Tema7 pasteurizacion

Tema 7

Pasteurización

Objetivos

• Definir la operación de pasteurización y encuadrarla dentro de los métodos térmicos de estabilización.

• Estudiar los parámetros que definen la intensidad de la pasteurización.

• Conocer los fundamentos de la pasteurización con el fin de poder diseñar la operación.

• Conocer la aplicabilidad de la pasteurización en la industria agroalimentaria.

• Estudiar la pasteurización de graneles y alimentos envasados.

• Conocer el equipo en el que se lleva a cabo la pasteurización.

Pasteurización Tecnología de los Alimentos4º Ingeniero Químico

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Índice del tema

1 DEFINICIÓN DE LA PASTEURIZACIÓN...................................................................................3 2 CINÉTICA DE LA MUERTE TÉRMICA DE MICROORGANISMOS ................................................4

2.1 Gráficos de supervivencia .........................................................................................5 2.2 Tiempo de reducción decimal....................................................................................6 2.3 Influencia de la temperatura (T) en la cinética de la muerte térmica .......................7 2.4 Descripciones científica y empírica de la cinética de la muerte térmica. .................9

3 DESCRIPCIÓN DE LA INTENSIDAD DE LA PASTEURIZACIÓN. ...............................................10 3.1 Índice de reducción, γ..............................................................................................10 3.2 Severidad del tratamiento, s ....................................................................................10 3.3 Velocidad de muerte, L (letal rate)..........................................................................11 3.4 Factor F (tiempo de muerte térmica, thermal death rate).......................................11

4 DISEÑO DE UN PROCESO DE PASTEURIZACIÓN...................................................................14 4.1 Calculo de una pasteurización en ciclo ideal..........................................................14 4.2 Calculo de una pasteurización en ciclo real ...........................................................15 4.3 Pasteurización de alimentos envasados ..................................................................16

5 INFLUENCIA DEL PH Y ACTIVIDAD DEL AGUA EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS .............18 6 EQUIPOS UTILIZADOS EN LA PASTEURIZACIÓN DE ALIMENTOS..........................................19


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1 Definición de la pasteurización

La pasteurización es una operación de estabilización de alimentos que persigue la reducción de la población de microorganismos presentes en éstos de forma que se prolongue el tiempo de vida útil del alimento.

Si se reduce la población de microorganismos al principio del almacenamiento, N0, la vida útil del alimento se alarga cuando el parámetro de calidad dominante es la presencia de microorganismos, ya sean patógenos o sólo alterantes, porque se tarda más tiempo en alcanzar una concentración intolerable de microorganismos, Nf.

La pasteurización consigue disminuir la población de microorganismos mediante la elevación de la temperatura durante un tiempo determinado, lo que implica la aplicación de calor.

La pasteurización es un tratamiento térmico suave, en contraposición con la esterilización, que es un tratamiento muy intenso. La pasteurización emplea temperaturas y tiempos de contacto relativamente bajos, consiguiendo una prolongación moderada de la vida útil a cambio de una buena conservación del valor nutritivo y de las cualidades organolépticas del alimento.

Sin embargo, pese a ser un tratamiento suave, la pasteurización consigue la eliminación de los microorganismos patógenos, aunque sólo consigue una reducción de los microorganismos alterantes. La pasteurización tiene diferentes objetivos según el tipo de alimento al que se aplique:

En alimentos ácidos, como zumos de fruta, produce una buena estabilización ya que el medio ácido impide la proliferación de microorganismos esporulados, los más resistentes a la destrucción térmica, respetando las propiedades del alimento.

En alimentos poco ácidos, siendo el ejemplo más importante la leche, la pasteurización consigue la destrucción de la flora patógena y una reducción de la banal o alterante, consiguiendo un producto de corta duración que ha de conservarse refrigerado pero que tiene unas características muy próximas a la de la leche cruda.

En el caso de la leche, los patógenos más importantes que pueden estar presentes son el bacilo de Koch (tuberculosis), Salmonella typhi y paratyphi (tifus), Brucilla melitensis (fiebre de Malta), y Streptococcus y Staphylococcus (de la mamitis). La mayor parte de estos gérmenes no producen alteraciones en la leche, por lo que su presencia puede pasar desapercibida.

Sin embargo, todos estos patógenos son destruidos por un tratamiento térmico ligero que deja un producto más higiénico y que se estropeará por la acción de la flora banal (lactobacilos) mucho antes de resultar peligroso a la salud humana.

De los patógenos mencionados, el mas resistente es el de la tuberculosis, por lo que el tratamiento se diseña para destruir este microorganismo ya que si este es destruido, se asegura también la destrucción de los demás, puesto que son más débiles.

La pasteurización es una operación básica que consiste en un

tratamiento térmico relativamente suave (temperaturas inferiores a

100ºC). Por ejemplo en el caso de alimentos líquidos a granel sería


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entre 72 y 85ºC y tiempos cortos (15-20 s). En el caso de alimentos

envasados las temperaturas estarían comprendidas entere (62-68ºC) y

tiempos más largos (aproximadamente 30min). Al ser un tratamiento

térmico suave los cambios organolépticos y cambios nutritivos del

alimento son pocos importantes.

La pasteurización puede prolongar la vida útil de los alimentos desde varios días (por ejemplo la leche) hasta varios meses (por ejemplo los zumos de fruta embotellados).

