxima está relacionada con la velocidad media según la Ec. (2.14):

Por lo tanto:

Por otro lado, la condición de tiempo mínimo de residencia implica:

Por lo tanto:

La tasa de caudal máxima admisible es de 0,00022 m 3 /s o 0,785 m 3 /h.

Procesos, métodos y equipos térmicos 18

18.1 Introducción

Los procesos térmicos pueden aplicarse a los alimentos en recipientes herméticos o a los alimentos a granel antes de su envasado. El tratamiento térmico antes del envasado se aplica más comúnmente a los productos bombeables. Los principales tipos de procesos térmicos se resumen en la Tabla 18.1.

18.2 Procesamiento térmico en recipientes herméticamente cerrados.

Esta categoría de procesos térmicos incluye la tecnología comúnmente conocida como ' enlatado ' . En este método, los alimentos se calientan y se enfrían mientras están contenidos en paquetes herméticamente

cerrados. El paquete hermético protege los alimentos esterilizados o pasteurizados de la recontaminación. El método es adecuado para alimentos en todas las formas físicas: sólidos, líquidos o líquidos con partículas sólidas. Los paquetes pueden ser latas, frascos, botellas, bandejas, tubos, bolsas, etc. Esta sección se ocupará principalmente del procesamiento en latas de metal. Se describirán los requisitos específi cos del procesamiento en otros paquetes.

18.2.1 Llenado de latas

Existe una amplia variedad de métodos y equipos para rellenar alimentos en latas ( López, 1981 ). La elección de un método depende del producto, el tamaño de las latas y la tasa de producción.

Los productos se pueden llenar en contenedores por volumen (relleno volumétrico) o por peso (relleno gravimétrico). El relleno volumétrico es más sencillo y menos costoso. Aunque el contenido del paquete suele especificarse por peso, el relleno volumétrico suele ser el método de elección. Las latas nunca se llenan por completo. Se deja algo de espacio libre (espacio de cabeza) por encima del producto para formar algo de vacío en la lata sellada al final del proceso.

El relleno manual se practica con productos frágiles como los gajos de pomelo, con productos como las sardinas o las verduras rellenas que requieren una disposición ordenada o cuando la tasa de producción es demasiado baja para justificar el relleno mecánico. En el llenado manual, el producto se llena manualmente en cilindros de volumen conocido, luego se transfiere mecánicamente a las latas (Figura 18.1).

Figura 18.1 Llenador de paquetes manuales

Los rellenos de tambor ( Figura 18.2 ) consisten en un tambor giratorio equipado con deflectores y en él, una cinta transportadora que transporta las latas en la dirección del eje del tambor. El producto se introduce en el tambor. A medida que el tambor gira, las porciones del producto son levantadas por los deflectores y luego caen en las latas cuando el deflector alcanza un cierto ángulo. El transportador de latas está ligeramente inclinado para evitar el llenado excesivo y dejar un volumen vacío (espacio de cabeza) en la lata.

Las limas de pistón (Figura 18.3) son adecuadas para el llenado de productos bombeables. Las «cabezas de llenado» son en realidad bombas de pistón, que transfieren un volumen fijo de producto de un depósito intermedio a latas individuales. Las llenadoras de pistón suelen estar equipadas con un dispositivo de control « sin retención ni relleno », para evitar derrames cuando un contenedor no se presenta, accidentalmente, debajo del cabezal de llenado.

En el caso de los productos constituidos por partículas sólidas en un medio líquido (verduras en salmuera, carne en salsa, frutas en almíbar), el sólido y el líquido suelen rellenarse por separado. Se debe tener cuidado para minimizar el riesgo de dejar bolsas de aire en el recipiente.

Figura 18.2 Funcionamiento de un llenador de tambores

Figura 18.3 Filtro de pistón

18.2.2 Expulsión de aire del espacio de cabeza

Parte del aire en el espacio de cabeza debe ser expulsado por varias razones:

El aire en el espacio de cabeza se expande y crea una presión interna excesiva cuando se calienta la lata sellada. Pueden producirse daños en las costuras y deformaciones de la lata. Esto es particularmente importante en los envases fl exibles (por ejemplo, bolsas)

La expulsión de la mayor parte del aire (reducción de la presión parcial del oxígeno) ayuda a reducir el riesgo de daño oxidativo al producto y la corrosión interna de la lata de metal durante el almacenamiento

El vacío en el recipiente es particularmente importante en el caso de productos en frascos. Para la mayoría de los tipos de tapones de frascos, el vacío interno es la condición principal para mantener las tapas firmemente unidas al cuerpo del frasco

en paquetes flexibles, un buen contacto entre el material de empaque y los alimentos es esencial para una transferencia de calor eficiente durante el procesamiento térmico. El vacío hace que el paquete se encoja como una " piel " alrededor de la comida y, por lo tanto, proporciona el contacto requerido.

