3.1. Segundo Elemento de Competencia - Procesado Térmico de Alimentos.pdf

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PROCESOS TÉRMICOS EN

ALIMENTOS

Ing. M.Sc. Liliana Acurio Arcos


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1. Introducción

8:00 a 10:00

2. Cinética de destrucción térmica

2.1. Tiempo de reducción decimal (DT)

2.2. Curva de destrucción térmica

2.3. Constante de muerte térmica (z)

2.4. Grado de reducción (n)

2.5. Tiempo de muerte térmicaRECESO

10:00 a 10:30

2.6. Ejercicio práctico programado 10:30 a 12:00

ALMUERZO 12:00 a 13:00

3. Efecto de la temperatura sobre parámetros cinéticos

13:00 a 15:00. Valor Q10

, valor B* y C*

5. Tratamiento aséptico

RECESO

15:00 a 15:30

5.1. Ejercicios prácticos15:30 a 17:00

5.2. Taller de microbiología predictiva

HORARIO DE TRABAJO


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INTRODUCCIÓN



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INTRODUCCIÓN

Uno de los problemas principalesque se presenta en la IngenieríaAgroindustrial es la destrucciónde los microorganismos, no sólopor prevenir su potencialcontaminante, sino también conel objetivo primordial depreservar durante tiemposprolongados.



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INTRODUCCIÓN

Para conseguir la destrucción de las formasesporuladas y vegetativas, los alimentos sontratados térmicamente, bien en el interior deenvases o en forma continua, envasándose

posteriormente en un envase aséptico.



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INTRODUCCIÓN

El procesado térmico de productos envasadosse realiza en aparatos que utilizan vapor deagua o agua caliente como fluido calefactor.


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AUTOCLAVE HORIZONTAL



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INTRODUCCIÓN

Dentro del procesado térmico cabe distinguir lapasteurización y la esterilización.

La pasteurización se utiliza para designar ladestrucción de microorganismo patógenosespecíficos, aunque el producto resultante no esestable

si no se encuentra bajo refrigeración.

La esterilización es el proceso por el que seobtienen productos estables sin necesidad derefrigeración.



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CINÉTICA DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA



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C INÉTICAS DE L AS REACCIONES

=



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N es el número de microorganismos y suvariación con el tiempo se expresa:


N = número de microorganismos presentes en un tiempo t

k = constante cinética de destrucción


=


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Integrando la ecuación con la condición límiteque para el tiempo inicial existen N0microorganismo, se obtiene:


= −

N = número de microorganismos presentes en un tiempo t

k = constante cinética de destrucción



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El valor de k depende del tipo de microorganismo,del medio y de la temperatura.

Asimismo, para un microorganismo específico,también depende de si está en forma

vegetativa o

esporulada.



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La cápsula bacterianaestá formada por una seriede polímeros orgánicosque en las bacterias se

deposita en el exterior de su pared celular.Generalmente contiene glicoproteínasy un grannúmero de polisacáridosdiferentes.

La cápsulaes una capa rígida organizada de formaimpermeable que excluye colorantes como la tintachina.



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Para formas vegetativasestas constantes sonmucho mayoresque para las esporuladas, loque indica que estás últimas son mucho más

difíciles de destruir.



=


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Los valores de la constante de destruccióntérmica de las formas vegetativassuelen serdel orden de

10

10

min

-1, mientras las

esporuladas presentan valores de 1 min-1



=

Y = b m X


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TIEMPO DE REDUCCIÓN DECIMAL



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Se define como el tiempo detratamiento necesario para que elnúmero de microorganismos sereduzca a la décima parte, y se

representa porD

T



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TALLER 1Ing. M.Sc. Liliana Acurio Arcos


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A una leche que contiene una cargamicrobiana de 108 ufc/cm3, se le aplica untratamiento térmico por el tiempo de

reducción decimal determinadopreviamente. Cuál será la concentración demicroorganismos después del tratamiento

térmico?



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La evolución típica de una población microbianacon el tiempo tiene la siguiente forma:


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Si los datos se representan en escala semi-logarítmica toma la siguiente forma:



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En los cálculos de tratamientos térmicosse supone que este tiempo es

independiente de la concentración inicial

de microorganismos

y dependiente de la

temperatura, tipo de microorganismo y

medio de cultivo o alimento en el quecrecen los microorganismos.



