Ingenieria de La Industria Alimentaria - Volumen 3 Operaciones de Conservacion de Alimentos - F.rodriguez

P r o y e c t o E d it o r ia l

CIEN CIA S Q U ÍM IC A S

Director: Guillermo Calleja Pardo

C o l e c c ió n :

Tecnología Bioquímica y de los A lim entos Director: Jasé Agitado A lo n so

INGENIERÍA DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Volumen III OPERACIONES DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

Francisco Rodríguez Somolinos (editor) José Aguado Alonso José Antonio Calles Martín Pablo Cañizares Cañizares Baldomero López Pérez Aurora Santos López David Pedro Serrano Granados

EDITORIAL

SINTESIS

Consulte nuestra página web: www.síntesísxom En ella encontrará el catálogo completo y comentado ___________________________________________________________ 3

© F Rodríguez (editor) L Aguado, J. A. Calles,, P, Cañizares, S. López, A. Santos v D. R Serrano © EDITORIAL SÍNTESIS, S, A. VaJlchcrmoso, 34 - 2S0I5 M adrid Teléf,: 91 593 20 9S hUp://www,sÍntesis.com Depósito Legal: M. 1.534-2002 ISBN: 84-7738-939-X Impreso en España - Prinled in Spain

ÍNDICE

P R Ó L O G O .................................................................................................................................................

1.

9

CONSERVACIÓN D E ALIM ENTOS POR EL C A L O R .......................................................

II

1.1. Destrucción térmica de los microorganismos .......................................................................... 1.1.1. Tipos de microorganismos ................ 1.1.2. Cinética .......................................... 1.1.3. Tiempo de reducción d e c im a l ............................................................................... 1.1.4. O rden de proceso ............................... 1.1.5. Tiempo de m uerte térmica ....... 1.1.6. Termorresistencia ...................... 1.1.7. Relaciones entre parám etros cinéticos ................................... 1.1.8. Degradación térmica de los alim entos........................................................................... 1.2. Esterilización de alimentos envasados...................................................................................... 1.2.1. Transmisión de calor en el proceso ................................................................................ 1.2.2. Cálculo del tiempo de operación .................................................................................... 1.2.3. Operaciones previas .............................................................................................. 1.2.4. Procedim iento operativo ................................................................ 1.2.5. Equipos ..................................................................................................... 1.3. Esterilización de alimentos sin envasar .................................................................................... 1.3.1. Procesado aséptico ............................................................................................................ 1.3.2. Sistemas de intercambio de calor ................................................................................... 1.3.3. Esterilización de envases ......................................................................... 1.3.4. Esterilización de e q u ip o s .................................................................................................. 1.4. Pasteurización .................................................................................................... 1.4.1. Fundam ento ............................................................................................ 1.4.2. E quipos ..................................................................................................... 1.5. E scald ad o ........................................................................................................................................ 1.5.1. Fundam ento ........................................................................................................................ 1.5.2. E quipos ............................................ 1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alimentos ...................................................... 1.7. Efectos del calor sobre los alim entos........................................................................................ 1.7.1. Esterilización ...................................................................................................................... 1.7.2. Pasteurización ..................................................................................................................... 1.7.3. E sc a ld a d o .............................................................................................................................

13 13 16 17 IB 19 19 20 22 22 23 25 31 32 33 40 41 43 48 49 49 50 50 52 53 54 57 61 61 63 64

2. L A IR R A D IA C IÓ N D E A L IM E N T O S ........................................................................................... 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

67

Tipos de radiación ........................................................................................................................... Interacciones de la radiación ionizante con la m ateria .......................................................... Concepto de d o s is ............................................................................................................................ A plicaciones en la industria de alim en to s................ 2.4.1. D estrucción de microorganismos .................................................................................... 2.4.2. Interrupción de procesos biológicos....................................................................... E stado actual de la tecnología ........................................................................................... In sta la c io n e s........................................................ 2.6.1. lrradiadores con fuentes isotópicas ............................................................................. 2.6.2. A celeradores de electrones ............................................................................................... 2.6.3. Capacidad de producción .................................................................................................. D o s im e tría .......................................................................................................................... 2.7.1. D osím etros líq u id o s..................................... 2.7.2. D osím etros sólidos ................... 2.7.3. D osím etros c a lo rim é tric o s................................ Calidad de los alim entos irra d ia d o s ............................................................................................

69 71 72 73 73 75 76 77 78 83 84 85 85 85 85 85

3. CO N SER V A C IÓ N D E A L IM EN T O S POR EL FR ÍO . C O N G E L A C IÓ N ...........................

89

3.1. A plicaciones del frío ............................... 3.2. Producción de frío m e c á n ic o ........................................................................................... 3.2.1. E l diagram a entálpico ..................................................................... 3.2.2. R e frig e ra n te s...................................... :................................................................................. 3.2.3. Estudio del frío m ecánico en el diagrama entálpico .................................................... 3.3. Frío criogénico ..................................... 3.4. Congelación ..................................... 3.4.1. Form ación de cristales ..................... 3.4.2. Curvas de congelación ..................... 3.4.3. L a cadena del frío ................................................................................................................ 3.4.4. Recristalización ...................... 3.5. Cálculo de la carga de refrigeración ................................................................................... 3.6. Tiem po de congelación .............................................................................. 3.7. D escongelación .................................................................................................................. 3.8. M étodos e instalaciones de congelación .................................................................................... 3.8.1. M étodos de contacto con superficie fría ................................................................ 3.8.2. M étodos de contacto directo conaire frío ............................................................. 3.8.3. M étodos por in m e rs ió n ......................................................................................

91 92 93 93 94 100 101 101 104 105 105 107 109 111 112 114 115 123

4. R E F R IG E R A C IÓ N Y A TM Ó SFERA S P R O T E C T O R A S ........................................................

129

2.5. 2.6.

2.7.

2.8.

4.1.

R efrigeración ................................................................................................................................. 4.1.1. Efectos del descenso de temperaturas .........................................................................

131 131

5.

6.

4.1.2. Factores que determinan la vida útil de losalimentos refrigerados ........................ 4.1.3. Cálculos frigoríficos en la refrigeración ........................................................................ 4.2. Atmósferas protectoras ................................. 4.2.1. Tipos de atmósferas p ro tec to ras ........................................................................... 4.2.2. Envasado a vacío ................................... 4.23. Envasado en atmósferas modificadas ........................................................................... 4.2.4. Almacenamiento en atmósferas controladas ...............................................................

132 134 139 139 140 140 149

CONSERVACIÓN D E ALIM ENTOS PO R R E D U C C IÓ N D E SU ACTIVID A D D E A G U A . S E C A D O ........................................................................................................................

151

5.1. Psicrom etría................................................................................................................................... 5.1.1. Propiedades del aire seco ................................................................................ 5.1.2. Propiedades del vapor de a g u a .............................................................. 5.1.3. Propiedades de las mezclas aire-vapor de a g u a .......................................... 5.1.4. Diagrama psicr orné tric o ................................................................................................... 5.1.5. Procesos psicrom étricos.............................................................. 5.2. Actividad de a g u a ......................................................................................................................... 5.2.1. Contenido de humedad en equilibrio ............................................................................ 5.2.2. Isotermas de so rció n ......................................................................................................... 5.2.3. Modclización de isotermas de sorción........................................................................... 5.2.4. Efecto de la tem peratura sób rela a w ............................................................................. 5.2.5. Efecto de la «Msobre los alim e n to s................................................................................ 5.3. Secado con aire caliente .............................................................................................................. 5.3.1. Cálculo del tiempo de secado ......................................................................................... 5.3.2. Consideraciones energéticas ........................................................................................... 5.4. Secado por contacto con una superficie caliente .................................................................... 5.4.1. Cálculo del tiempo de operació n ................................................. 5.4.2. Consideraciones energéticas ........................................................................................... 5.5. Equipos de secado convencionales ........................................................................................... 5.5.1. Secaderos convectivos...................................................................................................... 5.5.2. Secaderos conductivos ..........

155 155 155 155 158 159 164 165 165 166 167 168 169 171 176 177 178 180 180 181 192

CONSERVACIÓN D E ALIM ENTOS POR R E D U C C IÓ N D E SU A CTIVID A D D E A G UA . OTRAS TÉCNICAS D E H ID R A T A C IÓ N ...........................................................

199

6.1. L iofilización......................................................... 6.1.1. Fundam ento teórico ............................... 6.1.2. Cálculo del tiempo de o p era ció n .......................................................................... 6.1.3. Liofilizadores............................................ 6.2. Concentración por congelación..................... 6.2.1. Fundam ento teórico ............................... 6.2.2. Concentradores por congelación .................................................................................... 6.3. Evaporación ...............................................

202 202 205 206 208 209 210 213

6.3.1. Energía n e c e sa ria ......... 6.3.2. Velocidad de intercam bio de calor .............................................................................. 6.3.3. E vaporador de sim ple efecto .......................................................................................... 6.3.4. E vaporador de múltiple efecto ........ 6.3.5. Tipos de evaporadores ......................................................... 6.4. Técnicas a v a n za d as............... 6.5. Calidad de los alimentos deshidratados .................................................................................. 6.5.1. Posibles alteraciones ..................... 6.5.2. Liofilización frente a secado convencional .................................................................. 6.5.3. Evaporación ...................................... 6.5.4. R chidratabilidad ................................................................................................................

213 214 217 220 226 231 232 232 235 236 237

A P É N D IC E ................................................................................................................................................

241

A .l. A.2. A .3. A.4. A.5. A.6. A .7.

D iagram a Diagram a D iagram a D iagram a D iagram a D iagram a D iagram a

B IB L IO G R A FÍA

presión-entalpia del refrigerante R-134a: zona del vapor s a tu ra d o ............. presión-entalpia del refrigerante R-134a: zona del vapor rec ale n tad o presión-entalpia del refrigerante R-12: zona del vapor saturado .................. presión-entalpia del refrigerante R-12: zona del vapor rec ale n tad o presión-entalpia del refrigerante R-717: zona del vapor s a tu ra d o ................ presión-entalpia del refrigerante R-7172: zona del vapor rec ale n tad o psucom étrico del sistemaaire-vapor de agua ....................................................

243 244 245 246 247 248 249

251

PROLOGO

D u ran te siglos, la producción de alimentos se ha llevado a cabo de form a totalm ente arte­ sanal y empírica, con nulo o escaso conocimien­ to de la composición real de ios mismos y de los cam bios que en ellos se producían durante su elaboración. También existían procedimientos para su conservación (salazón, desecación, ele.) desarrollados sin conocim iento de su mecanis­ mo de actuación, que eran aplicables a determi­ nados tipos de alimentos. P or ello, en la mayo­ ría de los casos, el consumo era de tem porada y en zonas geográficam ente próximas al lugar de producción. L a concentración de la población en grandes núcleos urbanos y las exigencias de la calidad obligaron a la Industria A lim entaria a revisar sus m étodos de producción en profundidad incorporando sistemas de trabajo más moder­ nos y los avances surgidos en otras ram as de la ciencia y la tecnología. E n la actualidad, la producción y transfor­ mación de los alimentos se lleva a cabo, mayoritariam eníe, en grandes fábricas, con procesos continuos de producción en los que la economía de escala juega un papel im portante en el pre­ cio de los productos, haciéndolos asequibles a

mayores segm entos de la población. Ello signi­ fica un elevado grado de desarrollo tecnológico de los procesos de fabricación de los alim entos, con sistemas de control muy avanzados, de diseño similar al de las m odernas plantas d e la Industria Química. Así, los métodos y operacio­ nes típicos de la Ingeniería Química se aplican en la m oderna Industria A lim entaria, como es el caso d e pretraíam íentos de las materias píti­ mas, separación de determ inados com ponentes p o r filtración, centrifugación y ad so rció n , manejo de corrientes de gases y líquidos, tran s­ misión de calor, optimización, etc. Por o tra parte, las aportaciones d e la In g e­ niería Q uím ica al desarrollo de los m odernos sistemas de conservación de alimentos (esterili­ zación U H T, irradiación, congelación, refrige­ ración, secado, atm ósferas modificadas) perm i­ ten m antener los alimentos, prácticam ente inal­ terados, d u ran te períodos de tiem po más o m enos largos según los casos. Sin embargo, el hecho de manejar m ateriales complejos, tanto desde el punto de vista de su composición química como de su com portam ien­ to, ya que son sustancias degradables por dete­ rioro microbiano, por reacción química y enzima-

tica, y por la acción del oxígeno (oxidación, maduración), hace que la Ingeniería de la Indus­ tria Alimentaria presente determ inadas caracte­ rísticas específicas que la diferencian como rama bien definida de la Ingeniería Química. L a presente obra aborda la aplicación de las O peraciones básicas de la Ingeniería Química a la In d u stria de los A lim entos. Se ha dividido en tres volúmenes: el prim ero se ha diseñado como una introducción a los principios básicos de la Ingeniería de los Procesos Químicos, el segun­ do se dedica al estudio de las principales opera­ ciones de procesado y e ste tercer volumen a la conservación de alim entos propiam ente dicha, to d o ello con una orientación a! diseño de pro­ cesos para la Industria A lim entaria.

La obra está dirigida tanto a aquellos pro fe­ sionales que desarrollan su labor en la Industria A lim entaria com o a estudiantes de aquellas titulaciones en las q ue se im parten m aterias relacionadas con la producción y transform a­ ción de los alimentos, como Ingenieros A gró­ nomos, Ingenieros Químicos, Veterinaria, Far­ macia, Química, Bioquímica y especialm ente de la Licenciatura en Ciencia y Tecnología de los A lim entos. Asimismo consideram os que el prim er volumen ha d e resultar un m anual de gran utilidad para aquellos alumnos que hayan de cursar com plem entos de formación en Inge­ niería Química previam ente a su acceso a la titulación de Licenciado en Ciencia y Tecnolo­ gía de los Alimentos.

