Control de calidad del proceso

y los productos cocidos por

extrusión

CAENA, Seminario de extrusión

Buenos Aires, Argentina

18 de septiembre de 2012

Joe Kearns

Wenger Manufacturing, Inc.

Análisis de productos

Pruebas de laboratorio de alimentos

para mascotas

• Humedad

• Actividad del agua

• pH

• Análisis de grasas/lípidos

• Tamaño de partículas

• Densidad aparente

• Gelatinización del almidón

• Absorción de grasa

• Durabilidad del pellet

• Dureza del pellet

• Textura

• Propiedades viscosimétricas

• Analizador de la fase de transición

Humedad - Método rápido

NIR - Sobremesa

• Análisis exhaustivo

: Grasa, proteína, fibra, almidón, humedad

• Resultados rápidos

• Información general

• Calibración específica

Actividad del agua (Aw)

• Aw es la medida del estado de energía del agua en el sistema

• Se define como la presión del vapor de agua dividido por la misma presión de agua pura a la misma temperatura. Cuando se obtiene un equilibrio entre el vapor y la temperatura, el valor Aw de la muestra es igual a la humedad relativa del aire que rodea la muestra.

• Aw = Humedad relativa en equilibrio (ERH) % / 100

• La actividad del agua afecta: El crecimiento microbiano (la mayor parte de las bacterias no

crecen con un Aw inferior a 0,91)

Formación de moho (la mayoría de los mohos no crecen con un Aw inferior a 0,80)

Vida útil

Textura Migración de la humedad

Apelmazamiento y aglutinación

Actividad del agua

*Feed Technology Update, Oct. 2006, Vol. 1, Número 9, págs. 13-17

Características del producto

0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Actividad del agua (aw)

Humectantes añadidos

Alimento estándar

para perros

% c

on

ten

ido

de

hu

me

da

d d

el

pro

du

cto

(M

CW

B)

Actividad óptima del agua

0

5

10

15

20

25

0,60 aw

13,0%

9,5%

pH

MICRO-

ORGANISMO

CRECIMIEN

TO pH

CRECIMIEN

TO aw

Salmonella

spp. 4,5 - ? >0,95(a)

Staphylococc

us aureus 4,2 - 9,3 >0,86

Listeria

monocytogen

es

4,4 - 9,4 >0,92(d)

Bacillus

cereus 4,9 - 9,3 > 0,95

Escherichia

coli 4,6 - 9,5 > 0,935

Streptococcu

s pyogenes 4,8 - < 9,2 NR

Análisis de grasas/lípidos

• Extracto etéreo

• Hidrólisis ácida

: Siempre arrojará un valor más alto

: Rompe todos los complejos proteína/lípido o

almidón/lípido

: Arroja un valor de lípidos "verdadero"

Análisis del tamaño de partículas

Análisis del tamaño de partículas de una receta

típica de alimento para perros

20

30

40

50

60

80

Pan

850

600

425

300

250

180

0

1,0

3,0

28,0

29,0

21,0

14,0

4,0

Criba estándar

de EE.UU.

Aberturas

en micrones

Porcentaje

de la criba

Diámetro medio promedio: 327 micrones

Desviación geométrica estándar: 1,58

Densidad aparente

• Importancia de la densidad

aparente : Llenado de bolsas

: Capacidad de la planta

: Aspecto del producto

: Absorción de recubrimientos de

aceite externos

: Durabilidad del pellet

: Cocción

: Características de hidratación

Gelatinización del almidón

• Afecta

: Valor alimenticio

: Estabilidad del agua

: Durabilidad durante la

manipulación

• Proceso de monitoreo

Prueba de gelatinización del almidón

MUESTRA

Agua NaOH

Cocción

HCl Amortiguador

Digestión de enzimas

Análisis de glucosa

Para

alm

idón

tota

l P

ara

alm

idón

gela

tiniza

do

Método de la glucoamilasa modificada para determinar el grado de gelatinización de los productos

extruidos

Este procedimiento determina en forma cuantitativa el

grado de almidón gelatinizado en los productos

alimenticios a base de cereales. Se basa en la

hidrólisis de un sustrato de carbohidratos ricos en

glucosa que sigue el principio de que el almidón

gelatinizado es digerido fácilmente por la

glucoamilasa para formar glucosa. El almidón total

también se determina mediante un procedimiento

similar, con la excepción de que el almidón crudo o

intacto de la muestra se gelatiniza antes de la

digestión enzimática.