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Como N = 0,1 N0

El tiempo de reducción decimal se expresa enfunción de la constante de destrucción térmica

=,


=,



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Se han obtenido los siguientes datos de unexperimento de resistencia térmica de unasuspensión de esporas a 112°C

Determinar el tiempo de reducción decimal D delos microorganismos.


Tiempo (min) Número de supervivientes

0 106

4 1,1 × 105

8 1,2 × 104

12 1,2 × 103


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CURVA DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA



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CURVAS DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA

Si se representa en coordenadas semilogarítmicas N N0frente al tiempo, se obtiene una recta de pendiente

k yordenadas en el origen. Esta recta se denomina curvade destrucción térmica

, y para cada microorganismo

viene determinada por la temperatura de tratamiento,de tal forma que si es distinta, la pendiente de la rectatambién lo será, ya que la constante de destrucciónvaría.

La ecuación se puede linealizar si se expresa en formalogarítmica:

= =

−



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Así, si la temperatura aumenta la pendiente esmás pronunciada.


Figura 1. Curva de destrucción térmica de microrganismos T1˃T2˃T3

Formas vegetativas


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Esto que es común a los tratamientos térmicos demicroorganismos, en el caso de formas esporuladas puede noser cierto, y al representar

N N

0

frente al tiempo encoordenadas semilogarítmicas, no se obtienen rectas, sinocurvas.


Figura 2. Curva de destrucción térmica de microrganismos T1˃T2˃T3

Formas esporuladas


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En la figura se presentan curvas de destrucción térmicapara algunos microrganismo presentes en leche.

Figura 3. Curva de destrucción térmica para leche (Earle, 1983)


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En la figura se presentan curvas de destrucción térmicapara algunas enzimas y factores biológicos.

Figura 4. Curva de destrucción térmica de factores biológicos

(Toledo y Chang, 1990)

A: Pectinesterasa

B: Poligalacturonasa

C: Ascórbico oxidasa

D: Clostridiumpasteuranum (6D)

E: Mohos y levaduras


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En la figura se representan curvas de destruccióntérmica en la que para una temperatura detratamiento determinada puede verse cómo se

obtendría el valor del tiempo decimal

Figura 5. Curva TDT. Obtención del tiempo de reducción decimal.


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CONSTANTE DE MUERTE TÉRMICA Z



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CONSTANTE DE TIEMPO DE MUERTE TÉRMICA Z

Los tratamientos térmicos se llevan a cabo adiferentes temperaturas, dependiendo de cadacaso, de las necesidades o disponibilidades de

cada industria.

Es por ello que, que no necesariamente los

tratamientos se llevan a cabo a la temperaturaa la que se han obtenido los datos dedestrucción térmica



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Debe por tanto, buscarse una relación entre eltiempo de reducción decimal y la temperatura.

Esta relación se da en forma gráfica, en la quese representa en coordenadas

semilogarítmicas los tiempos de reduccióndecimal (D

T

) frente a la temperatura.




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Figura 6. Curva de destrucción térmica TDT o DT

L

T


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Puede verse que se obtiene una recta dependiente negativa –m, cuyo valor es:


=

En la que DT1

es el tiempo de reducción

decimal a la temperatura T1

.Mientras que D

T2

es el tiempo de reduccióndecimal a la temperatura T

2

.Ing. M.Sc. Liliana Acurio Arcos


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Se define el parámetroz como la inversa de lapendiente m, que mide la variación de lavelocidad de destrucción térmica con la

temperatura, y representa la:

Al parámetro ztambién se lo conoce comoconstante de termorresistencia.


elevación de temperatura necesaria para reducir el

tiempo de reducción decimal a la décima parte (D

T



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De la figura puede obtenerse fácilmente unarelación entre dos tiempos de tratamiento ysus temperaturas correspondientes:


=

T



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Si una de estas temperaturas es la dereferencia, se obtiene:


=

= −



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Si a 121°C el tiempo de reducción decimal parael C. botulinum es 0,3 min. Determinar el tiempode reducción decimal a 90°C y 140°C si la

constante de tiempo de muerte térmica (z) es10°C




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GRADO DE REDUCCIÓN



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Para que la concentración de microorganismos alfinal de un tratamiento térmico fuera nula (N=0),en la ecuación:

Sería necesario un tiempo de tratamiento infinito. Lo que indica que es imposible llegar a una

esterilización total del producto. Ello hace que seanecesario definir una concentración finalNF

que

asegure que el producto sea comercialmente

estéril.