1 1 .1 . D estrucción térm ica de los m icroorganism os 1.2. Esterilización de alim entos envasados 1.3. Esterilización de alim entos sin envasar 1.4. Pasteurización

1.5. Escaldado

CONSERVACION DE ALIMENTOS POR EL CALOR

1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alim entos 1.7. Efectos del calor so b re los alim entos

n este c a p ítu lo se a b o rd a el p ro c e s a d o té rm ico

to. A d e m á s, se ha d e c o n s id e ra r la v e lo c id a d con

de

re d u c ir el

qu e se tran sm ite el c a lo r al a lim e n to según el p ro c e ­

E

los a lim e n to s

co m o

m e d io

de

presentes en el

so se g u id o . A s í, el c o n ta c to e n tre eí fo c o ca lie n te y

p ro d u c to o b je to d e tra ta m ie n to y, en ciertos casos,

el p ro d u c to a tra ta r p u e d e ser d ire c to , caso d e un

ta m b ié n la a c tiv id a d e n z im á íic a . El c a le n ta m ie n to

p ro ce so UHT, o in d ire c to , a través d e un in te rca m ­

n ú m e ro

de

m ic ro o rg a n is m o s

d e los a lim e n to s p e rs ig u e , pues, p ro lo n g a r su c o n ­

b ia d o r d e c a la r. Si el p ro d u cto se e s te riliz a e n va sa ­

s e rv a c ió n , Las c o n d ic io n e s d e o p e ra c ió n del p ro c e ­

d o , d ic h a v e lo c id a d d is m in u irá co n s id e ra b le m e n te .

so se fija n d e ta l m o d o q u e se a se g ure un d e te rm i­

En suma, el e stu d io de la c o n s e rv a c ió n d e a lim entos

n a d o g ra d o d e e s te riliz a c ió n , re s p e ta n d o en lo p o s i­

p o r el c a lo r d e b e c o m p re n d e r la in flu e n c ia d e l c a la r

b le la c a lid a d o rig in a l del p ro d u c to .

so b re su c a lid a d , la tran sm isió n d e c a lo r desde el

im p lic a el c o n o c im ie n to d e - la

Esta p rá c tic a

in flu e n c ia d e l c a lo r

fo c o ca lie n te hasta el p ro d u c to y la d e te rm in a c ió n

ta n to s o b re la p o b la c ió n m ic ro b ia n a c o m o s o b re las

d e la c in é tic a d e la d e stru cció n té rm ic o d e los m ic ro ­

p ro p ie d a d e s n u tritiv a s y o rg a n o lé p tic a s d e l a lim e n ­

o rg a n ism o s.

N o m en cla tu ra A B B' B" Cp I) D0 Dr Ea F Fa F., f.

g I Jc ./, k k0 kT

Superficie del alim enta (m !) Tiempo total de esterilización según el método de Ball (s) T iem po efectivo de esterilización según el m étodo de Ball (s) Tiempo de esterilización a la tem peratura TR según el m étodo de Ball (s) Calor específico del alim ento a presión cons­ tante (kJ kg-1 K-1) Tiempo de reducción decimal (s) Tiempo de reducción decimal a la tem peratura de referencia (s) Tiempo de reducción decimal a La tem peratura T (s) Energía de activación (T mol ') Tiem po de m uerte térm ica (s) Tiem po de m uerte térmica a ta tem peratura de referencia (s) Tiempo de m uerte térmica a la temperatura 7’(s) Tiempo de esterilización preciso para comple­ ta r un ciclo logarítmico según d método de Ball (s) D iferencia entre TR y 7y111-1 (°C) D iferencia entre TR y T¡ ("C) Coeficiente de enfriam iento Coeficiente de calefacción Constante cinética de la destrucción térmica de microorganismos (s-1) Factor de frecuencia o coeficiente cinético de la ecuación de A rrhenius (s_l) Constante cinética de la destrucción térmica de microorganismos a la tem peratura T (s-1)

L

Espesor del producto (m) Factor de letalidad a la tem peratura T l Tiempo preciso para que el hom o adquiera la tem peratura de operación (s) m Cantidad de producto (kg) N Número de microorganismos en un momento dado del tratam iento N 0 Número de microorganismos al comienzo del tratam iento n O rden de proceso o exponente de reducción 0 i/> 2e 5< o_ Lrf ^ ■'*- 03 ^ S5 -Q (3 o '& l 5 ¿O ^ ^ Ü oj cd

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[1.30]

Fr (min] C onsiderando que el valor de esterilización es la sum a de las contribuciones de cada m inu­ to de tiem po de tratam ien to , la ecuación ante­ rior pasaría a describirse com o sigue:

Fo = I L t, & F t ,= 'L 10(T' - r)/z [1-31] i= ¡ i =1 que, en otros térm inos, se p u ed e asim ilar a la siguiente expresión:

F0 = ¡* TL T(T )d F T

[1.32]

FIGURA 1 , 9 . F cictor d e le ta lid a d fre n te a tie m p o d e tr a ta m ie n to .

Ejemplo 1.7. Aplicación del método de Bigelow. Para comprobar si el tratamiento térmico de un alimento es adecuado -se pretende un orden de proceso de 12-, se ha determinado la evolu­ ción de la temperatura en su punto frío a lo largo del proceso. En la tabla siguiente se muestran los datos obtenidos, junto con et factor de letalidad correspondiente, calculado medíante la ecuación [1.29]. L a temperatura de mantenimiento se fija en 1.30 UC y se dispone del valor teórico de los

parámetros de termorresistencia del microorga­ nismo objeto de inactivación, a saber; D0 = 0,9 min y Z = 10 “C,

gar el tratamiento a 140 °C en 3,7 s, tal como se expone a continuación;

Fm 58^«í ‘ 101131“1,W>/10' 60 s/mín = 3’7 s FT(s)

7’(UC)

LT

1 2 3 4 5 ó 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

100 105 110 115 120 125 127 128 129 130 140 140 140 140 130 125 115 100

0,0079 0.0251 0,0794 0,2512 0,7943 2,5119 3,9811 5,0119 6,3096 7,9433 7,9433 7,9433 7,9433 7,9433 7,9433 2,5119 0,2512 0,0079

Establezca mediante la aplicación del método de Bigelow si el tratamiento permite o no alcan­ zar el grado de esterilización deseado. A la vista de esta valoración previa, indique cuánto tiempo se ha de disminuir o aumentar el tiempo de tra­ tamiento a 140 °C.

Solución a) El primer paso consiste en representar L T frente a FT El área resultante debajo de la curva corresponde, de acuerdo con la ecua­ ción [1.32], al F0 experimental. Integrando, pues, debajo de la curva se obtiene un F„ experimental igual a 353,3 s (5,92 min). Este valor es inferior al F0 teórico, que viene dado por el producto de D0por n (ecuación [1.10]): 0,9 ■12 = 10,8 min. b) Se necesita, por tanto, aumentar el tiempo a 121 °C en 4,88 min, lo que equivale a prolon­

El método en cuestión puede ser útil para ponderar la contribución de las fases de calenta­ m iento y enfriamiento al proceso térmico glo­ bal. También se puede usar para reajustar inten­ sidades de tratamiento. Si bien el método está basado en datos experimentales y, por tanto, sus resultados son irrefutables, presenta el inconve­ niente de que cualquier modificación de las con­ diciones de operación, aspecto sobre el que se abundará en relación al método de Ball, supone em prender una nueva experimentación.

B) M étodos basados en el empleo de indicadores biológicos tiempo-temperatura Son unos métodos indirectos que se susten­ tan en el em pleo de microorganismos, los cua­ les se sitúan en el interior de un capilar u otro dispositivo en la zona fría del alimento y en un núm ero preestablecido. Una vez se completa el tratam iento se extrae el capilar y se procede al recuento de especies supervivientes. Como se p arte de un microorganismo perfectam ente caracterizado en cuanto a su tiempo de reduc­ ción decimal estándar (¿>u) y se dispone de la inform ación precisa para establecer el orden de proceso (n ) alcanzado, resulta sencillo (ecua­ ción [1.10]) determ inar el valor de esterilización conseguido (F0). A unque se han ensayado numerosos micro­ organismos a tai fin, destaca el empleo del baci­ lo stereatermofilo, que presenta un D 0 —4,5 y un Z - 9,5 (cuadro 1.2). Además, este microorga­ nismo no es tóxico ni patógeno y se conserva aceptablemente bien en agua en torno a los 6°C. Los datos recogidos durante el procesado del microorganismo patrón informan, p o r com­ paración con los resultados teóricam ente previ­

sibles, sobre las características del sistem a y del alim ento en relación a la velocidad con que se transm ite el calor. E sta inform ación se aplica al microorganism o patógeno o alterativo que se desea destruir. Los métodos basados en este tipo de indica­ dores, si bien están exentos de com plicaciones técnico-m atem áticas, req u ieren u n gran num e­ ro de análisis m icrobiológicos, no muy precisos en general. P erm iten com probar si, para una intensidad de tratam ien to dada, se alcanza o no la esterilidad deseada. E l problem a es que de darse el segundo caso, el m étodo no indica en qué sentido ni en qué m edida se han de modifi­ car las condiciones del tratam iento térm ico para asegurar un cierto factor de letalidad. E sta situación explica el que por el m om ento su em pleo se limite a ensayos de control y no a d eterm inar las condiciones de operación más favorables. A pesar de lo anterior, tn la actuali­ dad hay num erosos laboratorios trabajando en este campo; en principio, estos m étodos ofrecen buenas expectativas.

po preciso p ara com pletar un ciclo logarítmico. E l factor latente de la curva de calentam iento o coeficiente de calefacción ( J J viene dado por la siguiente expresión:

j

= I

r z I s>

Tr-T

[1 .3 3 ]

í

donde T0 (tem peratura pseudoim cial) corres­ ponde a la tem peratura resultante de prolongar el tram o recto h asta su intersección con el eje de ordenadas (ordenada en el origen) y T¿(tem ­ p eratu ra inicial) a la tem peratura real del p ro­ ducto al com ienzo de la operación. La diferen­ cia entre la tem peratura del horno y la tem pe­ ratura inicial del producto, que se designa como ¡h, se conoce por déficit inicial de tem peratura.

C) M étodo matemático o de Ball A la vista de las ecuaciones [1.23] y [1.26], la representación sem ilogarítínica de (TR - Tf) frente al tiempo conduce a una recta cuya p e n ­ diente está relacionada con la difusidad térm ica del producto y con las dim ensiones del envase (figura 1.10). D ado que la diferencia TR - 7hdis­ m inuye conforme se caliente el alim ento, resul­ ta preciso invertir la escala scmi-logarítmica. Como quiera que la tem p eratu ra en el punto frío del alimento nunca llegará a adquirir el valor de la tem peratura del h o rn o (su aproxi­ m ación es asintótica), la recta se puede p rolon­ gar hasta el tiem po de tra ta m ie n to deseado. El m étodo de Ball p ara el cálculo del tiem po de esterilización se fundam enta en la ecuación del tram o recto de la curva d e penetración del calor que se rep resen ta en la figura 1.10, E n concreto, la pendiente de este tram o correspon­ de a la inversa de f h, que se define com o el. tiem ­

FIGURA

1 . 1 0 . C u r v a d e p e n e tr a c ió n d e l c a l o r p a r a eí

c á lc u lo d e l tie m p o de p ro c e s a d o según el m é to d o de Ball.

La pendiente del tram o recto de la figura 1.10 responde a la siguiente ecuación: i

i o g £ - i o g ( r * - : r 0)

7T

5

f

,

[U41

determ in a a partir del perfil d e tem p era­ turas durante esta fase.

donde el parám etro g representa la diferencia entre la tem peratura del horno y la tem peratu­ ra máxima alcanzada en el punto frío. Si se despeja B de la anterior ecuación, teniendo en cuenta la inversión de la escala logarítmica, se llega a la siguiente expresión: B = f h[log{TR _ T a) - lo g g ] =

B , que es el tiem po de esterilización busca­ do, corresponde a la mínima diferencia posible entre TR y 7 y es decir, a g. Todos los parám etros indicados hasta el m om ento, excepción hecha de g y de B, se pueden determ inar a partir de la curva de penetración del calor. Si se iguala la ecuación anterior con las ecuaciones [1.23] y [1.26] se puede establecer con facilidad q u e 1¡fh corresponde a “ conciA2’303 ¿ 2 ) ° 11 < W (2 ,S 0 3 L ), según el m ecanismo de transm isión del calor transcu­ rra, respectivam ente, por conducción o por convección. El que prevalezca un mecanismo u otro se denota a través del valor de la pen ­ diente, tanto más pronunciada cuanto mayor sea el peso relativo de la convección. Dado que no se conoce el punto de la curva de penetración identificado p o r las coordena­ das B y g, que es el que asegura un determ ina­ do grado de esterilización para una tem peratu­ ra del hom o dado, el valor de g se establece a partir de toda una serie de parám etros cinéti­ cos. Así, g depende de: •

U, que en realidad es el tiempo de m uer­ te térm ica a la tem peratura del horno

Z se requiere para el cálculo de U, una vez se dispone del valor de este último a la tem peratura de referencia (F0). • Jci este parám etro se corresponde con Jh pero en la fase de enfriam iento. Es el fac­ tor latente de la curva de enfriamiento o coeficiente de enfriam iento. Su valor se

•

j

[1.36] Tic~Tw

donde T oí es la tem p eratu ra pseudoinicial de enfriam iento, que se determ ina prolongando el tram o recto de esta fase hasta s u in tersec­ ción con la o rd en ad a, T¡c es la te m p eratu ra inicial d e en friam ien to , ordenada e n el origen de la curva, y Tw es la tem peratura d el agua de refrigeración, la cual perm ite, a trav és de su circulación p o r el interior del serp en tín alo ja­ do en el horno, forzar el enfriam iento del p ro ­ ducto. P or lo general, especialm ente en los ali­ m entos sólidos, en los que p rev alece la con­ ducción térm ica, existe un p e rio d o de in d u c­ ción hasta que el producto com ienza a en friar­ se. D e no darse esta inercia térm ica, T¡c coin­ cidiría con el valor de la tem p eratu ra utilizada en la definición de g, es decir, la m áxim a te m ­ p e ra tu ra alcanzada en el punto frío del ali­ m ento. Pues bien, todavía hay un leve incre­ m ento de esta tem peratura, que se tiene cu cuenta al in tro d u cir el coeficiente de refrig e­ ración. C onociendo los valores de U/fh , J í y Z la determ inación de g es inmediata, ta l como se puede apreciar en el cuadro 1.4. En los sistem as de calefacción discontinuos sólo el 40% dei tiem po necesario p ara que el horno ad q u iera su tem peratura d e operación (tram o curvado de la gráfica de p en etració n del calor, que se designa por /) contribuye a la esterilización del producto. D e ac u erd o con esta n o rm a se pu ed en distinguir tr e s tipos de tiem po: • • •

B = tiem po de esterilización total. B ' = B - 0,6 1 = tiempo de esterilización efectivo. B " = B -1 = tiem po de esterilización a T R.