Comparación de métodos

• DSC

: Solamente mide la amilopectina cristalizada

: Arroja un valor superior que los métodos

enzimáticos

: Debe contar con una muestra de referencia

• Enzimático (método de la glucoamilasa modificada)

: Aporta un valor de almidón más "preciso"

• Otros métodos enzimáticos

: Más complejos = mayor variabilidad

Método DSC (calorimetría diferencial de

barrido) para la determinación de la

gelatinización de almidones

• El DSC usa una muestra de

20 mg frente a la muestra de

500 mg del método

enzimático

• El DSC requiere una fuente

de almidón puro para el

análisis de la muestra

• El método DSC arroja

valores superiores al método

enzimático

• El método DSC requiere una

muestra de almidón crudo

para usar como valor de

referencia “O”

Método para

determinar % de

cocción

Gelatinización

del almidón (%)

Método DSC 57,8

Susceptibilidad a

la acción de las

enzimas

40,0

Comparación de métodos de gelatinización

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Método de gelatinización enzimática (%)

Mé

tod

o d

e g

ela

tiniz

ació

n D

SC

(%

)

Absorción atmosférica de grasas

• La prueba indica el

nivel máximo de

agregado de grasa a

condiciones

atmosféricas

• Aumenta la densidad

de la pieza mediante la

sustitución de aire con

aceite

Absorción de grasas al vacío

• La prueba indica el

nivel máximo de

agregado de grasa

• Aumenta la densidad

de la pieza mediante la

sustitución de aire con

aceite y penetra

profundamente en el

trocito después de la

liberación del vacío

Efecto de la densidad aparente en la absorción de aceite

10

15

20

25

30

35

40

45

410 430 450 470 490 510 Densidad aparente del producto (g/l)

Abso

rció

n d

e g

rasa

(%

)

Vacío

Atmosférica

Analizadores de durabilidad de pellets

Analizador

SeedBuro Analizador portátil

Holmen

Analizador

automático Holmen

Durabilidad del pellet

La prueba simula polvillos generados por

manipulación

FUERZA

RESISTENCIA

DEL PELLET =

PICO DE FUERZA

SECCIÓN TRASVERSAL DEL PELLET

Resistencia del pellet

• Relacionado a la durabilidad del

pellet

• Indica las propiedades "en boca"

TA-XTPLUS fabricado por Stable Micro Systems

Analizador de texturas

Rango de fuerza: +/- 5Kg, +/- 30KG, +/-

50Kg

Rango de velocidad: 0,01-40 mm/seg

Efecto de la grasa interna sobre la dureza del pellet

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

6 10 14 18 22 26 30

Grasa interna (%)

Du

reza d

el p

ellet (g

/mm

2)

Viscoanalizador rápido (RVA)

Viscoanalizador rápido (RVA)

Medidas:

: Viscosidad o propiedades de empastado del almidón

: Características de absorción

: Grado o tipo de cocción de los productos finales

Beneficios:

: Control de calidad sobre las materias primas que ingresan

: Solución de problemas del proceso

: Capacitación del operador

0 4 6 12 18 20 16 14 10 8 2

Viscoanalizador rápido

Tiempo (minutos)

Vis

cosid

ad (cP

)

Tem

pera

tura

(0C

)

Viscosidad

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

3000

2750

2500

2250

2000

1750

1500

1250

1000

500

250

0

Temperatura Cristalino

Gelatinizado

Hinchado (viscosidad máxima)

Disperso

Degradado

Típica curva RVA de empastado

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25

Time (min)

Vis

co

sity (

RV

U)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Te

mp

era

ture

(C

)

Peak

Time

Holding Strength

Peak

Viscosity

Final Viscosity

Temperature

Setback

Pasting

Temperature

Breakdown

Comparación RVA de alimentos

acuáticos

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 200 400 600 800 1000 1200 Tiempo (segundos)

Vis

co

sid

ad

(cP

)

0

20

40

60

80

100

120

Tem

pera

tura

(C

els

ius)

Temperatura

Muestra B Extruida - Valor SME bajo

Muestra B Prensada - Valor SME bajo

Muestra A Extruida - Valor SME alto

10 g de sólidos 25 ml de agua

Igual receta

Análisis RVA de las recetas de alimentos para mascotas

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 200 400 600 800 1000 1200

Tiempo (segundos)

Vis

co

sid

ad

(cP

)

0

20

40

60

80

100

120

Tem

pera

tura

(C

els

ius)

Maíz

Trigo Arroz

Todas las recetas que contienen

28% carne de ave

8% harina de gluten de maíz

64% fuente del grano

Molido con malla de 4/64"

7 gramos de sólidos

25 ml de agua

Temperatura

Ref: L20000703-001

Índice de flujo

• Indica la dificultad de procesamiento en recetas con harina de

pescado

• Controla la calidad de las materias primas que ingresan

1) Desvincule al personal del contacto con el producto 2) Reduzca los costos laborales

3) Visualice y controle instantáneamente las cualidades

del producto

Medición en línea de las

cualidades técnicas del producto

Sistema de análisis del producto en línea

Sistema de análisis en línea con

infrarrojo cercano (NIR)

Características básicas: • Sistema basado en fotodiodos

• Recopilación de datos simultáneos en todas las longitudes de onda : Rápida integración 20 ms

• Patrón de cerámica continuamente monitoreado para medir la estabilidad

• Videocámara con iluminación independiente para monitorear el flujo, color y recuento de manchas

• Temperatura estabilizada internamente para un funcionamiento uniforme

• Ventana de zafiro

• Transferencia de calibraciones entre la unidad en línea y la unidad de sobremesa