Existen varios métodos para expulsar el aire de los paquetes antes del cierre:

1.Relleno en caliente: es deseable llenar el producto a la temperatura más alta posible, para minimizar la cantidad de oxígeno disuelto y crear un espacio de cabeza rico en vapor de agua en lugar de aire. El precalentamiento continuo es posible en el caso de productos bombeables. Por supuesto, el llenado en caliente también acorta el tiempo de procesamiento después del cierre.

2.Escape térmico: cuando el llenado a una temperatura suficientemente alta no es una opción viable, el producto se calienta en el recipiente, antes del cierre. Los recipientes abiertos llenos se transportan a través de un baño de agua caliente (casi hirviendo), donde el nivel del agua se mantiene aproximadamente 1 cm por debajo de la boca del recipiente (Figura 18.4). Durante este tratamiento, conocido como agotador, se expulsan las bolsas de aire, se reduce la cantidad de oxígeno disuelto y se aumenta la presión parcial de vapor de agua en el espacio de cabeza. Un ligero movimiento de golpeo o vibración impartida a la cinta transportadora ayuda a expulsar las burbujas de aire.

3.Inyección de vapor: algunas máquinas de cierre están equipadas con boquillas para inyectar vapor sobrecalentado de calidad alimentaria en el espacio de cabeza, justo antes de colocar la tapa. Para ser eficaz, la inyección de vapor debe combinarse con el relleno en caliente.

Figura 18.4 Caja de escape térmica

4. Vacío mecánico: para el cierre al vacío, las máquinas cerradoras están equipadas con bombas de vacío mecánicas. El cierre al vacío se aplica a los productos que contienen poco o nada de líquido y a los envases flexibles.

18.2.3 Sellado

En los inicios de la industria conservera, las latas de metal se cerraban mediante soldadura. En ese momento, un trabajador calificado sellaba alrededor de 10 latas por hora ( Ball y Olson, 1957 ). Además de la tasa extremadamente baja de producción, el uso de soldadura que contenía plomo era un asunto de grave preocupación para la salud. El método de sellado de " doble costura " sin soldadura, que es el único utilizado en la industria hoy en día, fue inventado a principios del siglo XX. Las máquinas selladoras de latas modernas (Figura 18.5) pueden cerrar hasta 3000 latas por minuto o más.

La doble costura se forma doblando mecánicamente el borde del cuerpo de la lata y la tapa y luego presionando los dos para crear una costura entrelazada (Figura 18.6). Un anillo delgado de PVC o caucho, aplicado en la tapa, actúa como una junta. La doble costura se forma en dos etapas o « operaciones »: una primera operación de flexión y una segunda operación de apriete. La forma y las dimensiones de la doble costura deben estar en estricta conformidad con ciertos estándares. En la industria alimentaria conservera, la inspección rutinaria de las costuras y el ajuste de las máquinas son operaciones esenciales de aseguramiento de la calidad ( López, 1981 )

Figura 18.5 Cerradora de latas de alta velocidad. (Cortesía de Báscula Neumática – Ángelus)

Figura 18.6 Formación de la doble costura

18.2.4 Procesamiento térmico

Cubierta El propósito del procesamiento térmico en el paquete puede ser la esterilización o la pasteurización. 1. Esterilización en recipientes herméticos: los alimentos de baja acidez (pH 4,5) se conservan mediante esterilización ( Ball y Olson, 1957 ; López, 1981 ; Holdsworth, 1997 ; Bimbenet et al., 2002). La esterilización práctica requiere procesar los alimentos a temperaturas muy superiores a 100 °C. Dado que la mayoría de los productos contienen agua, dentro del envase se desarrollan presiones superiores a la atmosférica. (La presión de saturación del vapor de agua a 120 °C es de aproximadamente 200 kPa, aproximadamente el doble de la presión atmosférica). Para evitar deformaciones y daños en el recipiente, se debe mantener una presión externa igual o ligeramente superior a la presión interna. Por esta razón, la esterilización se lleva a cabo en recipientes a presión conocidos como autoclaves o retortas. En el caso de las latas de metal, el medio de calentamiento es vapor saturado a la presión adecuada. En el caso de los envases de vidrio y los envases flexibles, el medio de calentamiento es agua caliente combinada con aire comprimido para proporcionar la presión externa necesaria. Los autoclaves son de dos tipos generales: discontinuos y continuos.