CUADRO 1.4 Determinación de g en función de U/fhy J e para un Z - 1 0 °C

Vu 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 10 20 30 40 50

100 500

0.4 0,041 0,087 0,15 0,226 0,313 0,408 1,53 2,ó3 3, 3 —►

c o m p r im id o

—8

tx l-¡

ixh-r"j

A g u a d e r e p o s ic ió n p a r a a ju s ta r n iv e l

-!X b _

*—

E s c a p e d e a ir e

■¡GURA 1 .1 2 . A u to c la v e p o r r o c ia d o c o n a g u a c a lie n te (S te rifío w ).

está determ inada por su velocidad de paso sobre ia superficie de los envases, lo que a su vez condiciona el valor del coeficiente indivi­ dual de transmisión de calor, es decir, el flujo de calor. Además de la versatilidad, ventaja que se puede considerar característica de los autocla­ ves discontinuos, los sistemas Stcriflow desta­ can por su buen control de la tem peratura de procesado, por sus reducidas necesidades de agua y por la velocidad con que ésta se puede calentar o enfrian El em pleo de agua permite prescindir de la purga de vapor. La presión se regula mediante las líneas de admisión y des­ carga de aire. El condensado procedente del intercam bio del vapor se recircula a la caldera de generación de vapor, m ientras que el agua de salida de refrigeración es de directa reutiliza­ ción. Steristeam. Se trata de un tipo de autoclave pensado para esterilizar productos envasados en recipientes de cristal u plásticos tennoestables, materiales ambos susceptibles de reventar por sobrepresión. Para equilibrar la presión entre el interior y el exterior del envase, se uti­ liza en todo momento una mezcla vapor de agua-aíre comprimido, cuya proporción se esta­ blece atendiendo a la tem peratura y presión deseadas a lo largo del proceso. El autoclave Steristeam presenta la entrada de la mencionada mezcla por su p arte superior. La corriente gaseosa se dispersa en tre los enva­ ses con ayuda de unos ventiladores centrífugos. Esta práctica resulta imprescindible para asegu­ rar tanto una buena distribución de la corriente como la uniformidad de la mezcla aire-vapor en el seno del autoclave. D e lo contrario, el aire, frío respecto al vapor y más denso, tendería a acumularse en el fondo del recipiente, favore­ ciendo la heterogeneidad del tratam iento tér­ mico. Una vez se completa ci tiempo de esteriliza­ ción, se evacúa el vapor de agua y se procede a enfriar la carga. El enfriam iento en el autoclave Steristeam se efectúa por inyección de agua fría (pulverización), con recircuíación de la misma,

o m ediante aire refrigerado. E n otros casos, el enfriamiento se acomete por inmersión en agua fría. El alimento envasado se distribuye en ces­ tos dentro del autoclave. La presión se controla durante la operación por m edio de una válvula de alivio al efecto, Lagarde. Consiste en un autoclave estático, horizontal y discontinuo, provisto de uno o más ventiladores para aum entar la velocidad de entrada del vapor de agua. E sta variante de autoclave mejora la velocidad de transmisión del calor entre el vapor y el contenido del enva­ se. El enfriamiento se efectúa con lluvia de agua fría en circuito cerrado, intercalando en la línea de recirculación una máquina frigorífica. Los envases, como en todos estos sistemas dis­ continuos, se agrupan en cestas para facilitar su carga y descarga. Sin cestas. Aunque este autoclave opera por cargas, se puede considerar, dado su elevado grado de automatización, como un sistema con­ tinuo. La capacidad de tratam iento depende, por tanto, del núm ero de unidades instaladas. Su principal característica es la ausencia de ces­ tas y su gran versatilidad, aun con producciones considerables. Consiste en un recipiente con carga por la parte superitar y descarga por el fondo, dolado de líneas de entrada y salida de vapor de agua, agua y, si procede, aire. El ciclo de esterilización, representado en la figura 1.13, está constituido por una serie de etapas. Se inicia con la carga de los envases, que se transportan hasta la boca correspondiente mediante una cinta sinfín. La caída de Jcjs enva­ ses en el interior del recipiente se ve am orti­ guada por la presencia del agua caliente utiliza­ da en la etapa de enfriamiento del anterior ciclo. Una vez se llena y se cierra el autoclave, comienza a alimentarse eí vapor de agua, pri­ m ero como fluido de desplazamiento del agua y, después, como agente de calefacción. Comple­ tado el tiempo de tratam iento dispuesto, se introduce agua y, si es el caso, tam bién aire a presión, a fin de proceder al enfriamiento de los envases* Transcurrido un tiempo, se abre la boca

Vapor

Elapa 2

Etapa 1 Agua

Aire

FIGURA 1 . 1 4 . E s t e r iliz a d o r H y d ro lo c k .

1: c a r g a , 2 : c ie rr e

h id r á u lic o , 3 : s e c c ió n d e e s te r iliz a c ió n c o n v a p o r, 4 : s ec­ c ió n d e r e fr ig e r a c ió n c o n a g u a a p r e s ió n , 5 : s e c c ió n de r e fr ig e r a c ió n c o r a g u a , y ó : d e s c a rg a .

A g u a d e _ _ fp r e f r ig e r a c ió n

Etapa 4 FIGURA 1 . 1 3 . E ta p a s d e l c ic lo d e e s te r iliz a c ió n d e un a u to c la v e s in ce sta s.

inferior, si tunda p o r debajo del nivel del canal de refrigeración, de tal form a que los envases se descargan al m encionado canal, m anteniéndose en el interior del autoclave el agua, ya caliente y lista para recibir una nueva carga. Los envases se depositan sobre una cinta sinfín sum ergida en el canal, que se encarga de transportarlos, al tiem po que se enfrían, a la zona de escurrido. H ydrolock. L a esterilización del producto envasado tie n e lugar en una cám ara cilindrica dispuesta horizontalm ente. Los envases, que circulan p o r el sistem a m erced a una cadena tran sp o rtadora, se introducen, en la cám ara a través de un a válvula ro ta to ria sum ergida en agua, cierre hidráulico que perm ite m an ten er la presión en el interior de la misma. Los sucesi­ vos pasos del envase en sentido longitudinal descendente a través de la zona sup erio r de la cám ara aseguran la esterilización del producto, el cual se p ree n fría haciéndolo circular por d ebajo del nivel del agua. E n la figura 1.14 puede apreciarse un esquem a del equipo. El enfriam iento del envase se com pleta eo el exte­ rior del esterilizador p o r inm ersión en agua a presión atm osférica. E l dispositivo de rotación de los envases consiste en unas ranuras practicadas bajo los

tran sp o rtad o res, lo q ue les confiere u n giro axial a lo largo de su recorrido. Los eq u ip o s in c o rp o ran la p o sib ilid ad de e m p le a r aire caliente ju n to con el vapor de agua. La m ezcla de fluidos térm ico s se m ejora con ayuda de un ventilador. D estacan p o r el b uen ap ro v ech a­ m iento del espacio, vapor de agua, m ano de o b ra y agua. Sin em bargo, cabe citar como inconv en ien te que el envase se ve som etido a un gran esfu erzo d urante las operaciones de carga y d escarga en su paso a través de la vál­ vula ro tato ria. Sterilmatic. Se trata de un esterilizador co n ­ tinuo ro ta to rio constituido p o r al m enos tres cilindros en serie, en los que se procede al tr a ­ tam iento térm ico del envase y a su en friam ien ­ to, ta n to a p resió n com o a presión atm osférica. C uando la evacuación del aíre se efectúa p or envasado d e l p ro d u cto en frío, se req u iere dos etapas p rev ias de precaíefacción, la p rim era a presión atm osférica y la segunda ya a p resión. E s decir, el sistem a en su conjunto p u ed e cons­ ta r de h asta cinco cilindros, conectados e n tre sí por m edio d e unas válvulas ro tato rias q u e ase­ guran la ausen cia de fugas de v a p o r de ag u a y el m an ten im ien to de la presión adecuada en cada caso. E xisten ciertas variantes de estos esterili­ zadores, en las que se utiliza agua so b rec ale n ta­ da en lugar de vapor de agua. Las latas se sitú an sobre un rotor, qu e en su giro p erm ite la circulación de las mismas. La traslación helicoidal de los envases se fu erza a través de u n o s canales existentes en la p arte inferior de las p ared es internas de las carcasas,

q ue es la zona donde tiene lugar la rotación de la la ta sobre su eje axial. Sólo el 30% del reco­ rrido del envase en un giro com pleto contribu­ ye a la rotación axial del mismo. D urante el resto del recorrido el envase descansa sobre la p ared externa del ro to r sin que se produzca contacto con la carcasa. Este tipo de esterilizadores continúa utili­ zándose profusam ente, sobre todo en el sector conservero. E s simple y consistente y da lugar a un tratam iento térm ico hom ogéneo. Ocupa, sin em bargo, un cierto espacio (nótese que las latas se sitúan en la periferia de las cámaras) y su capacidad de procesado puede considerarse baja: sobre las 5001atas/min. Resulta imprescin­ dible una inspección previa de los envases; si un envase defectuoso desequilibra el sistema, con el consiguiente atasco, la instalación incorpora un autom atism o de parad a que preserva al m o to r de posibles daños. El funcionamiento del equipo implica bruscos cambios de presión y tem peraturas, cuestión que restringe su campo de aplicación. D ado el principio cu que se basa la rotación del envase, el diseño de estos equi­ p o s parte del tam año d e los mismos. Es decir, ofrecen poca versatilidad en cuanto a tamaños de envase. Flash 18. E ste equipo está precedido de un llenado del producto en caliente. Así, el pro­ ducto a granel calentado por inyección de vapor de agua se bom bea a 130 ”C, tem peratura supe­ rio r a la de esterilización, hasta la cámara de lle­ nado, donde reina una presión inferior, lo que se traduce en un “flash” que perm ite su desga­ sificación y la evacuación del aire del envase. U na vez se cierra el envase, éste se conduce a un túnel de calentam iento, en el que se mantie­ n e a 124° C, tem p eratu ra resultante de la des­ com presión en la etapa anterior, hasta alcanzar el grado de esterilización deseado. E l producto envasado y estéril se transporta a un segundo túnel, esta ve 2 de enfriam iento, para posterior­ m ente abandonar el recinto ptesurizado a tra­ vés de una esclusa al efecto, y com pletar la ope­ ración a presión atm osférica p o r rociado con agua. El sistema descrito se aplica a alimentos

que por su destino final requieren un tam año de envase considerable y que de tratarse por otros m edios los tiem pos de esterilización precisos, muy elevados, alterarían su calidad original, Hidrostático o de Carvallo. E n este esterili­ zador, cuyo nom bre alude al principio en que se fundam enta, los envases circulan p o r una cám a­ ra en la que el vapor de agua se confina m edian­ te un cierre hidráulico. Com o se puede apreciar en la figura 1.15, la altura de las columnas de agua a ambos lados de la cám ara (presión hidrostática) determ ina la presión del vapor en su interior, es decir, la tem peratura del trata­ miento. Las columnas cum plen, adem ás, una segunda función: regulan la presión exterior sobre el envase. L a presión externa al envase aum enta progresivam ente según éste avanza hacia la cám ara y viceversa conforme se aleja de la misma hasta alcanzar la presión atm osfé­ rica. La refrigeración del envase se efectúa en línea por medio de una pulverización con agua, seguida de una inm ersión en un baño, tam bién de agua. E l nivel del cierre hidráulico se controla m ediante un flotador, m ientras q ue los niveles de las columnas se regulan por rebose. El agua, que circula p o r las columnas en contracorriente respecto al sentido del envase, abandona el sis­ tem a por encima de los 80 °C. Se reutiliza para otros fines y se recupera su entalpia por inter­ cambio con el agua de alimentación. Sus venta­ jas más sobresalientes son: •

Presentar saltos térmicos y ' de presión moderados. • Los consumos de agua y de vapor son más que aceptables: 1 T y 50 kg, respecti­ vamente, p o r T de producto tratado. ■ Son polivalentes en cuanto al tipo de envase. A dm iten latas y recipientes de vidrio o de plástico, aunque en estos dos últimos casos la sección de refrigeración debe operar a sobrepresión para evitar riesgos de reventam icnto de los envases, • Da lugar a productos con un tratam iento uniforme.

C ám ara de va p o r Zona de precaienfam iento

A lim enta dor de latas Colum na de refrigeración po r pulverización

F ig u r a 1 . 1 5 . A u to c la v o h id r o s tá tr c o .

•

Perm ite un elevado nivel de autom atis­ mo. E l control, además de fácil, es sum a­ m ente eficaz, especialm ente en lo que se refiere a la tem peratura de esterilización. • O frece cierta versatilidad en cuanto al tam año de los envases. • Son robustos y ocupan poca superficie.