GRADO DE REDUCCIÓN

= −



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El logaritmo decimal de la razón entre la

cantidad de microorganismos iniciales N0 a losde un tiempo determinado en los que sealcanza el nivel N

F

, recibe el nombre de grado

de reducción.

GRADO DE REDUCCIÓN N

No se puede hablar de esterilidad total del producto, sino que

se habla de esterilidad comercial

=


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Este valor nes arbitrario y depende del tipo demicroorganismo, aunque cuanto mayor sea elvalor del grado de reducción,

mayor es la

seguridad del tratamiento térmico.

Aquellos microorganismos que presentanvalores superiores indican que para asegurar la

esterilidad comercial es necesario rebajarelcontenido de microorganismos a nivelesmásinferiores que aquellos que poseen un gradode reducción menor.

GRADO DE REDUCCIÓN



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GRADO DE REDUCCIÓN

Tabla 1. Parámetros de destrucción o degradación térmica de

microorganismos y factores termolábiles


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TIEMPO DE MUERTE TÉRMICA



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El tiempo total de muerte térmica se determinamediante la siguiente ecuación:

TIEMPO DE MUERTE TÉRMICA F

=



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En la práctica elvalor de F0 seobtiene sumandolas velocidades

letales a intervalosde 1 minuto de lacurva decalentamiento yenfriamiento delproducto duranteel procesadotérmico.




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En procesos de calentamiento lento, se observa lasiguiente curva de calentamiento y enfriamiento:




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EJERCICIO PRÁCTICO PROGRAMADO



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EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS PARÁMETROSCINÉTICOS Y DE TRATAMIENTO TÉRMICO


EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS PARÁMETROS


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La destrucción térmica de microorganismos sigueuna cinética de primer orden

, de modo que al ↑ latemperatura de tratamiento, la constante cinéticaaumenta, con lo que la velocidad de destrucción

térmica también aumenta.





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El análisis matemáticomuestra que ladependencia de laconstante de velocidadcon la temperatura,

sigue una ecuación deltipo:

CINÉTICOS Y DE TRATAMIENTO TÉRMICO

=

−

A y B son constantesque dependen de la

reacción estudiada Ing. M.Sc. Liliana Acurio Arcos



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En 1889 Arrhenius expresó esta relación entre la k yla temperatura de la siguiente forma:


Representa la fracción de colisiones molecularesque tienen una energía igual o mayor que Ea

Frecuencia de las colisiones

entre las moléculas del reactivo Ing. M.Sc. Liliana Acurio Arcos



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En la ecuación de Arrhenius los términosrepresentan lo siguiente:


A y Ea son característicos de cada reacción

R es la constante de los gases 8,3142 J/K mol

Ea es la energía de activación en J/mol.

T es la temperatura absoluta en K

A es el factor pre-exponencial cuyas unidades son iguales a las

de la constante de velocidad



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Según esta ecuación, k aumentade modoexponencial

cuando aumenta la temperatura

.

La energía de activación (Ea

) está relacionadacon la barrera de energía que deben superarlos reactivos para transformarse enproductos, por lo que un valor elevado de la

misma provoca un valor reducido de k. Susdimensiones son de energía por cada mol.



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El efecto de la temperatura en el proceso deesterilización sobre la constante cinética puededescribirse mediante la ecuación de Arrhenius:


=

Donde:

k = constante cinética

k0 = factor de frecuenciaEa = energía de activación

R = constante de los gases

T = temperatura absolutaIng. M.Sc. Liliana Acurio Arcos



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Resolución gráfica de la ecuación de Arrhenius





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D

121°C

(min) z (°C) Q

10

E

a

(kcal/mol)

Vitaminas 100 – 1000 12,7 - 72 2,1 – 2,5 20 - 30

Destrucción de enzimas 1 - 10 11,1 – 37,8 1,5 - 31 12 – 100

Células vegetativas 0,002 – 0,02 11,1 – 13,3 31 - 178 100 – 120

Esporas microbianas 1 - 5 5,6 – 11,1 6,5 - 31 53 – 83

Calidad organoléptica 5 - 500 7,2 -26,7 1,7 – 2,5 10 - 30




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Reacción Ea (kJ/mol) Temperatura (°C)