a. Retortas discontinuas: las retortas discontinuas son recipientes a presión equipados con entradas para vapor, agua de refrigeración y aire presurizado y salidas para drenaje, liberación de presión y ventilación. Están equipados con un manómetro y un termómetro y, por lo general, están conectados a sistemas de control automáticos.

Pueden ser verticales ( Figura 18.7 ) u horizontales. Las retortas horizontales son más fáciles de cargar y descargar, y pueden equiparse con cestas giratorias para la agitación de extremo a extremo (Figura 18.8), pero son menos económicas en el espacio de vuelo. Las retortas de horizonte muy grande (largo) ( Figura 18.9 ) suelen estar equipadas con ventiladores internos para asegurar una distribución uniforme de la temperatura. Las latas se cargan en la retorta en cestas (cajas). Su disposición en las cajas puede ser ordenada o aleatoria. Las ' retortas sin cajones ' ( Figura 18.10 ) son grandes recipientes verticales. En primer lugar, se llenan parcialmente con agua caliente. Las latas se alimentan desde la parte superior. El agua en el recipiente actúa como un colchón para las latas entrantes. Cuando la retorta está llena,

Figura 18.7 Conexión simplifi cada de una retorta vertical

Figura 18.8 Retorta horizontal con cajas giratorias

Figura 18.9 Disposición de las cajas en una retorta horizontal larga

Figura 18.10 Retorta sin caja. (Cortesía de Mälo)

el recipiente se cierra y se admite el vapor, empujando el agua a través de una tubería de drenaje e iniciando el ciclo de esterilización. Una vez completados los ciclos de calentamiento y enfriamiento, las latas se sacan por agua, a través de una abertura en la parte inferior del recipiente.

A continuación se muestra una secuencia típica de operaciones durante un ciclo de esterilización por lotes en latas de metal:

i. Las cajas llenas se cargan en el autoclave

ii. El autoclave está cerrado

iii. Expulsión del aire (purga): se introduce vapor mientras se mantiene abierta una válvula de purga. La purga se completa cuando la temperatura en la retorta es igual a la temperatura de saturación del vapor a la presión de la retorta. Sin embargo, se deja abierta una pequeña polla de ventilación. Es importante expulsar el aire de la retorta lo más completamente posible, ya que el aire restante perjudica la tasa de transferencia de calor a la lata y produce una temperatura inferior a la temperatura de saturación a la presión de la retorta.

iv. El vapor se introduce a una velocidad de flujo alta hasta que se alcanzan la presión de procesamiento especificada y la temperatura correspondiente (subida de la retorta). Es habitual comenzar a medir el tiempo de proceso a partir de ese momento

v. La tasa de flujo de vapor para mantener la presión de retorta especificada (temperatura) durante el tiempo de proceso especificado

vi. Al final del tiempo de proceso especificado, el vapor se apaga. Se introduce aire comprimido para reemplazar el vapor, mientras se mantiene la presión. En esta etapa, la temperatura de los alimentos dentro de las latas sigue siendo alta, lo que resulta en una alta presión interna. Por lo tanto, se debe mantener la presión externa para evitar la deformación de la lata y la distorsión de la costura

vii. Se admite agua de refrigeración mientras se mantiene la presión de aire superior. El enfriamiento se puede realizar rociando el agua sobre las latas o llenando la retorta con agua. El agua en exceso fluye a través del desbordamiento. Solo se debe usar agua limpia para enfriar. La cloración del agua de refrigeración es una práctica estándar. La ozonización y el tratamiento UV son alternativas posibles. El aire de anulación se apaga cuando se estima que la temperatura dentro de las latas ha descendido por debajo de 100 ° C. Es preferible detener el enfriamiento mientras las latas están algo calientes (40-50 °C) para facilitar el secado de la superficie de la lata y evitar la corrosión. En el caso de las latas 'blancas' (sin imprimir), esto también mejora la aplicación de etiquetas con adhesivos

viii. La retorta se drena, se abre y se descarga.