Las to rres de esterilización precisan, sin em bargo, una fuerte inversión. La altura de estos equipos determ ina una com ponente de ingeniería civil considerable. O tro inconvenien­ te viene dado por el bajo nivel de agitación del envase. Sí se quiere potenciar este aspecto, hay que dotar a la instalación de alguno de los siguientes dispositivos: •

D oble cadena tran sp o rtad o ra, de tal form a que el envase pase alternativam en­

• •

te de una a otra a lo largo de su circula­ ción. V ibración perm anente de la cadena. M ovim iento de los envases, m erced a unos im anes situados alternativam ente a uno y otro lado de la cadena.

Ciertos equipos adm iten más de una linca de carga y descarga. Otros, como eí Hunister, incluso están provistos de más de una cám ara de esterilización con vapor de agua. El tiem po d e esterilización se establece atendiendo a la velocidad de transporte del producto. En suma, los autoclaves hidrosláticos están indicados p ara grandes capacidades de tratam iento (en to m o a las 1.000 latas/min) y para productos con tiem pos de procesado análogos. Se utilizan en la industria conservera y en las centrales lác­ teas p ara la producción de derivados en b o te-

lias, como es el caso de los batidos o de la pro­ pia leche esterilizada. H ydroflow. E n este autoclave horizontal continuo los envases se transportan p o r el inte­ rior de los tubos m ediante agua. Consta de eta­ pas de precalentam iento, esterilización, prerrefigeración y refrigeración. Cada sección incor­ pora su propia línea de agua, cuya tem peratura es, obviamente, distinta en cada caso. La zona de esterilización se encuentra presurizada a fin de poder utilizar agua sobrecalentada. Universal. E m plea tam bién agua como agen­ te esterilizante. L a disposición del equipo es, asimismo, horizontal con transporte de los pro­ ductos en sucesivos pasos a lo largo de ambos sentidos. El calentam iento se efectúa por rocia­ do de agua en la zona presurizada. La refrige­ ración tiene lugar en dos etapas: a presión y a presión atmosférica. Los envases, agrupados en cestillos, se transportan mediante un tornillo sinfín de desplazam iento positivo. Todo el agua de salida se rcutiliza. Ekelund. Se trata de un autoclave que parte de un envasado del producto en caliente. El tra ­ tamiento consiste en una calefacción del envase con corriente de aire a 145 nC durante unos 15 min. El enfriamiento es con agua. Se ha utilizado para esterilizar leche enlatada. Su uso está muy restringido por el considerable salto de presión que lleva consigo, lo que limita el tamaño del envase. Se ha utilizado con frutas y legumbres. Steriflamme. E n este caso la esterilización se efectúa por contacto directo de la lata con gases de combustión procedentes de un quemador. L a operación comienza con el preca lenta mien­ to del producto a 100 "C con vapor de agua. A continuación, un dispositivo perm ite girar los envases a gran velocidad (100 rpm ) mientras entTan en contacto con el gas a presión atm os­ férica. La esterilización a cerca de 1-700 °C se completa en m enos de 1 minuto, lo que perm i­ te alcanzar una tem peratura de 130 °C en el interior del envase. La últim a etapa consiste en una refrigeración por pulverización con agua fría. En la figura 1.16 se esquem atiza el proceso de esterilización a la llama.

Salida P rec a le n ta d o rd e vepor ) Llama

1

W vV W Mantenimiento --------► Refrigeración

FlCURA 1 . l ó . Esterilizador de llama o Sferiffomme.

Las condiciones del tratam iento se asemejan a un proceso HTST, lo que en principio asegura la calidad del producto procesado. E l equipo, por otra parte, no requiere una excesiva inver­ sión y su funcionamiento es sencillo. Sin embar­ go, la gran diferencia de presiones que se gene­ ra entre el interior y el exterior del envase deter­ mina el empleo de latas de pequeño tamaño, más resistentes, y justifica uu llenado bajo alto vacío. A un con todo, el principal inconveniente de este sistema viene dado por la imposibilidad de alcanzar el mismo grado de esterilización en todas las latas, razón por la que su uso se encuentra en claro retroceso frente a otros equi­ pos de esterilización. E ste proceso comenzó a ensayarse sobre 1960 con champiñones. Se ha utilizado tam bién con guisantes, alubias, zana­ horias, judías verdes, setas y tomates. Incluso se llegó a esterilizar por este medio leche enlatada y carne de vacuno troceada en cubitos.

1.3. Esterilización de alimentos sin envasar E l auge de la esterilización de alimentos fuera de los envases obedece a los inconvenien­ tes que plantea el tratam iento térm ico de p ro ­ ductos envasados. E l envase supone una resis­ tencia adicional a la transmisión de calor, que se traduce en tiem pos de operación mayores, cuestión que redunda en una perdida de calidad del producto. La esterilización de alimentos

envasados origina, además, un gradiente térm i­ co en tre el centro del producto y su periferia, lo que da lugar a la postre a un producto de carac­ terísticas heterogéneas. E n el caso de los ali­ m entos bifásicos, la fracción líquida estaría som etida a una esterilización muy superior a la de la fracción sólida, con la consiguiente altera­ ción térm ica. La m ejora de la transm isión de calor se limita a introducir o a forzar una agita­ ción del envase. El m aterial del mismo y su espesor, aspectos cruciales a efectos del paso del calor, están determ inados por su resistencia m ecánica a la diferencia de presiones entre el interior y el exterior del recipienle, función a su vez del perfil térm ico de la operación. Es decir, no se puede operar a altas tem peraturas sin modificar la resistencia m ecánica del envase (mayor espesor para un mismo material), lo que reduciría la velocidad de transmisión del calor (tiempos más largos). A n te esta situación, surge la necesidad de p ro ced er a la esterilización del alim ento antes de su envasado. E sta práctica tiene como p rin ­ cipal ventaja la posibilidad de o perar a altas tem p eraturas o, lo que es lo mismo, en tiem ­ pos cortos, circunstancia que proporciona un producto de calidad muy superior. Estas co n ­ diciones de tie m p o -te m p e ra tu ra (m étodos H T ST ), tal como se ha p u esto de m anifiesto en el ap artado 1.1.8, aseguran un o rden de proceso determ inado sin que se active la des­ trucción de n utrientes y o tro s parám etros de calidad. Se consiguen alim entos con una cali­ dad equiparable a los irradiados o refrig era­ dos, con la particularidad de que su período de conservación es superior a seis meses, y ello sin refrigeración alguna. D e lo dicho se d esp ren d e que al no necesitar un transporte frigorífico su área potencial de distribución sea mayor. E l envasado o procesado aséptico, nom bre del conjunto de operaciones que requiere la esterilización de alim entos no envasados, tiene un a ventaja añadida: las condiciones del trata­ m iento térm ico no dependen del tam año del envase. E l tiempo de operación no varía. Esto

perm ite disponer de envases de mayor tam año. El procesado aséptico de alimentos no d a lugar a desequilibrios entre la presión interior y la exterior al envase ni a choques térmicos. La desgasificación a alta tem peratura ev ita el escaldado previo a la appertización que requie­ ren ciertas verduras. Las instalaciones al efecto ofrecen un m ayor grado de autom atización, así como un m enor consum o energético. L a técnica descrita tiene su campo de aplica­ ción en los alimentos líquidos y en suspensión, y más recientem ente en los llamados particula­ dos, productos en los que las fracciones sólidas de la suspensión acuosa son de un cierto tam a­ ño. Como contrapartida a las ventajas expues­ tas, el envasado aséptico requiere una inversión inicial considerable. E sta tecnología en su con­ junto exige: * La esterilización de envases, tanques y conducciones. * La esterilización del producto. « La esterilización d e los equipos d e llena­ do y envasado. * U na atm ósfera de aire estéril. Si el p roducto es heterogéneo la instalación resulta más compleja. D e cualquier form a, la mano de obra es más cualificada en el envasado aséptico q ue en la appertización. El cam po de aplicación de la esterilización de productos a granel incluye el tratam iento de leche, zum os y concentrados de frutas, yogurt, nata, sopas, vino y helados. Tam bién se tratan por esta vía suspensiones más o m enos viscosas de alim en­ tos para bebés, derivados del tomate, frutas y verduras. L a fragilidad d e la fracción sólida de determ inados alim entos restringe su aplicación a otros productos.

1.3.1. Procesada aséptico

Las principales etapas de una instalación de procesado aséptico, representada en la figura 1.17, son:

FIGURA 1.17. Instalación de procesado aséptico.

Esterilización previa de la instalación. Desaireación. E l producto se somete a vacío en continuo p a ra desorber el aire De no llevarse a cabo esta operación, las reacciones de oxidación podrían afectar a! producto tanto durante su procesado como en el alm acenam iento. Calentamiento y enfriamiento. Se precisa calentar el producto hasta la temperatura de esterilización para, una vez tratado en el tubo de m antenim iento el tiempo requerido para alcanzar el orden de pro­ ceso dado, enfriarlo hasta una tem peratu­ ra de llenado aceptable. Los dispositivos de intercam bio de calor al respecto y los problemas asociados a la fluidodinárnica del alim ento se estudiarán en el siguiente epígrafe. Mantenimiento. Es la etapa clave de la esterilización. L a longitud del tubo de mantenimiento, que se establece aten­ diendo a las propiedades fluid o dinámicas del alimento, determ ina el tiempo de resi­ dencia necesario p ara alcanzar el grado de esterilización previsto. Su diseño plan­ tea ciertas consideraciones, a saber: 1. Se dispone con un a cierta inclinación vertical (> 2 % ) respecto al sentido de

2. 3. 4. 5. 6.

7.

flujo p ara facilitar la evacuación de bolsas d e aire y el escurrido du ran te las operaciones de limpieza. Su superficie interna deb e estar m uy lisa, pulim entada. N o se deb e sobrecalentar el producto a lo largo de su recorrido. D eb e ser desm ontable p o r secciones. Se debe preservar de condensados y de contactos con aire frío. Com o to d a la instalación, debe m an­ ten er u n a cierta sobrepresión p ara evitar la desorción de volátiles o la ebullición del producto. La sob rep re­ sión impide, además, la recontam ina­ ción del producto por contacto con el aire am biente del recinto, que a su vez tam bién tiene una ligera sobrepresión respecto ai atmosférico. Incorpora un sistema de m edida y control de la tem peratura.

• Alm acenam iento. La instalación posee un tanque de alm acenam iento del producto ya estéril, a fin de prevenir posibles con­ tingencias en las secciones de llenado y envasado. « Derivación del producto. Si p o r cualquier circunstancia se detecta que el producto

cumple la esterilidad comercial previs­ ta, el sistema cuenta con la posibilidad de desviar el flujo antes de que contam ine las secciones de llenado y envasado. Llenado y envasado aséptico. I,a o b te n ­ ción de un producto estéril en recipientes herm éticam ente cerrados pasa por cum ­ plir una serie de requisitos durante las etapas de llenado y envasado, los cuales son: 110

•

1. Esterilización de los equipos. 2. Esterilización de la superficie interna del envase. 3. Dosificación aséptica del producto en el envase. 4. Cierre herm ético de los envases, 5. M antenim iento de la esterilidad d urante el tiem po de producción, incluyendo la del aire am biente cir­ cundante a l a operación. P o r último, conviene resaltar la im portancia que presenta en este tipo de procesos alcanzar un buen control del flujo. El tiempo de esterili­ zación en el tubo de m antenim iento es función, para u na longitud dada del mismo, de la veloci­ dad de paso del alim ento. Por lo general, se recurre al em pleo de bombas dosifícadoras de precisión.

nárnicas y superficiales del alimento, que d eter­ m inan el régim en de flujo y la acum ulación de depósitos sobre las paredes dei intercam bíador, se suelen distinguir tres tipos de alimentos según su consistencia: líquidos, suspensiones de sólidos en líquidos, de mayor o m enor viscosi­ dad, y fluidos con sólidos particulados, en los que el tam año de estas partículas es relativa­ m ente grande. La sensibilidad térm ica del p ro ­ ducto y su resistencia mecánica condicionan, asimism o, la selección del sistema de intercam ­ bio de calor. E n general, han de reunir los siguientes requisitos: •

Capacidad p ara operar po r encima de los 120 °C. • E lev ad a superficie de intercam bio por u n id ad de volumen. • O peración en régimen turbulento con control del flujo. • S istem a de lim pieza que asegure la ausencia de depósitos superficiales. Las instalaciones de intercam bio de calor se clasifican atendiendo al tipo de contacto q u e se establece entre el alim ento y el fluido calefac­ tor. Si el alim ento tiene una consistencia apta para su bom beo, se distinguen dos m odalida­ des, a saber: •

1.3,2. Sistemas de intercambio de calor

U na instalación de intercam bio de calor en un procesado aséptico debería, en teoría, calen­ tar el producto hasta la tem peratura de esterili­ zación de form a súbita, y una vez se alcanza la esterilidad deseada a esa tem peratura en su recorrido a través de la sección de m anteni­ m iento, enfriarlo tam bién súbitam ente hasta la tem p eratura adecuada para el llenado. La ap ro ­ ximación a este caso ideal depende del grado de autom atización y control de la instalación y de las propiedades y com posición del alim ento a tratar. Al m argen de las características fluidodi-

•

C ontacto directo. Se lleva a cabo por inyección o p o r infusión de vapor de agua, según éste se pone en contacto con el producto o viceversa, respectivam ente. C ontacto indirecto. Se agrupan bajo esta denom inación los intercam biadores de placas, de tubos (concéntricos), de carcasa y tubo y de superficie rascada o barrida.