Crecimiento celular

A. niger 58 20 – 37

E. Coli 55 23 – 37

K. Aerogenes 59 20 – 40

E. Coli 119 12 – 26




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Reacción Ea (kJ/mol) Temperatura (°C)

Desactivación

Ácido fólico 70 100

Tiamina 92 102

Pasteurización 337 63 – 74

Esterilización

B. Stearothermophilus

283 125B. Subtilis 318 125

C. botulinum 343 125



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TALLER

EN CLASE


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TALLER EN CLASE 4

Se determinaron las constantes de destruccióntérmica a diferentes temperaturas de esterilización,obteniendo los siguientes datos:

Determinar la energía de activación para este caso.

Temperatura (K) 700 730 760 790 810

k (min-1) 0,011 0,035 0,105 0,343 0,789


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VALOR Q10


VALOR Q


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VALOR Q10

El efecto esterilizante de un proceso deesterilización se incrementa con el aumentode temperatura.

Esto, por supuesto, también se aplica a lasreacciones químicas que ocurren comoconsecuencia del tratamiento térmico.


VALOR Q


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VALOR Q10

El valor Q10 ha sido introducido como unaexpresión de este incremento en lavelocidad de una reacción.

Este valor establece cuantas vecesaumenta la velocidad de una reacción si

la temperatura del sistema es elevada en

10°C.


VALOR Q


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VALOR Q10 Y se calcula mediante la siguiente ecuación:


VALOR Q


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VALOR Q10

El valor Q10 para los cambios en el flavorypara la mayoría de las reacciones es dealrededor de 2 a 3, lo que indica que si seincrementa la temperatura de un sistemaen 10°C, la velocidad de las reaccionesquímicas se duplican o triplican.


VALOR Q


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VALOR Q10

Los valores de Q10 pueden ser determinadostambién para la muerte de esporasbacterianas

, habiéndose encontrado valoresdentro del rango de 8 a 30.

La variación es tan grande debido a que lasdiferentes clases de esporas bacterianasreaccionan en forma diferente a losincrementos de temperatura.



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VALOR B* Y C*


VALORES B* Y C*


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VALORES B Y C

El rango de trabajo de los tratamientosUHT es definido también en algunospaíses por referencia a dos parámetros:

Efecto bacteriológico: B*

Efecto químico: C*


VALORES B* Y C*


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VALORES B Y C

B* está basado en el supuesto de que laesterilidad comercial se alcanza a 135°C

durante 10,1 segundo con un valor z de10,5°C. A este proceso de referencia sele da un valor B* de 1,0, representando

una reducción de recuento de esporas

termofílicas de 10

9

por unidad.


VALORES B* Y C*


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VALORES B Y C

El valor C* está basado en las

condiciones para la destrucción de un 3de Tiamina por unidad. Esto esequivalente a 135°C por 30,5 segundos

con un valor de 1 de 31,4°C.


VALORES B* Y C*


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VALORES B Y C

Un proceso UHT opera satisfactoriamente enlo que respecta al mantenimiento de lacalidad del producto cuando se cumplen lassiguientes condiciones.

B* > 1

C* < 1



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TRATAMIENTO DE PRODUCTOSENVASADOS


TRATAMIENTO DE PRODUCTOS ENVASADOS


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En productos envasados, los tratamientos se realizan en

dispositivos en los que el envase pasa de unatemperatura ambiente a una de tratamiento para que, enun tiempo determinado, se consiga llegar a niveles deesterilización adecuados.




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El producto va elevando su temperatura hasta llegar ala que se denomina temperatura de mantenimiento ode proceso, para luego pasar a una etapa deenfriamiento.



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Autoclave estático


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Autoclave estático y a diferentes velocidades de rotación

AUTOCLAVE ROTATORIA


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CURVAS DE PENETRACIÓN DE CALOR




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En el proceso de esterilización es importanteconocer el punto del producto envasado cuyatemperatura es mínima, es decir, el punto de

menor calentamiento.

Ya que este punto es el que recibe un menor

grado de tratamiento térmico, y en el quepuede que no se llegue al tratamientoadecuado.