En la práctica, la mayoría de las operaciones del ciclo de proceso descrito anteriormente están automatizadas. Se coloca una muestra representativa de cada lote en incubadoras y se comprueba la esterilidad. La reglamentación ofi cial especifica el tamaño de la muestra, el tiempo y la temperatura de incubación y las pruebas que deben realizarse con las latas incubadas.

Esterilización continua: se pueden lograr ahorros considerables en costos de mano de obra, gastos de energía y tiempo de inactividad del equipo haciendo que la esterilización en el paquete sea un proceso continuo. Las ventajas de la retorta continua son particularmente significativas en líneas de producción de gran volumen, ya que no requieren cambios frecuentes en las condiciones de procesamiento o en el tamaño del contenedor. La retorta por lotes es más adecuada para plantas de procesamiento más pequeñas, que producen varios productos diferentes simultáneamente.

Existen varios tipos de retortas continuas, que se diferencian principalmente en el método utilizado para introducir y retirar las latas de forma continua, sin liberar la presión de la retorta.

Retortas continuas con bloqueo hidrostático ( esterilizadores hidrostáticos ): los recipientes entran en la cámara de presión y la dejan a través de dos columnas de agua de altura suficiente para contrarrestar la presión de la cámara ( Figura 18.11 ). Los cartuchos montados en un transportador de cadena ( Figura 18.12 ) transportan las latas a través del sistema

Retortas continuas con bloqueos mecánicos ( Figura 18.13 ): las latas entran en la cámara de presión y salen de ella a través de 'puertas giratorias' ( Figura 18.14 ). La cámara de presión consiste en una carcasa cilíndrica horizontal donde las latas se mueven hacia adelante a lo largo de una trayectoria en espiral mientras giran lentamente. Para el enfriamiento bajo presión, las latas se transfieren a una segunda carcasa similar, también a través de una compuerta giratoria.

La esterilización con llama es un método de esterilización continua sin retorta ( Heil, 1989 ). El medio de calentamiento no es vapor ni agua caliente, sino gas caliente

Figura 18.11 Esterilizador hidrostático

Figura 18.12 Disposición de las latas en los recipientes de un esterilizador hidrostático

Figura 18.13 Cocina-enfriador horizontal continuo. (Cortesía de FMC FoodTech

Figura 18.14 Esquema de la cerradura de alimentación de un esterilizador horizontal continuo

(1000 °C o más) de vuelos, a presión atmosférica. Después de precalentar en un túnel con vapor a presión atmosférica, las latas que giran rápidamente se calientan mediante agua directa y luego se mantienen en un espacio de retención antes de enfriarse. El tiempo de procesamiento se acorta considerablemente debido a la alta temperatura del medio de calentamiento. Se afirma que se mantiene una alta calidad debido al corto tiempo de procesamiento. Dado que todo el proceso se lleva a cabo a presión atmosférica, no son necesarios dispositivos especiales para alimentar o descargar los recipientes, pero otros problemas limitan la aplicación generalizada de la esterilización por vuelo:

A temperaturas de esterilización (por ejemplo, 120 °C), la presión dentro de las latas es considerablemente mayor que la presión atmosférica externa. Dado que no hay presión de vapor para contrarrestar la presión interna, solo los recipientes pequeños y particularmente rígidos pueden soportar tal diferencia de presión

Debido al contacto directo con las chimeneas, la superficie del contenedor alcanza temperaturas extremadamente altas. Para evitar que el producto se queme en el interior, se debe proporcionar una transferencia de calor muy eficiente entre las paredes de la lata y el contenido de la lata. Esto se consigue mediante un giro rápido de las latas durante su paso por delante de las fl ames. Obviamente, el método no es adecuado para el procesamiento de alimentos sólidos, donde el calentamiento es únicamente por conducción.

Además de estas deficiencias, es difícil asegurar la esterilización completa del producto en cada punto, en cada recipiente. Por todas estas razones, la aplicación de la esterilización por lámpara para el procesamiento térmico de alimentos de baja acidez ha sido prácticamente descontinuada.