Los sistemas de intercam bio directo están especialm ente indicados cuando se desea un calentam iento extrem adam ente rápido y a alta tem p eratu ra. Son los equipos utilizados en los tratam ien to s U H T (U ltra H igh T em perature). E l enfriam iento se aborda por evaporación súbita (flash) a vacío del agua procedente de la

condensación del vapo r utilizado durante la fase d e calentam iento del alim ento. E sta prácLica p uede dar lugar a la desorción sim ultánea de los com ponentes más volátiles, lo que en algu­ nas ocasiones resulta conveniente (desodorización de la leche). Las consideraciones ingeníen­ les relativas a los intercam biadores d e contacto indirecto ya se han expuesto en el volumen I de esta obra. L a discusión siguiente se limita a establecer la com paración entre los dos tipos de contacto posibles. Se com pleta esta exposición con la descripción de los sistemas propuestos para el envasado aséptico de alim entos particu­ lados. Inyección de Vapor de A gua. E n este caso el vapor de agua, de 5-6 kg/cin2, presión suficiente para alim entarlo a la cám ara de esterilización por sobrepresión, se proyecta sobre el producto m ediante un inyector. La condensación del vapor perm ite elevar muy rápidam ente la te m ­ p eratura del alim ento. T ranscurrido el tiem po de residencia necesario para alcanzar Ja esterili­ zación, unos pocos segundos, se pasa el alim en­ to aguado a una cám ara a vacío, donde, adem ás de producirse un enfriam iento súbito, se regula su contenido final de agua por evaporación de la misma. Si se desea m antener el contenido original de agua del producto, la cám ara a vacío opera so b re los 0,4 kg/cm2, lo que supone una tem p eratura de saturación del vapor de agua en torno a los 76 aC La inyección de vapor es uno de los m edios de calentam iento m ás rápidos y ofrece un enfriam iento instantáneo. Puede, p o r tanto, ser muy eficaz p ara alim entos term oseri­ sibles. E n tre sus inconvenientes cabe citar: •

La aplicación queda limitada a fluidos no muy viscosos. • R equieren un vapor d e calidad, es decir, hay que p artir d e un agua tratada. • E l aprovecham iento energético es muy deficiente, com o la m itad del de un con­ tacto indirecto. • E l sistem a no es versátil en Jo q u e se refiere al tratam iento de productos dife­ rentes.

Ejemplo 1.9. Regulación del contenido de agua del producto en el tratamiento por inyec­ ción de vapor. Se pretende regular el contenido de agua de la leche aprovechando que se ha de someter a un proceso UHT. En la unidad de uperización la leche pasa de 85 a 160 °C, temperatura de trata­ miento, merced a la inyección de vapor de agua. Supuesto que los calores específicos del agua y de la leche son iguales: 1 kcal/(kg °C), determine la temperatura de saturación del vapor de agua que abandona la cámara de expansión en los siguien­ tes casos; — Reducción del contenido de agua (concen­ tración) desde el 85 al 84% en peso. — Aumento del contenido de agua (dilución) desde el 85 al 86 % en peso. Dato: X (kcaf/kg) = 598,8 - 0,588 T (°C).

Solución

Base de cálculo: 1 kg de leche a la entrada de la unidad. Vapor de inyección necesario por kg de leche (r): 1 kg • 1 kcal/(kg - °C) - (160 - 85) °C = x • (598.8 - 0,588 • 160); x --- 0,1485 kg vapor/kg leche a) Concentración Cantidad de agua que sale con la leche: 1 • 0,15 • (0,84/0,16) = 0,7875 kg. Cantidad de vapor que abandona la cámara de expansión: 0,1485 + (0,85 - 0,7875) = QR11 kg. Cantidad de leche que se enfría: I - (0,85 0,7875) = 0,9375 kg. Balance entálpico: 0,9375 (160 - T) = 0,211 (598,8 - 0,588 T)\ T = 29,1 "C. b) Dilución Cantidad de agua que sale con la leche: 1 • 0,15 • (0,86/0,14) --=0,9214 kg. Cantidad de vapor que abandona la cámara de expansión: 0,1485 - (0,9214 - 0,85) = 0,077 kg. Cantidad de leche que se eDÍría: 1 - (0,9214 0,85) = 1,0714 kg.

Balance entálpico: 1,0714 (160 - 7) = 0,077 (598,8 - 0,588 7); T= 122,1 °C. En este último caso la cámara de expansión opera por encima de la presión atmosférica.

Infusión de vapor de agua. En estos sistemas se ncbuliza el alimento sobre el vapor, tal como se pone de manifiesto en la figura 1.18. Tras unos segundos en la fase de mantenimiento, el alim ento aguado se difunde a la cámara de vacío, donde se enfría. La entalpia del vapor separado en la evaporación súbita del condensado se aprovecha p ara precalentar la corriente de entrada al difusor, procedimiento también utilizado en los sistemas de inyección. E l tama­ ño del poro del difusor se establece atendiendo a la reología del producto y al diám etro de gota deseado. Ciertos diseños de difusores son capa­ ces de pulverizar alimentos particulados, aun­ que en principio éste no sea el sistema más apropiado al caso, Sus principales ventajas son: • C alen tam ien to sum am ente rápido y enfriam iento tam bién muy rápido. Pre­ serva, pues, la calidad del producto. • A dm ite productos más viscosos que los tratados p o r inyección.

Producto

Vapor

a+V r

L_J Producto ^

tratado

FlOURA 1.18. Calentamiento directo por infusión de vapor.

• Control más eficaz del sistema. • Bajo riesgo de sobrecalentamiento del producto. Los equipos de contacto directo ofrecen la posibilidad d e trabajar a temperaturas muy ele­ vadas. Su propia concepción evita puntos de sobrecalentamiento en el producto, así como la aparición d e depósitos, circunstancia que sí se da en equipos de contacto indirecto. Además, son capaces de tratar fluidos relativamente vis­ cosos a diferencia de los sistemas indirectos. Por el contrario, presentan algunos inconve­ nientes, entre los que destacan: la necesidad de disponer d e un vapor de calidad y la escasa recuperación de energía. La inversión requeri­ da al efecto resulta superior a la de las instala­ ciones de contacto indirecto. Inter cam biador de placas. Es e l intercambia­ dor más extendido en la industria alimentaria. A dm ite una gran variedad de productos con distintos grados de calefacción; basta modificar el número de placas. Su compacidad determina unas necesidades de espacio reducidas. Requie­ re poca inversión y su rendimiento energético es muy bueno. Su accesibilidad permite una fácil limpieza y un buen mantenimiento. La principal limitación del iniercambiador de placas viene dada por las presiones y tempe­ raturas de operación. En condiciones exigentes, sus juntas de estanqueidad se deterioran con rapidez. Su diseño determina una velocidad de flujo moderada, lo que favorece el calentamien­ to heterogéneo y su ensuciamiento. Requiere, pues, una lim pieza frecuente, sin utilizar disolu­ ciones cáusticas, que podrían dañar la s juntas. Presentan una sección de paso muy reducida, lo que les hace propensos a las obstrucciones; su aplicación se restringe a fluidos poco viscosos. Sus características determinan, asimismo, una notable pérdida de carga. Intercam biadores de tubos (concéntricos) y de carcasa y tubo. Los de tubos son lo s precur­ sores de lo s intercambiadores de carcasa y tubo. Los equipos constan de dos o tres tubos con­ céntricos. E l alimento circula, respectivamente.

p o r el conducto central o por d espacio anular interm edio. Su principal inconveniente reside en su lim itada superficie de intercam bio por unidad de volumen; esto es, se precisan equipos m uy voluminosos. Para solventar esta cuestión, surgen los intercam biadores de carcasa y tubo en sus distintas configuraciones en cuanto a núm ero de pasos de am bos fluidos. Su diseño m ecánico, con pocas juntas de estanqueidad, ofrece la posibilidad de operar con presiones más elevadas, es decir, con mayo­ res velocidades de flujo. Se alcanza, por tanto, un régim en de circulación más turbulento, lo que favorece una transm isión de calor más uni­ forme, una menor form ación de incrustaciones p o r acumulación de depósitos y su aplicación a alim entos más viscosos. Como contrapartida, los intercam biadores de carcasa y tubo ofrecen una difícil valoración de su grado de ensuciam iento con el tiempo. Son muy poco flexibles en cuanto a su capaci­ dad de intercam bio. P or último, constituyen un elem ento crítico de la producción. El deterioro de un sólo tubo supone la parada de la insta­ lación. Los intercam biadores de tubos concéntricos participan de las ventajas enum eradas con ante­ rioridad. especialm ente de las relativas a la fluidodinám ica, toda vez que los flujos no presen­ tan cambios de dirección a lo largo de la opera­ ción. Esta circunstancia perm ite, además, tratar fluidos más viscosos. Su limpieza y m anteni­ m iento es, por otra parte, más sencilla y eficaz. Sin em bargo, su baja superficie d e intercambio p o r unidad de volum en limita en exceso su capacidad de tratam iento. Intercambiador de superficie rascada. En realidad, son una variante de los intercambiadores de tubos concéntricos, cuya aplicación, habida cuenta de la fuerte inversión que requie­ re n y de su lim itada capacidad de tratamiento, sólo se justifica cuando el alim ento es muy vis­ coso o incluso particulado (adm ite sólidos de h asta de 1 cm). E jem plos al respecto son los purés, los concentrados de zumo de tomate o los helados. A unque norm alm ente se utilizan

como un simple m edio de calentar o enfriar, tam bién se aplican a la pasteurización, a la este­ rilización de platos prccocinados, a la cristaliza­ ción previa a la concentración por congelación y a la evaporación de productos muy viscosos. E l fluido térm ico circula por el espacio anu­ lar externo, en tanto que el alim ento fluye por el conducto central, donde axialm ente se aloja un ro to r provisto de unas rasquetas. Este dispo­ sitivo mejora la transm isión de calor al pro p o r­ cionar una significativa agitación. Por otra parte, el desprendim iento de los com ponentes adheridos a la superficie hacia zonas menos calientes o más frías, según se caliente o enfríe, respectivam ente, reduce el gradiente radial de tem peraturas. Se obtiene, pues, un producto térm icam en te más h o m ogéneo. E l b arrid o superficial efectuado por las rasquetas palia adem ás la formación d e incrustaciones. Los costes de operación asociados a un intercam biador de superficie rascada son eleva­ dos. A los costes habituales se ha de sum ar la partid a relativa al consumo de energía debida al m otor del rotor. El sistem a imposibilita, por otro lado, la recuperación del calor. Su fiabili­ dad es m enor que la del resto de intercanibiadores. A pesar de todo, estos sistemas resultan imprescindibles en m uchas ocasiones. Sistemas de intercambio para alimentos p a r­ ticulados. Los alim entos con sólidos de cierto tam año, pero que contienen tam bién fase líqui­ da, son aquellos que presentan mayores dificul­ tades para su procesado aséptico. Por lo gene­ ral, el sólido circula a m enor velocidad que el líquido. Sin em bargo, como quiera que la tran s­ misión de calor en el seno del sólido tiene lugar por conducción, más lerda que por convección, mecanismo predom inante en el líquido, si se desea alcanzar la esterilización en el punto frío de la partícula, se ha de disponer de un tiem po de residencia tal, que sin duda conduce a la sobreesterilización del líquido, cuando no a su term odegradación. La transm isión de calor en estos sistemas resulta compleja. El calor se transfiere en serie a través de ios siguientes medios: líquido, ínter-

fase líquido-sólido, sólido. La notable resisten­ cia que opone la ínterfase al paso del calor se puede cuantificar conociendo el valor de su coeficiente convectivo, el cual es tanto menor cuanto m ayor es la velocidad relativa entre las dos fases. E ste coeficiente se determ ina a partir de las curvas de penetración del calor en el cen­ tro de un sólido de geom etría y conductividad conocidas. Las simplicaciones vienen por la vis­ cosidad del fluido si éste es no new toniano —su valor es función de la velocidad de flujo-, para la cual se toma un vaLor ponderado, y por la dificultad de establecer la velocidad relativa entre las fases, que se considera nula a efectos de asegurar la esterilidad deseada. Las instalaciones para el tratam iento de este tipo de alim entos se diseñan atendiendo a las consideraciones anteriores y a las caracte­ rísticas del sólido. Si éste es de naturaleza frá­ gil, los cambios térm icos, las fuerzas de cizalla e incluso la turbulencia debida al régimen de flujo pu eden dar lugar a su deterioro. A con­ tinuación, se pasa revista a los sistem as ensa­ yados. Procedimiento de Kafedshiev y Koiev. Se calientan por separado las dos fases del ali­ mento, la sólida a 100 UC y la líquida., una vez se ajusta su pH a 3,5, a 90 °C, Posteriorm ente, se procede a llenar y cerrar el envase, el cual se hace ro ta r m ientras se enfría con lluvia de agua. E ste m étodo se ha aplicado a m elocoto­ nes, peras y m anzanas envasadas en recipientes de gran volumen. No es en sí un sistema de envasado aséptico, toda vez que el enfriam ien­ to transcurre una vez se ha llenado y cerrado el recipiente. Proceso IA T A (Instituto de Agroquímica y Tecnología de A lim entos, Valencia). Consiste en calentar y enfriar la fracción sólida del ali­ mento con el líquido, el cual se m antiene a una tem peratura dada haciéndolo circular en circui­ to cerrado a través de un cam biador de calor que opera según el caso con vapor o con agua fría. Se ha aplicado a la preconservación de m elocotones y albaricoques en recipientes metálicos grandes.