Cortesía de Perten Instruments

Mediciones NIR en línea*

Monitor HMI PLC Ubicación: Mezcladora de lotes, extrusora

Analizador NIR en

línea

*De Perten

32,2% de proteína 7,8% de grasa

4,2% de fibra 5,6% de ceniza

9,8% de humedad 11,8% de almidón

¡Advertencia! Posible presencia de melamina

Humedad del producto (trocitos húmedos y secos)

Temperatura del producto

Imagen (aspecto visual y tamaño de los trocitos húmedos y secos)

Densidad aparente (trocitos húmedos y secos)

Sistema de densidad aparente en línea

Llenado excesivo de trocitos en el vaso de muestra

Medición de densidad aparente de trocitos

húmedos en línea (después de la extrusión) y de

trocitos secos (después del secado) cada 45

segundos.

Sistema de muestreo de diseño especial con

rendimiento garantizado en cuanto a la

repetibilidad del pesaje.

Nivelación de los trocitos en el vaso de muestra

Sistema de densidad aparente en línea

Aspecto visual del producto

Determinación del diámetro del producto

Determinación del área del producto

Color del producto

Estructura del producto

Tamaño de partículas

Sistema de imágenes

(opcional) integrado al

sistema de densidad aparente

para obtener un análisis

visual en línea del producto.

Sistema de densidad aparente en línea

Medición de la humedad del producto

(opcional) mediante tecnología de

microondas (Intel Scan) con una precisión

garantizada de ±0,5% de humedad integrada

en el sistema de densidad aparente.

8

8.5

9

9.5

10

10.5

11

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Minutos

H

um

edad (

%)

Sistema de densidad aparente en línea

1) La frecuencia de muestreo se suele controlar a

través de cada operador individual.

2) La precisión varía entre un operador y otro.

Desventajas del muestreo de densidad

manual

1) Calibración libre (sólo celda de carga).

2) Frecuencia de muestreo = 45 segundos.

3) Precisión = ±3-8 g/l – 0,19-0,50 lb/pie3 para todo tipo de

alimento humano y animal (garantía escrita de

rendimiento).

Reemplace el muestreo manual por un

sistema de densidad aparente en línea

Principio de funcionamiento patentado del sistema de

densidad aparente

Muestreo del

producto

Nivelación del vaso

Muestra lista para el

pesaje de la densidad

aparente

Vaciado de la muestra

nuevamente en el flujo del

producto después del pesaje

Diseño mecánico del sistema de densidad aparente

Celda de carga

Dos cilindros neumáticos

Armazón de acero inoxidable para

todo tipo de resistencia (peso

180kg/400 lb)

Materiales plásticos para el vaso

de muestreo y la carcasa

aprobados por la FDA

Sistema CIP para la

limpieza del vaso de

muestreo

Sistema de limpieza

in situ (CIP)

1) Purga por

corriente de aire

2) Desinfección por

luz UV

Producto: Copos de cereal Tamaño de producto: 10x20 mm – 0,40”x0,80” Precisión: ±1-3 g/l – 0,06-0,19 lb/pie3

Producto: Trozos de análogos de la carne Tamaño de producto: 12x12 mm – 0,47”x0,47” Precisión: ±3-6 g/l – 0,19-0,38 lb/pie3

Producto: Alimento para perros Tamaño del producto: ø18,0 mm – 0,7” Precisión: ±3-8 g/l – 0,19-0,50 lb/pie3

Producto: Alimento para gatos

Tamaño de producto: Cruz de 12 x 12 mm – 0,47”x0,47”

Precisión: ±2-6 g/l – 0,12-0,38 lb/pie3

Producto: Cereales expandidos (con base de arroz) Tamaño de producto: 15x20 mm – 0,60”x0,80” Precisión: ±1-3 g/l – 0,06-0,19 lb/pie3

Producto: Alimentos acuáticos Tamaño del producto: ø10 mm – 0,40” Precisión: ±2-6 g/l – 0,12-0,38 lb/pie3

Precisión en el pesaje del sistema de densidad aparente (BDS)

Instalación del BDS en el proceso de extrusión

BDS instalado bajo la carcasa de la cuchilla

de la extrusora

BDS instalado a continuación de la secadora y recubridora

BDS instalado a continuación del sistema de transporte neumático

110-230V Suministro

de aire

24 VCC

Celda de carga

Sistema SCADA Visor externo

Instalación eléctrica y comunicación

1) Panel de control independiente

2) Incorporado en la pantalla de

control Wenger

Ventajas del sistema de densidad aparente

1) Cálculo de la cocción del almidón gracias al control de la densidad aparente.

2) Llenado de bolsas controlado gracias al control de la densidad aparente.

3) Mayor capacidad de la secadora gracias al control del espesor de capa y la óptima

utilización posterior del volumen.

4) Mayor flexibilidad de elección de las materias primas gracias al control de la

densidad en línea.

5) Mejor documentación de la producción gracias al registro automático de los

resultados de la densidad aparente (y/o humedad e imágenes).

6) Curva de aprendizaje rápida y eficaz para los operadores de procesos nuevos.