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Para ellos es necesario conocer la curva depenetración de calor en este punto, ya que dala variación de la temperatura con el tiempo decalentamiento.




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La determinación de la curva de penetraciónpara un producto y envase determinado suelerealizarse experimentalmente.




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Aunque en algunos casospuede determinarse demodo aproximado conmétodos analíticos, quesuponen que el calorpenetra en el alimento porconducción, lo que solo escierto en alimentossólidos, calculando latemperatura en el centrogeométrico en función deltiempo.


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Cuando el envase que contiene el alimento, se introduce en

el dispositivo de tratamiento térmico, que se halla a unatemperatura Te, se observa que la temperatura del alimentova aumentando paulatinamente.



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Es importante conocer la evolución de la temperaturadel punto de menor calentamiento (Tc), ya que éste es elpunto que recibe un menor tratamiento térmico.

En el caso de que latransmisión de calor serealizara por conducción, el

punto de menorcalentamiento coincide conel centro geométrico.



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Sin embargo, si en elcalentamiento aparecencorrientes convectivasen el interior del envase,

el punto de menorcalentamiento nocorresponde con elcentro geométrico, sinoque se halla situado en

el eje vertical pero máscercano al fondo delenvase.




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Para caracterizar la penetración de calor en el alimento,

se suele realizar una representación gráfica de los datosde la variación de la temperatura en el alimento con eltiempo de calentamiento.



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TRATAMIENTO TÉRMICO EN EL PROCESASO ASÉPTICO


TRATAMIENTO TÉRMICO EN EL PROCESADO ASÉPTICO


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Los dispositivos de tratamiento aséptico constatande tres partes bien diferenciadas:

A) Etapa de calentamiento. En la que el alimentopasa de su temperatura inicial a la propia de

mantenimiento.B) Etapa de mantenimiento. En la que el alimento

recibe el tratamiento térmico a una temperatura

constante.C) Etapa de enfriamiento. En la que se reduce latemperatura a valores que permitan el envasado.




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En los dispositivos de tratamiento, se debe asegurarque el tiempo de residencia del alimento fluidodentro del aparato sea como mínimo el tiemponecesario para reducir la carga microbiana en el

grado de reducción deseado.

El tiempo de residencia es la relación entre elvolumen del dispositivo y el caudal volumétrico de

circulación:

=




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Para el caso de circulación de fluido alimentario endispositivos tubulares, el tiempo de residencia seobtiene mediante la expresión:

=

Donde:

L = longitud del tubov = velocidad lineal de circulación del fluido a travésdel tubo




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Generalmente, interesa calcular la longitud del tubo

de mantenimiento. En esta ecuación, la velocidad autilizar depende del régimen de circulación y tipo defluido.




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Para fluidos newtonianos que circulan enrégimen turbulento se utiliza la velocidadmedia (vm).



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Para fluidos newtonianos en régimen laminar(Re


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Si el fluido presenta un comportamiento reológico de

la ley de potencia ( = ), para calcular lavelocidad máxima en función de la velocidad mediadebe utilizarse una gráfica y el Reynolds generalizado(ReG):

= × − ×

− ×

+

Dondek = índice de consistencian = índice de comportamiento al flujo



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TALLER 5


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Un alimento infantil basado en puré de manzanaes tratado térmicamente a razón de 1500 kg/hen un proceso de envasado aséptico.

El producto es calentado desde 22ºC hasta 90ºCen un intercambiador de calor de placas.


TALLER 5


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A continuación se introduce en un

intercambiador de tubos concéntricos, cuyodiámetro interno es 5 cm, circulando por elespacio anular vapor de agua condensante, quepermite mantener el producto a 90ºC mientras

permanece en el intercambiador.


TALLER 5


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La esterilización comercial del alimento a 90ºCse obtiene si dicho producto permanece durante90 segundos a esta temperatura.

Determinar la longitud que debe poseer el tubode mantenimiento para asegurar el adecuadotratamiento térmico del alimento.


TALLER 5


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Datos:

Propiedades del alimento:

Densidad = 1200 kg/m3

Se comporta como un fluido de potencia con uníndice de consistencia de 2,4 Pa×sn y un índicede comportamiento al flujo de 0,5.



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MICROBIOLOGÍA PREDICTIVA



116/119

PROGRAMA DE MODELARPATÓGENOS (PMP) ONLINE



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COM BASE



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