Proceso Rota-Hold. P ropuesto por Síork, el tu b o de m antenim iento incorpora una cámara circular con paletas giratorias que retard a el paso del sólido. Se consigue así que el sólido reciba un tratam iento correcto sin llegar a sobrccstcrilizar el líquido. Proceso Júpiter A P V (“A septic Processing Vessel”). Es sin duda el sistema más desarrolla­ do de los expuestos. Las fracciones sólida y líquida se tratan por separado. E l líquido se som ete a un ciclo de esterilización convencional, m ientras que el sólido se introduce en una cám ara de doble cono (D C A PV ), tal como la que se representa en la figura 1.19, provista de calefacción directa c indirecta con vapor de agua. La prim era etapa consiste en el precalentam íento deí sólido hasta 90° C, favorecido por la rotación controlada del doble cono. L a este­ rilización se efectúa potenciando la acción del vapor directo con agua de cocción estéril a 130 °C. El conjunto condensado-agua-sólido se enfría sustituyendo el vapor de agua indirecto que circula por la camisa de la cám ara p o r agua fría. La presión en el interior se controla m ediante la entrada de aire com prim ido estéril. U na vez se h a enfriado el contenido en cues-

8

F IG U R A 1 .1 9 . Intercam biadcr de doble cono p ara el proce­ sado aséptico de alimentos particulados: 1 : d is trib u id o r de e n tra da p ara vapor, aíre y líquidos de cocción, 2 : entrada de va p o r directo, 3: termómetro díp o lo , 4: tubo d e produc­ to, 5: d istrib u id o r de salida, ó : solida de producto, 7: línea g ira to ria de evacuación do aire y / o de purga de condensados y de líquidos de cocción, y 8: boca de llenado.

tión, se d etiene la rotación y se introduce el líquido estéril. La cám ara pasará ahora, a actuar como m ezcladora. L a operación culm ina con el trasvase de la mezcla esterilizada a la llenadora. E l sistema Júpiter pu ed e aplicarse a gran parte de los productos vegetales y cárnicos. Calentamiento óhm ico. E sta técnica, recien­ te, abre grandes expectativas al tratam iento H T ST de alim entos particulados. E l producto se bom bea p o r u n dispositivo provisto de elec­ trodos. que inducen el paso de la corriente a trav és del alim ento, gen erán d o se así calor (efecto Joule), tal como se representa en la figura 1.20. E l producto se transfiere posterior­ m ente al sistem a de m antenim iento para, por último, p roceder a su enfriam iento. E l proceso no origina gradientes térm icos e n tre las fases, lo que da lugar a un producto final de alta calidad. FJ sistema tiene serias lim itaciones. Sólo adm ite alim entos bom beables y que sean capa­ ces de conducir la corriente eléctrica. Por otra parte, se ha de te n er en cuenta que las secciones de m antenim iento y enfriam iento son de carác­

ter convencional, y que sus propias limitaciones se extienden al conjunto del sistem a. P o r lo demás, el procesado óhmico proporciona un calentam iento rápido y uniform e de los produc­ tos bifásicos, con un equipo exento de com pli­ caciones mecánicas. Su control y m antenim ien­ to es sencillo y eficaz y el ensuciam iento leve, L a instalación es de gran seguridad y presenta unos períodos de puesta en m archa y parada muy breves. E l aprovecham iento energético es muy bueno; alrededor del 90% de la energía eléctrica se transform a en calor. Su campo de aplicación no se restringe a la etapa de calentam iento del procesado aséptico, que se ha ensayado con frutas troceadas, salsas y alim entos precocinados. Se utiliza tam bién en la pasteurización de frutas y de productos vege­ tales ácidos, así como en la precalefacción en general de productos bom beables. Los equipos com erciales o peran con co rrien te alterna, lo que evita el em pleo de rectificadores y Ja apari­ ción de fenóm enos electroquímicos incontrola­ bles. Sus potencias oscilan entre 75 y 300 kW y las capacidades de procesado están entre los 750 y los 3.000 kg/h.

Salida de producto í.3 .3 .

E n tra d a d e p ro d u c to FIGURA 1.20. Sistema de ca le n ta m ien to óhmico.

Esterilización de envases

En general, la esterilización de los equipos y elem entos que conform an la instalación de un procesado aséptico depende, en gran medida, de la acidez del producto tratado. Las técnicas utilizadas en la esterilización de productos áci­ dos o acidulados no ofrecen dificultad alguna. No sucede así con los alim entos de baja acidez, que requieren muchas veces la com binación de distintos sistemas de esterilización y cuyo coste es bastante superior. A ntes de pasar a exponer la esterilización de envases, se da cuenta de ios agentes esterilizantes em pleados en el procesa­ do aséptico en su conjunto. Calor. Surge como una prolongación al p ro ­ pio tratam iento térmico, Se distingue entre calor húm edo, agua caliente o vapor saturado, y calor seco, vapor sobrecalentado o aire caliente.

Es más eficaz el em pleo del primero, ya que la resistencia de los microorganismos esporulados al calor seco es mayor. Cuando se aplica a p ar­ tes m etálicas voluminosas, la tem peratura pre­ cisa con calor húm edo es del orden de 1 2 0 °C, m ientras que con calor seco puede estar en tom o a los 200 "C. Productos químicos. A unque su uso plantea controversias, parece que hay una amplia acep­ tación en cuanto a la bondad que ofrece el empleo del peróxido de hidrógeno. O tros aditi­ vos ensayados, principalm ente con envases que contienen alimentos ácidos, son el etanol, óxido de etileno, ácido peracético y otros ácidos orgá­ nicos. E n Estados Unidos se autorizó el em pleo de peróxido de hidrógeno en 1981, pero restrin ­ gido a envases de polielileno. A ctualm ente, la legislación estad o u n id en se ha am pliado su campo de aplicación a otros m ateriales, así como su concentración máxima perm isible una vez se llena con agua el envase estéril, que ha pasado de 0,1 a 0,5 ppm. Como este aditivo no es m uy eficaz a tem peratura am biente, se usa en combinación con calor. E sta sinergia propor­ ciona una esterilización rápida de los equipos o de los envases. Radiación /}, Se viene utilizando desde hace años en la esterilización d e envases de produc­ tos ácidos. Estos recipientes se tratan con dosis en torno a los 1,5 Mrad. Más recientem ente, su uso se ha extendido a algunos pocos envases de productos de baja acidez. Se entiende que las dosis em pleadas al respecto son bastante supe­ riores. L a esterilización d el envase es función, además del m aterial del mismo, de la acidez del alimento que va a contener y de su integración en la línea de procesado aséptico. Envases metálicos. Son los más indicados para alim entos de baja acidez. Su esterilización por el proceso D ole se lleva a cabo con calor sobrecalentado a 225 °C. E l enfriam iento es por rociado con agua estéril. Envases preform ados de cartón. Los envases de cartón m ulticapa se esterilizan, antes o des­ pués de su preform ado, co n peróxido de hidró­ geno y calor.

Envases preform ados de plástico rígido. Se esterilizan con peróxido de hidrógeno y calor. O tros sistemas, todavía en fase experim ental, em plean luz U V o vapor saturado. Envases de plástico flexible. Se ha impuesto la esterilización por irradiación de rayos X. L a cám ara de llenado para estos envases se puede esterilizar con peróxido de hidrógeno y calor o con vapor saturado. Se tiende a esterilizar el plástico com o etapa final de su fabricación, con peróxido de hidrógeno y calor, antes de la fo r­ m ación de las bolsas.

1.3.4. Esterilización de equipos Los equipos y conducciones pertenecientes al tratam iento térmico del producto se som eten durante 30 m inutos a una tem peratura de 1 2 1 °C (alimentos d e b aja acidez) o de 104 °C (alim en­ tos ácidos). Se entiende que se puede operar con otras condiciones distintas siempre que la esteri­ lización alcanzada sea equivalente. Los agentes esterilizantes al uso son agua caliente, como medio de precalefacción, y vapor saturado, los cuales se hacen circular por la instalación. La esterilización de la m aquinaria y equipos de las secciones de llenado y envasado se efec­ tú a creando una zona aséptica en su entorno. E sto implica, además de la esterilización de los equipos, la necesidad de operar en un am biente estéril. L a esterilidad del aire y sus conduccio­ nes se p u ed e conseguir por calefacción del mismo o p o r filtración. E n este último caso, en el que se precisa la esterilización previa d el pro­ pio filtro, el control de la esterilidad en el am biente resu lta dificultoso. El recinto opera co n un a ligera sobrepresión resp e cto a la atm osférica, a fin de evitar posibles recontam i­ naciones.

1.4. Pasteurización La pasteurización consiste en u n tratam ien­ to térm ico m oderado, cuyo objetivo es asegurar

trario, alimentos de baja acidez, el proceso se concibe com o un medio de garantizar la esteri­ lidad comercial del producto, es decir, se asegu­ ra la ausencia d e patógenos. Las condiciones en que opera un pasteurizador se establecen atendiendo a la destrucción d e los microorganismos más tennorresistentes, a la inactivación de enzimas y a la degradación d e los factores de calidad del alimento. Se han d e conocer, pues, lo s respectivos tiempos de reducción decimal ( / ) ) y, una vez fijado el orden d e proceso requerido (n), asignar una intensi­ dad de tratamiento tal que n o altere la calidad original del producto. Se llega así, como ya se ha expuesto con anterioridad, a la conveniencia d e operar a altas temperaturas y tiempos cor­ tos, fundamento de lo s procesos IÍIST.

la conservación de los alim entos respetando al máximo sus características nutritivas y organo­ lépticas. Sacrifica el tiem po de conservación del producto, breve en relación a una esterilización convencional, aun en ambiente refrigerado, en beneficio de su calidad. D esd e el punto de vista técnico-económico, este procedimiento, habida cuenta que las temperaturas de operación no suelen superar los 100 °C, permite el empleo d e agua como agente de calefacción, con las venta­ jas que ello supone.

1.4.1. Fundamento La pasteurización se centra en la inactiva­ ción enzima tica y en la destrucción de los m icroorganismos más sensibles a la temperatu­ ra. A sí pues, el tratam iento es capaz de neutra­ lizar la presencia de bacterias vegetativas, leva­ duras y mohos, sin que su intensidad permita la destrucción de formas esporulada». Su aplica ción queda, por tanto, restringida a aquellos ali­ mentos que no contengan esporas patógenas. La severidad del tratam iento depende, funda­ m entalm ente, del pT-T del producto. Si el ali­ mento es ácido, situación en la que no cabe esperar gérmenes patógenos, la pasteurización incide sobre los microorganism os alterativos y sobre la actividad enzim ática. F.n el caso con­

1.4.2. Equipos La pasteurización de los alimentos, ya sean envasados o a granel, se puede llevar a cabo en continuo o en discontinuo. La selección del equipo más adecuado para ello depende, entre otros fautores, de las características del alimen­ to, de la capacidad de producción deseada y del modo de presentación elegido. En el cuadro 1.6 se recogen los equipos de pasteurización al uso y algunas de sus aplicaciones.

CUADRO 1 .6

Instalaciones de pasteurización

Operación

Envasado

Discontinua

Baño de agua

Cerveza, zumos de frutos

Leche, zumos de frutas. Huevo líquido y productos viscosos

Recipientes encamisadas. 1. de sup. rascada

Continua

Túnel Estéril Storilmatie Infrarrojos Microondas

Cerveza Batidos Conservas Pan y pastelería Zumos de frutos en bidones depropileno cartón

Leche, deriv. lácteos, Zumos de frutas, huevo liquido, cervezas y vinos.

1. de placas

P, lácteos, mayonesa, ketchup, alímenlos para bebés

1. de tubos concéntricos

A/mentos

A granel

A lim entos envasados. El material del envase condiciona el agente de calefacción. A sá los envases de vidrio siem pre se pasteurizan con agua caliente, m ientras que cuando son m etáli­ cos o de plástico se suelen tratar con mezclas de aire caliente y vapor de agua. E sta norm a obe­ dece a que el vidrio no puede soportar choques térm icos entre su superficie y el foco caliente superiores a los 20 °C, cuestión que no tiene trascendencia en los otros m ateriales citados. Los equipos discontinuos de pasteurización de alimentos envasados se basan en un baño de agua caliente, en el que se sumerge una jaula que soporta los envases. Transcurrido el tiempo necesario, éstos se enfrían sustituyendo el agua caliente por agua fría o se transportan a un segundo baño, de agua fría. E l sistema es dis­ continuo respecto a los envases, que se proce­ san p o r cargas, y continuo en relación al agua, que se recircula a través de un cam biador de calor. Los equipos continuas con agua calicnLe constan de una cinta sinfín que transporta los envases por las zonas de calentam iento y enfria­ miento dispuestas en serie, de tal form a que se pueda som eter al producto a un perfil de tem ­ peraturas preestablecido. El agua de estos túne­ les se dispersa entre los envases por rociado (se conoce como ducha). E l agua se recircula entre la zona de precalef acción, donde se enfría m er­ ced ai calor sensible que cede al producto, y la zona de enfriam iento, donde se calienta debido al calor que tom a del alim ento envasado. Se consigue así un buen aprovecham iento de la energía puesta en juego y un m enor consumo de agua. La sustitución del agua por mezclas vapor de agua-aire redunda en un calentam ien­ to más rápido, es decir, se necesita un túnel de m enor longitud (menos espacio). La tem pera­ tura en las distintas zonas de calefacción se aum enta disminuyendo la proporción de aire en la mezcla. El enfriam iento se lleva a cabo con agua, bien por ducha, bien por inmersión. Alim entos a granel. A lgunos de estos ali­ m entos requieren, antes de la pasteurización, una dcsodorizacíón/desaereación. E sta o pera­

ción se efectúa por nebulización de] producto en u n a cám ara som etida a vacío. E n tre los pasteurizadores discontinuos el más extendido y sencillo es aquel en el que el líquido se trata en un recipiente por cuya camisa circula agua caliente o vapor de agua. Si la viscosidad del ali­ m ento es elevada, la pasteurización se efectúa en un cam biador de superficie rascada. P o r lo general, el tratam iento de un alim en­ to a granel equivale a operar con grandes p ro ­ ducciones, esto es, en continuo. El equipo más difundido al respecto es el intercam biador de calor de placas, que puede llegar a tratar cerca de 100.000 1/h. Se integra dentro de una instala­ ción constituida por distintas etapas dispuestas en serie. El alim ento parte del tanque de regu­ lación a la sección de regeneración, en la que se precalienta con el producto ya pasteurízado; luego, se prosigue el calentam iento con el obje­ tivo de alcanzar la tem peratura de pasteuriza­ ción. U na vez alcanzada, su recorrido hasta la sección de regeneración le proporciona el tiem­ po de residencia necesario para com pletar su pasteurización. El enfriam iento se culmina en dos etapas consecutivas, una con agua fría y la otra con agua refrigerada. La instalación, que opera con agua caliente, incorpora u na válvula de desviación de flujo que perm ite devolver el producto al tanque de regulación, antes de su enfriam iento, si éste no ha sido pasteurízado. E n la figura 1.21 se sintetiza el proceso de pas­ teurización. Las ventajas más significativas de estas instalaciones respecto a las de pasteuriza­ ción de alimeuLos envasados son: •

Pasteurización más hom ogénea (produc­ to de m ayor calidad). • M ecánicam ente m ás sim ples (m enor coste de m antenim iento). • Tam año m enor (ocupan m enos espacio). • Menos m ano de obra (reducción de cos­ tes de fabricación). • Son más polivalentes en cuanto a diversi­ dad de productos. a Control más eficaz (producto de mayor calidad).