2. Pasteurización en recipientes herméticamente cerrados: en productos con un pH inferior a 4,5 (por ejemplo, la mayoría de los productos de tomate, encurtidos, frutas en almíbar y productos acidificados artificialmente), puede lograrse una conservación adecuada a temperaturas inferiores a 100 °C, es decir, mediante pasteurización. Después de eliminar el aire y sellar como se describió anteriormente, los recipientes se calientan con agua casi hirviendo. Para el procesamiento continuo, los envases son transportados por un transportador adecuado a través de un baño de agua caliente. El tiempo de permanencia en el baño depende del producto y del tamaño del contenedor. Una vez finalizado el tratamiento térmico especificado, los recipientes se enfrían por inmersión o por pulverización. Dispone de sistemas para rotar las latas durante las fases de calentamiento y/o enfriamiento del contenedor. Una vez finalizado el tratamiento térmico especificado, los recipientes se enfrían por inmersión o por pulverización. Dispone de sistemas para rotar las latas durante las fases de calentamiento y/o enfriamiento.

18.3 Procesamiento térmico a granel, antes del embalaje

En el caso de productos bombeables (líquidos, semilíquidos, purés, suspensiones de partículas sólidas relativamente pequeñas en líquidos), es posible aplicar parte o la totalidad del proceso de tratamiento térmico de forma continua, en intercambiadores de calor, antes de llenar el producto en recipientes. Existen dos posibilidades:

1. Solo el calentamiento se realiza a granel, en un intercambiador de calor. Después del llenado y sellado en caliente, el producto se enfría en el recipiente hermético

2. Tanto la etapa de calentamiento como la de enfriamiento se realizan a granel, en intercambiadores de calor. Se proporciona un tubo de retención o recipiente de retención entre las secciones de calefacción y refrigeración. El producto tratado se llena y se sella.

18.3.1 Calentamiento a granel – llenado en caliente – sellado – enfriamiento en contenedor

Este es el método estándar para enlatar productos bombeables de alta acidez, como jugos y purés de frutas. El material se calienta hasta la pasteurización en intercambiadores de calor continuos y luego se llena y sella en caliente. Los recipientes llenos se enfrían con agua, normalmente por pulverización. En el caso de las latas metálicas, el enfriamiento puede acelerarse girando el recipiente alrededor de su eje. La principal desventaja del método es el tiempo de enfriamiento relativamente largo, lo que resulta en una cocción excesiva del producto y requiere largas líneas de enfriamiento. Además, el relleno en caliente no permite el envasado en plásticos sensibles al calor. El procesamiento aséptico ha reemplazado en gran medida esta forma de procesamiento en el caso de los jugos de frutas delicados (cítricos, piña), pero todavía se procesan cantidades considerables de jugo de tomate y otros productos de tomate para la comercialización minorista con este método.

18.3.2 Calentamiento a granel – mantenimiento – enfriamiento a granel – enfriamiento en frío – sellado

En este modo de operación, todo el proceso se lleva a cabo en un sistema que consta de intercambiadores de calor y tuberías. El producto abandona el sistema después de una esterilización continua

Figura 18.15 Esquema de la pasteurización continua de la leche

o pasteurización (dependiendo del perfil de tiempo-temperatura), mantenimiento y enfriamiento continuo. Si el relleno y el sellado se producen en espacios abiertos, puede producirse una recontaminación del producto frío. Esto puede no ser objetable si el producto se va a comercializar bajo refrigeración y el tiempo de comercialización previsto es suficientemente corto. Es el caso de la leche y los productos lácteos pasteurizados ( Walstra et al., 2005 ). Un proceso típico para la pasteurización continua de leche líquida se muestra esquemáticamente en la Figura 18.15.

El pasteurizador, en este caso, es un intercambiador de calor de placas que consta de tres secciones. La leche cruda se admite en la sección 1 (precalentamiento, regeneración), donde se calienta a unos 55 °C, mediante leche pasteurizada caliente que se extiende por el otro lado de las placas. A continuación, pasa a la sección 2 (calentamiento) donde se calienta a la temperatura de proceso especificada, con agua caliente en el otro lado. El agua caliente para este propósito se calienta por vapor y circula en circuito cerrado por bombas apropiadas (no se muestra en la figura). La leche, así pasteurizada, pasa a través de un tubo de retención de dimensiones apropiadas (de acuerdo con el tiempo de retención especificado). Una válvula de control de tres vías (válvula de desvío de flujo, FDV), gobernada por el sistema de control, desvía cualquier porción subprocesada de regreso al tanque de alimentación. La leche que ha alcanzado la temperatura de proceso especificada (normalmente, un mínimo de 72 °C) se envía a la sección 1, donde se enfría parcialmente con la leche cruda entrante y, a continuación, a la sección 3 (refrigeración) para el enfriamiento final con agua de refrigeración y agua helada y, finalmente, al envasado como leche pasteurizada y enfriada (normalmente a 4 °C). Aunque se consigue un considerable ahorro de energía mediante la inclusión en el sistema de la sección de «regeneración», la calefacción en dos etapas tiene ventajas tecnológicas adicionales.