Si el alimento no se puede bombear con cier­ ta facilidad, se recurre por lo general a un intereambiador de tubos concéntricos. Las grandes producciones que se pretenden a lc a fa r en la pasteurización de producios a grane) no justifi­ can la fuerte inversión que supondría un inter­ cambiador de superficie rascada, aun cuando en principio éste es el equipo más indicado para fluidos viscosos. Queda, por último, reseñar algunas técnicas de pasteurización muy particulares, como son la radiación infrarroja y los microondas. La pri­ mera comienza a im ponerse lentamente con determinados productos de panadería y paste­ lería. Los microondas presentan un claro condi­ ciónam e económico, que limita su aplicación a aquellos productos que no puedan ser tratados por otros medios. Éste es el caso de los zumos cítricos envasados en bidones de 2001 de cartón multicapa preformados, cuyo tiempo de calen­ tamiento en un túnel de microondas de 12 kW es de 3,4 min, cuando alcanzar la misma tempe­

ratura (56 °C) en un túnel convencional de ducha ascendería a 54 min.

1.5. Escaldado Este tratamiento térmico, también conocido com o blanqueo, persigue la inhibición de la acti­ vidad cnzimálica residual de ciertas frutas y ver­ duras, que podría dar lugar a la alteración nutri­ tiva u organolética del producto. El escaldado cumple una serie de objetivos secundarios, que varían según qué proceso se plantee con poste­ rioridad para asegurar la conservación del ali­ mento. El tratamiento es moderado, enríe 70 y 100 °C, con agua o con vapor de agua. F.l ali­ mento puede verse afectado, más por la pérdida de componentes solubles en agua que por su termodegradación. Se ha de indicar, por otra parte, que el escaldado constituye uno de los principa­ les focos de contaminación de la industria ali­ mentaría, especialmente en el sector conservero.

escaldado d el alimento impide el enfriamiento del líquido de gobierno (cuadro 1.8).

1.5.1. Fundamento

Ei escaldado puede llevarse a cabo como operación previa a la dcshidratación, a la este­ rilización de productos envasados o a la conge­ lación, y simultáneamente o no a procesos de preparación de la materia prima tales como el pelado o el lavado. La temperatura de escalda­ do y el tipo d e instalación al efecto se estable­ cen atendiendo al tamaño y características del alimento a tratar, así com o al posterior proceso de conservación seleccionado. En el cuadro 1.7 se da cuenta de los distintos objetivos que se

CUADRO 1.8

Comparación entre el og vayel vapor de agua como agentes de escaldado Ventajo*

Aguo

* Instalación** sencilas • y económicas. • Rendimiento energético aceptable. • • Ofrece uno gton versatilidad. Permite operar a distintas temperaturas. ♦ El lavado de la • irtstaloción es simultáneo al proceso de escaldado.

Vapor

* Extracción «ninima de componentes solubles. * Mucho menos contaminante en cuanto a volumen de vertido y concentración de materia orgánica.

persiguen durante el escaldado.

CUADRO 1.7 El escaldado como operación previa a la conservación de alimentos Conservación

Objetivos

Duihldratacinn

Mnntflnimienici del aroma y color Preservación del contenido vitamínico Reducción da la carga microbiana superficial Mejora de la rehidratabilidad

Apperlización

Eliminación de gases ocluidos Uenodo en caliente Eliminación de sabores indeseables

Congelación

Inhibición de la actividad enzirtática Eliminación de gases ocluidos

La elim inación de gases ocluidos puede estar dirigida a limitar posibles reacciones de oxidación durante la congelación o a evitar que se desarrollen elevadas sobrepresiones internas durante la esterilización de) alimento envasado. En es le segundo caso, la desorción de gases palia la corrosión interna del envase y facilita la obtención de vacío en su espacio d e cabeza. El escaldado, por Otra parte, da lugar al reblande­ cimiento y contracción del producto, homogencizando su densidad, lo que favorece su llena­ do. Si esta operación se efectúa bajo atmósfera de vapor para expulsar el aire d el envase, el

inconvenientes

Fscotdodcr

Extracción significativa de componentes solubles. Da lugar a vertidas cuantiosos y muy contaminantes. Contraindicarlo paro conservaciones por congelación. El aguo de escaldada puede dañar los tejidos par «¿sioliración.

* los equipas se esterilizan con facilidod. • Instalaciones costosas * Rendimiento energético muy bajo. • Equipes poco versátiles. Están diseñados pora operara una determinado temperatura. • No lava el producto. • Hay qte parar lo producción para proceder a l lavado de la instalación.

El vapor de agua está recomendado para ali­ m entos de gran superficie por unidad de volu­ men, en lo s que e l agua daría lugar a una consi­ derable extracción de componentes solubles.

L a elección, pues, del agente de escaldado más adecuado al caso depende tanto del tamaño y form a del alimento como de su naturaleza y termosensibilidad, especialm ente a nivel super­ ficial, donde pueden darse fenóm enos de dese­ cación.

1,5.2. Equipos En general, el desarrollo de las instalaciones de escaldado tiende a m ejorar el aprovecha­ miento energético y a reducir los consumos de agua o de vapor de agua, que en los sistemas convencionales están en torno a 1 y 0,5 tonela­ das por tonelada de producto, respectivamente. O tra línea de interés se centra en disminuir la elevada D Q O de los vertidos asociados a esta operación potenciando la retención de sus com­ ponentes hidrosolubles, lo que redunda en una m ayor calidad del producto escaldado.

A ) Escaldado p o r inmersión en agua caliente Cilindro rotatorio. El alim ento se transporta a través de un tam bor perforado y coaxial a la cuba, parcialm ente sum ergido en la misma, merced aí movim iento que le confiere el rebaje helicoidal interno de sus paredes, que actúa como un tornillo sinfín (o de Arquímedcs). El tiempo de residencia del producto se controla m ediante la velocidad de giro del cilindro m etá­ lico. Las restantes variables del proceso son: la tem peratura del agua, que se regula por inyec­ ción de vapor, el flujo de producto y el volumen de agua, cuyo nivel en la cuba se controla por rebose. La reposición del agua que arrastra el producto se efectúa en continuo. Es im portante operar con una relación producto/agua deter­ minada. Si esta relación aum enta, se resiente el rendim iento energético. P or el contrario, si la relación disminuye, se favorece la extracción de sustancias hidrosolubles. De tubo. Es el sistem a tradicional. Consiste en bom bear una suspensión del alimento en eí

agua de escaldado a través de un tubo metálico. En este caso, el tiem po de residencia se contro­ la p o r m edio de la velocidad de circulación de la suspensión y de la longitud del tubo. E stas ins­ talaciones, que ofrecen una mayor capacidad de tratam iento y ocupan menos espacio, pueden em plearse como m edio de transporte. El escaldado p o r inm ersión en agua tiene, en las dos m odalidades expuestas, un deficien­ te aprovecham iento energético y una alta tasa contam inante. L a solución m ás inm ediata para afrontar estos dos inconvenientes consiste en la recirculación parcial del agua, intercalando en el circuito un intercam biador de calor con vapor de agua. D e este m odo to d o el vapor condensa, m e jo ran d o el ap ro v e ch am ien to energético. P o r o tra parte, la nueva disposi­ ción perm ite lim itar la extracción de com po­ nentes hidrosolubles, lo q u e su p o n e un m enor contenido de m ateria orgánica (D Q O ) en el vertido, cuyo caudal pasa a se r m uy inferior: queda restringido a la p u rg a del circuito de re circulación. La recirculación del agua de escaldado p re­ senta, sin em bargo, un inconveniente añadido, cual es, como en to d o circuito de estas caracte­ rísticas, la posible proliferación de flora bacte­ riana termófila. P o r ello, se ha de ten er previs­ to la cloración de las aguas como m edida ger­ micida. Asimismo, conviene reseñar la im por­ tancia que presenta la influencia del p H del agua. La extracción de ácidos orgánicos d uran­ te el escaldado con agua puede originar, si no se tam pona el m edio, su acidulación, ló qu e a su vez favorece la lixiviación de ia clorofila. E n otros casos, se p uede aprovechar esta circuns­ tancia para m o d erar la intensidad del trata­ miento, toda vez q ue la term o destrucción enzimática es tanto m ayor cuanto m enor es el pH del medio. Estos inconvenientes se han solucio­ nado en gran m edida con la aparición de un escaidador-enfriador integrado, que perm ite m ejorar el aprovecham iento energético y redu­ cir el potencial contam inante de estas instala­ ciones. Además, el proceso integrado p ro p o r­ ciona un enfriam iento-escurrido muy rápido,

cuestión crítica si se quiere abordar inm ediata­ m ente después la congelación del alimento. Proceso integrado l.Q .B . (Individual Quick Bleaching). Consta de cuatro etapas en serie: precalentam iento con agua a 70 °C escaldado con agua/vapor a 90 °C, prcenfri am iento con agua a 30 °C y enfriam iento con aire. E l p ro ­ ducto se transporta m ediante una cinta sinfín a través de las secciones, donde el agua se distri­ buye por aspersión y se recoge por la p arte infe­ rior; el aire frío incide perpendicularm ente sobre e] producto en un sentido u otro, según la densidad de éste, de tal forma que el alim ento acaba por alcanzar una tem peratura de unos pocos grados centígrados. El elem ento crucial de la instalación es el intercam biador de calor, en e). que se cruza la corriente de agua de salida del preealentador, que llega a 25 “C, con la corriente de agua pro­ cedente del preenfriador, a 80 °C. De este modo, tal como se puede apreciar en la figura 1.22, se consigue sim ultáneam ente la calefacción del agua de precalentam ienío y cí enfriamiento del agua de preenfriam icnto. El rendimiento entáípico del sistema llega así al 70%. El efluente pro­ ducido es, por otra parte, muy reducido. El con­ sumo de agua baja hasta el metro cubico por cada diez toneladas de producto. U na modificación del proceso integrado des­ crito consiste en prescindir del intercam biador de calor. Así. el agua de salida de la sección de preenfr¿amiento se recircula directam ente y en contracorriente a la unidad de prccalentam iento. Si bien la inversión requerida es menor, al no aprovecharse el agua de salida del precalenta­

m iento -se trata de un circuito abierto-, se dis­ para eí consum o de agua y el caudal del vertido.

B) Escaldado con vapor de agua De túnel. Consiste en un túnel por el que se transporta el alimento sobre una cinta sinfín bajo atm ósfera de vapor. E l control del tiem po de residencia se efectúa actuando sobre la velo­ cidad de paso del producto. En cualquier caso, el rendim iento energético es muy bajo ( 7] = 10%). P ara m ejorar este aspecto se han desa­ rrollado distintas soluciones. Se pueden em ­ plear duchas de agua a la entrada y salida del túnel para condensar el vapor residual (rj = 20% ) o reducir sus perdidas con ayuda de unas válvulas rotatorias para la carga y descarga del producto (77 = 30% ). Escaldado terrnodclico. E n estos equipos, el vapor residual de baja presión se recircula de arriba a abajo, m erced a la succión proporcio­ nada p or la entrada del vapor de alta presión (m ayor energía) a través de un sistema Vcnturi. La entrada y salida del producto se efectúa con ayuda de un cierre hidráulico para evitar p érd i­ das de vapor. Escaldado de cierre hidrostático. El agua, en esta ocasión, además de destinarse a cerrar la cám ara de vapor, se hace circular en contraco­ rriente respecto al sentido de flujo del produc­ to, de tal m odo que contribuye a su enfriam ien­ to, lavado y precalefacción. Proceso l.Q .B . Surge como una solución al gradiente térm ico que se establece entre la

Figura 1.22. Circuito de intercambio de calor de las aguas de precalefacción y de preenfriamiento de un proceso integrado de escaldado.

superficie del producto y su centro, que puede dar lugar, si se quiere asegurar la inactivación enzim ática en las zonas interiores, a la deseca­ ción periférica del alim ento, con La consiguien­ te alteración de su textura y calidad. El proceso se lleva a cabo en dos etapas: una prim era, en la que se calienta el producto dispuesto e n monocapa, seguida de una segunda, que discurre en una cám ara adiabática, donde se procede a su m antenim iento en m ulticapa a una determ ina­ da te m p eratu ra . C on este proced im ien to , esquem atizado en la figura 1.23, se consigue: • • • •

un m ás que significativo ahorro energé­ tico, un producto m ás uniform e y de m ayor calidad, un tiem po de operación m ás corto (sobre tres veces m enor), un efluente de m enor caudal y carga con­ taminante.

E l producto se tran sp o rta m ediante una cinta sinfín que atraviesa las láminas que sepa­ ran entre sí las distintas secciones a fin de limi­ tar las perdidas de vapor, E n ocasiones, antes del escaldado del producto se procede a su secado con aire, lo que origina cierta reabsor­ ción de vapor durante la fase térm ica. E sta práctica m ejora la retención de nutrientes y volátiles, redundando en un tratam iento del efluente final más económ ico. El enfriam iento

Homogenoización térmica F ig u ra 1.23. Escaldado I.Q.B. con vapor.

del producto, dispuesto en una sola capa (como en la fase de calentam iento), se efectúa con aire saturado. Lecho fluidizado. H asta ahora, los escaldadores descritos se justifican por un m ejo r ren ­ dim iento energético respecto al convencional o d e túnel. El dispositivo analizado en este caso se centra en un tipo de contacto, el in h eren te a la fíuidización de un sólido, q u e p erm ite aum entar la velocidad de transm isión del calor, con la consiguiente reducción del tiem po de escaldado. E n las instalaciones de lecho fluidizado, el alim ento se pone en contacto con una mezcla aire/vapor de agua a 95 °C que circula a través del lecho con u na velocidad de 4-5 m/s. Ea m ez­ cla cumple, pues, una doble función: actúa com o gas fluidizantc y fluido calefactor. Su apli­ cación queda restringida a aquellos sólidos que por su tam año y forma sean susceptibles d e fluidización. Las principales ventajas asociadas a esta técnica son: •

C ontacto fluido/sólido muy b u en o y homogéneo. • Tratam iento uniform e. ° Tiem pos de escaldado breves. * Extracción lim itada de nutrientes y otros com ponentes hidrosolubles. * E fluentes no excesivam ente co n tam i­ nados. E m pleo de vapor sobrecalentado. E s un m edio de reducir el tiem po de escaldado y de evitar prácticam ente efluentes de vertido. Sin em bargo, la ausencia de condensados requiere una gran velocidad de paso (con riesgos de arrastre del producto) y u n a considerable te m ­ peratura de sobrecalcfacción (con riesgos de term odegradación superficial del producto). E stas dos condiciones encarecen notablem ente el em pleo de vapor sobrecalentado. A dem ás, se ha de tener en cuenta que, si bien la fase de escaldado no origina vertido alguno, el enfria­ m iento con agua supondría un efluente final muy contaminado.

Empleo de microondas. Esta técnica, aun siendo prom etedora, plantea una serie de cues­ tiones por resolver, a saber: « No es aplicable a piezas grandes. Su pro­ fundidad de penetración es escasa. • No es aplicable a alim entos con cierto contenido de agua. La evaporación dcí agua supone un enfriam iento que puede dar lugar a un escaldado deficiente. • E n principio, el escaldado no genera ver­ tido alguno. A hora bien, al igual que en el caso de utilizar vapor sobrecalentado, si se enfría el alim ento con agua se pro­ duce el efluente correspondiente, muy contaminado. • Origina, por lo general, cierta desecación superficial. • Su coste es por el m om ento prohibitivo, especialm ente en las industrias de ali­ mentos estacionales.

C) Sistemas de enfriamiento El procedim iento más sencillo consiste en la inmersión del producto en agua. Supone un consumo adicional de agua y un foco de conta­ minación. La aspersión o pulverización de agua es un modo de reducir este consum o, aun cuan­ do la carga contam inante se m antenga práctica­ m ente constante. E l enfriam iento con aire, que es la técnica utilizada para evitar la contam inación, depen­ de básicam ente de su contenido de humedad. A sí, cuanto más seco sea éste, m ayor capaci­ dad de evaporación (o de enfriam iento) ofre­ cerá. Sin em bargo, esta práctica puede dar lugar a la desecación del producto. En casos extrem os caben dos soluciones: pulverizar agua sobre el producto o saturar el aire. La p rim era alternativa tien e la ventaja de ser un procedim iento más rápido, ya que el enfria­ m iento continúa siendo por evaporación y no por intercam bio de calor sensible, fundam ento de la segunda.

1.6. Tecnologías avanzadas en la esterilización de alimentos Tal como se aprecia en el cuadro 1.9, las téc­ nicas avanzadas en la esterilización de alim en­ tos se pueden clasificar atendiendo a la p resen ­ cia o no de un foco de calor. Algunos procesos térm icos reseñados no se tratan en esta obra. L a calefacción óhmica se ha abordado en este mismo capítulo (apartado 1.3.2) como u n siste­ ma de intercam bio de calor dirigido al trata­ m iento H TST de alimentos particulados. Otros sistemas al respecto son el A PV Júpiter y el R ola-H old.

CUADRO 1.9 Tecnologías a v a n z a d o s en lo esterilización de alimentos Procesos térmicos ■ Colefaeción por microondas y radio frecuencia. • C alefacción óhmica. • Métodos HTST para alimentos particulados. * C ocinado por extrusión.

Procesos a baja temperatura • Aplicación de elevadas presiones hidrostáticas. • Empleo de campos eléctricos pulsantes. • Estéril ¡zac ¡ón por pulsos de luz. • Radiaciones ionizantes. • Mano-termo-sonicacióri.

E n síntesis, se pude concluir que los m éto­ dos d e calefacción eléctrica, ya sea ésta dieléc­ trica u óhmica, dan lugar a un tratam iento tér­ mico más hom ogéneo con un flujo de calor más elevado. E n su contra, cabe citar su coste, que por el m om ento no es competitivo respecto a los procesos térm icos convencionales de esteri­ lización basados en la transm isión de calor por convección-conducción. A co n tinuación, se exponen los principios en los que se fundam en­ tan los distintos procesos a baja tem peratura, a excepción del em pleo de radiaciones ionizan­ tes, m ateria del próxim o capítulo. A plicación de elevadas presiones hidrostáticas. A unque el efecto de la presión so b re los m icroorganism os se conoce desde finales del siglo XIX, h asta 1995 no se desarrolló la tecno-

logia que perm itió instalar las prim eras plantas com erciales de esterilización de zumos de frutas y m erm eladas basadas e n la aplicación de una alta presión hidrostática. E l efecto de la presión sobre un alim ento se traduce en: • •

• • •

una dism inución d e la síntesis del A D N celular, un aum ento de la permeabilidad de la m em brana celular, con pérdida de líqui­ dos, la desnaturalización de proteínas, la destrucción de bacterias vegetativas y, según el caso, de form as esporuladas, la inactivación enzim ática por cambios en la estructura intram olecular.

El proceso no altera, sin em bargo, las m olé­ culas asociadas a los arom as y vitaminas. La presión sí afecta en cam bio a la textura de cier­ tos tejidos. A um enta, asimismo, la digestibilidad de la carne y de los alm idones. La sensibili­ dad de los microorganism os frente a la presión depende de num erosos factores (composición del medio, actividad de agua, tem peratura, etc,). En el cuadro 1.10 se establecen cinco gru­ pos de m icroorganism os según la resistencia que presentan frente a la presión. Las instalaciones com erciales operan a 40Ó MPa y están constituidas por un recipiente de acero de 50-1.500 1 de volum en. Cuentan, ade­ más, con un dispositivo p ara aum entar la p re­ sión, con un sistem a de despresurización y con sendos controles de presión y tem peratura. El m étodo de operación es p o r cargas, bien del ali­ m ento envasado en varios recipientes flexibles, capaces de transm itir la presión, bien en un recipiente único (en bloque o “bul.k”) o, incluso, a granel. Como se puede apreciar en la figura 1.24, la presurización se efectúa m ediarle una bom ba de baja presión q u e actúa sobre un sis­ tem a hidráulico para elevar ésta hasta el valor deseado (principio de Pascal). E l dispositivo puede hacer incidir directam ente el pistón de presión sobre el alim ento (sistema interno) o sobre agua, que se envía a través de una con-

CUADRO 1.10 Sensibilidad de los microorganismos I.rente a la presión Microorganismo

Género

Presión (fcbarj

Bacterias Gram neg ativas

Pseudomonas Sa/monella Campylobacter

3

Levaduras

Candida Saccharomyces

4

Bacterias Gram positivas

Micrococcus Siaphylococcüs Streptomyces

ó

Esporas bacterianas

Bacittus

Toxinas de bacterias

C/osfrídíum botulinum

ó + ÓQ °C + 40 min.

ó [Destrucción parcial)

ducción hasta eí recipiente (sistema externo). A partir de cierta escala, se prefiere la segunda alternativa, que ofrece menos problemas m ecá­ nicos. La operación se puede considerar isoter­ ma. A unque la compresión adiabática del agua supone un aumento de la temperatura (sobre

a tratar Cierre inferior

Figura 1.24. Esquema de funcionamiento de una unidad de esterilización por presión por el sistema interno.

2 °C/MPa), ésta se reduce de nuevo con rapidez en el posterior proceso de expansión. La aplicación del principio de Pascal en estos equipos transm ite la presión instantánea y uniform em ente a todo el volumen de la carga, independientem ente de su forma y tam año. A un cuando el tiem po de residencia está en tre 1 y 5 min, la duración de un ciclo (apertura, descarga, lim pieza, carga, prcsurización, m ante­ nim iento y despresurización) asciende a 12-15 min, según el envasado sea en bloque o indivi­ dual, Lo idcai es operar alternativam ente con dos unidades en paralelo. Los principales inconvenientes de este tipo de procesado son: * La elevada inversión requerida. * Sus costes de operación, considerables. * Las condiciones de seguridad inherentes a una tecnología que opera a altas presio­ nes. Em pleo de campos eléctricos pulsantes. E sta tecnología representa una de las alternativas más prom etedoras a los métodos convenciona­ les de pasteurización. La pasteurización fría, sobrenom bre con eí que se conoce a este proce­ so, perm ite asegurar la conservación de ciertos alim entos (leche, huevos líquidos, sopas y zumos y concentrados de fruta) respetando en grado sumo su calidad original. Su aplicación queda limitada a productos bom beables, capa­ ces de conducir la electricidad y exentos de patógenos esporulados. L a operación se puede llevar a cabo en continuo o en discontinuo. E l equipo de generación de pulsos consta de una fuente de alim entación de alto voltaje, desde donde se conduce la corriente eléctrica a un condensador, que actúa como sistema de alm acenam iento eléctrico, elem ento desde el que se regula la frecuencia y tipo de descarga sobre la cám ara de tratam iento. La cámara, cilindrica, está constituida por dos electrodos de carbono, uno central y otro de contorno, entre los que circula coaxialm entc el fluido a tratar. E sta configuración perm ite la transfor­ mación de los pulsos de alto voltaje en pulsos

de cam pos eléctricos, uniform es. El circuito eléctrico perm ite controlar, entre otras varia­ bles eléctricas del proceso, la intensidad del cam po eléctrico (20-80 kWfcm), la duración del pulso (1-10 jtis), la capacitancia (80 nF-9,6 pF) o la frecuencia pulsante. El cam po eléctrico p u l­ sante que se genera en torno al alimento da lugar a una acumulación de calor, que se mide a través de la tem peratura adquirida por los elec­ trodos, y que se controla regulando la velocidad del agua de refrigeración que circula por un cir­ cuito alojado en el electrodo central. E l cam po eléctrico pulsante induce la ro tu ra irreversible de las m em branas celulares de los microorganism os, la cual es función de sus p ro ­ piedades víscoclásticas. Parece ser que el fen ó ­ m eno com ienza con la dilatación de la superfi­ cie de las m em branas por fluctuaciones sucesi­ vas, seguida del ordenam iento m olecular de la misma, lo que da lugar a la aparición de discon­ tinuidades superficiales y a la expansión de sus poros, que conduce a la ro tu ra mecánica de la célula. El fenóm eno en su conjunto se conoce com o electroporacLÓn. L a em presa “P uré Pulse T echnologies'’ ha desarrollado una planta piloto (proceso “Cool P u ré ”) capaz de procesar en continuo 200 1/h. La instalación incluye los depósitos de alim en­ tación y del producto tratado, así como el inter­ cam biador de calor para el posterior proceso de enfriam iento. Los costes de tratam iento, am or­ tización y m antenim iento incluidos, se estiman equivalentes al consum o de 100 k.T por litro de producto tratado. Esterilización p o r pulsos de lu z ■ En reali­ dad se tra ta de u na variante del proceso an te­ rio rm en te descrito, que goza, en lo que al ali­ m ento se refiere, de las ventajas ya expuestas. A m bas m odalidades de tratam ientos pulsantes se agrupan bajo la denom inación de procesos de energía pulsante. E l circuito eléctrico es tam bién sem ejante, aunque en esta ocasión la generació n de los pulsos de luz blanca de am plio espectro es por ionización eléctrica de una lám para de xenón. La em isión de luz tiene una longitud de onda que va desde el U V leja­

no (200 nm) hasta el infrarrojo (1.100 nm). La duración de cada pulso de luz es de 200 a 300 jL ís y su frecuencia de 1 a 10 s-1. L a intensidad lum ínica de los pulsos es unas 20.000 veces superior a la de la radiación solar sobre la superficie terrestre. L a luz no es ionizante, de ahí que no se difunda a través de m ateriales opacos. Sin em bargo, se transm ite a través de muchos m ateriales de envasado, lo que perm ite el tra ta ­ miento de productos envasados sin riesgos de recontam inación. E l efecto de la luz sobre ios microorganismos se desarrolla en la misma línea ya expuesta, pero con m ucha m ás intensi­ dad; es capaz de asegurar la esterilidad com er­ cial de alimentos poco ácidos, envasados o no, incluso si éstos contienen esporas bacterianas. Su cam po poten cial de aplicación es muy amplio: frutas y verduras frescas, carne, pesca­ do, huevos y ciertos líquidos y suspensiones. L a e m p re s a a n te s c ita d a p o s e e u n a p la n ta p ilo to d e 200 1/h ( p r o c e s o “ P u r é B r i g h t ”) y u n a u n id a d ya c o m e rc ia l, d e 8 .0 0 0 1/h d e h u e v o s líq u id o s. L o s c o s te s de o p e r a c ió n se e s tim a n e q u iv a le n te s al c o n s u m o d e 45 J p o r c m 2 d e s u p e rfic ie tr a ta d a , c ifra a c e p ta b le . N o s u c e d e a sí c o n la in v e rs ió n r e q u e r id a , to d a v ía r e la tiv a ­ m e n te e le v a d a p a r a la in d u s tr ia a lim e n ta ria .

M ano-termo-sonicación. E ste método, que se plantea como una alternativa a los trata­ mientos térmicos, es capaz de conseguir un ali­ m ento m enos term odegradado, de m ayor cali­ dad. Se basa en la com binación sim ultánea de calor (