La temperatura intermedia de unos 55 °C es ideal para la separación centrífuga de la grasa y para la homogeneización a alta presión. Estos procesos se realizan en la leche precalentada de la sección de regeneración.

18.3.3 Procesamiento aséptico

El procesamiento aséptico, también conocido como envasado aséptico o relleno aséptico, es, sin duda, el más significativo de los últimos avances en tecnología alimentaria ( Sastry, 1989 ; Willhoft, 1993 ; Reuter, 1993 ; David et al., 1996 ; Sastry y Cornelius, 2002).

El principio básico del procesamiento aséptico se muestra en la figura 18.16. Los procesos ' asépticos ' se desarrollaron antes de la Segunda Guerra Mundial y se aplicaron comercialmente en la década de 1950. Las primeras aplicaciones fueron alimentos líquidos y semilíquidos, como bebidas de cacao, natillas y puré de plátano. Los paquetes eran, invariablemente, latas de metal y, por lo tanto, el proceso se denominó ' enlatado aséptico '. El alimento bombeable se calentó continuamente a temperatura de esterilización en intercambiadores de calor y, después de su mantenimiento, se enfrió continuamente. Las latas y las tapas se esterilizaban con vapor o una mezcla de vapor y aire sobrecalentados. Los alimentos esterilizados y las latas estériles se encontraban en un recinto aséptico que contenía la máquina de relleno y la cerradora, estrechamente acopladas. Las condiciones asépticas se mantuvieron gracias a una serie de medidas, como desinfectantes, un flujo constante de vapor sobrecalentado, radiación UV, etc. El recinto aséptico se mantuvo a una ligera sobrepresión para evitar la penetración de aire del exterior. En comparación con los alimentos enlatados normalmente, los productos eran de calidad superior, pero el proceso era engorroso, lento y costoso.

En la década de 1960 se desarrollaron nuevas tecnologías que permitían el llenado aséptico en envases flexibles. La producción de las líneas aumentó de manera constante. En primer lugar, el principal producto de

Figura 18.16 Diagrama esquemático de flujo de procesamiento aséptico

El procesamiento aséptico comercial fue leche UHT (Ultra High-Temperature) en envases de cartón. Poco a poco, las aplicaciones se expandieron a casi cualquier alimento bombeable de baja o alta acidez, como sopas, salsas, postres lácteos, cremas, leche de soja, jugos de frutas, néctares, etc. Las innovaciones incluían la formación in situ del envase a partir de papel laminado, lámina de plástico o película, la esterilización con peróxido de hidrógeno, seguida de aire caliente, el llenado y el sellado en una máquina, etc. Los paquetes adecuados para el procesamiento aséptico ahora incluyen cajas de cartón, bolsas, bandejas, tazas, bolsas grandes en cajas, barriles de metal, etc. (Figura 18.17).

La adaptación de los intercambiadores de calor continuos (Figura 18.18) a los requisitos específi cos del procesamiento aséptico es uno de los factores más significativos para el éxito de esta tecnología. Estos requisitos se refieren tanto al diseño sanitario como a

Figura 18.17 Llenado aséptico de barriles. (Cortesía de Rossi & Catelli)

Figura 18.18 Intercambiador de calor en procesamiento aséptico. (Cortesía de Rossi & Catelli)

características de transferencia de calor y flujo. Se utilizan intercambiadores de calor tubulares, de placa y de superficie barrida. La distribución del tiempo de residencia en los intercambiadores de calor no es uniforme, especialmente en los intercambiadores de superficie barrida ( Trägårdh y Paulsson, 1985 ), en consecuencia, y considerando la muy alta contribución del período de retención a la letalidad del proceso (ver Ejemplo 17.7).