El diseño de la operación de pasteurización requiere la determinación de las condiciones de temperatura y tiempo de exposición y tener en consideración el tiempo de penetración del calor en el caso de alimentos sólidos envasados

2 Cinética de la muerte térmica de microorganismos

La muerte térmica de microorganismos se ajusta muy a menudo a una cinética de primer orden,

Proceso térmicoa temperatura T

N

Tiempo

No

La destrucción de microorganismos por acción del calor sigue una cinética de primer orden.

NkdtdN

d ⋅=−

siendo,

N el número de microorganismos vivos en cada momento en cualqueiera de sus formas, en células ó células/mL),

kd es la constante cinética de muerte térmica a temperatura T

NOTA: kd depende muy intensamente de la temperatura T

Integrando la ecuación anterior para un proceso térmico que se realiza a temperatura constante (kd constante) se obtiene, como en cualquier cinética de 1er orden, la conocida solución:

∫∫ ⋅=−t

d

N

No

dtkN

dN

0

; tkNN

do

⋅−=

ln ; tkd

oNN ⋅−= e ;

tko

dNN ⋅−⋅= e

También es muy usada en base decimal. Se puede pasar a logaritmos decimales según:


5

( )tk

o

d

NN ⋅−= eloglog ; eloglog ⋅⋅−= tk

NN

do

; tkdNN

o

⋅−=3,2

log

Cuestión 1: En un ensayo a 65ºC se ha determinado que la concentración de un microorganismo desciende a la mitad por cada 12 segundos de tratamiento. Encuentre el valor de la constante de muerte a esta temperatura y determine cuantos microorganismos quedan al cabo de 4 minutos si la concentración inicial es de 3,2·108 µorg/mL.

2.1 Gráficos de supervivencia

Representando log(N/No) frente al tiempo para un microorganismo determinado se obtiene una recta de pendiente negativa de valor kd/2,3. Esta representación recibe el nombre de gráfico de supervivencia. Para cada temperatura se obtendrá una pendiente diferente y por lo tanto un grafico de supervivencia diferente ya que kd varía con la temperatura.

log N/No

tiempo

kd/2,3

Grafico de supervivenciaa temperatura constante

log N/No

tiempo

kd/2,3

Grafico de supervivenciaa temperatura constante

log N/No

tiempo

Graficos de supervivenciaT1 T2 T3

T1>T2>T3

kd1/2,3 kd2/2,3 kd3/2,3

Por supuesto, se obtienen resultados equivalentes representando cualquier tipo de logaritmo diferente del decimal frente al tiempo. Particularmente conveniente es usar directamente el logaritmo neperiano.

Cuestión 2: Represente el gráfico de supervivencia para el ensayo de la Cuestión 1.

Cuestión 3: Se obtuvieron datos de la desactivación de FS 158 a dos temperaturas, que a parecen en la siguiente tabla:


6

Represente los datos en un gráfico de supervivencia y obtenga el valor de las constantes de

muerte.

2.2 Tiempo de reducción decimal

Frecuentemente se emplean otras magnitudes equivalentes a kd para caracterizar la velocidad de muerte de los microorganismos, como es el tiempo de reducción decimal, D, que es el tiempo necesario para reducir el número de microorganismos vivos a la décima parte del número inicial, es decir

vivosismosmicroorgan /10N vivosismosmicroorgan N vivosismosmicroorgan 1 vivosismosmicroorgan 10

oDt

o

Dt

→

→=

=

n destrucciódetasa

o ciasuperviven de tasa10No

No1,0101

NoN 1−=

⋅==

Sustituyendo t=D y N/No=10-1 en la ecuación de la muerte térmica:

kd3,2D

D3,2

kd1

D3,2

kd1,0log

=

⋅−=−

⋅−=

es decir, tD1

NoNlog ⋅−=


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Los gráficos de supervivencia también se pueden representar como en función de D:

Para obtener una tasa de supervivencia 10-1 necesitamos aplicar 1 tiempo de reducción decimal y para obtener una tasa de supervivencia 10-12 necesitamos aplicar un tiempo de reducción decimal de índice doce (12D) o lo que es lo mismo aplicar doce veces el tiempo de reducción decimal, t = 12·D.

Conocido D, después de un tiempo t, el número de microorganismos viables que quedan es

Dt

NN−

⋅= 100

Cuestión 4: Obtenga D para los microorganismos de las cuestiones 1 y 3..

2.3 Influencia de la temperatura (T) en la cinética de la muerte térmica

La constante de muerte térmica kd y, en consecuencia el tiempo de reducción decimal, D, son función de la temperatura. En efecto, representando la razón de supervivencia frente al tiempo a varias temperaturas, se obtienen rectas de diferentes pendientes:

N/No

t

Grafico de supervivenciaa temperatura constanteT1 T2 T3

T1>T2>T3

1/D1

1/D2 1/D3

1

0,1

0,01

D1 D2 D3

Es decir, la cinética de la muerte térmica se acelera al incrementarse la temperatura, reflejándose en una disminución del tiempo de reducción decimal D y un incremento de la constante de muerte kd.

log N/No

tiempo

Grafico de supervivenciaa temperatura dada

-1/D

1

0,1

0,001

10-12

(12D)12·D

D

log N/No

tiempo

Grafico de supervivenciaa temperatura dada

-1/D

1

0,1

0,001

10-12

(12D)12·D

DDD


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Correlación de kd y T: la ecuación de Arrhenius:

La constante de muerte térmica para un microorganismo dado, se correlaciona bien con la temperatura T a través de la ecuación de Arrhenius:

TRE

d

a

ekk ⋅−

∞ ⋅=

o en otra forma

−⋅

−=

R

aTRd TTR

Ekk 11

Y, tomando logaritmos en la primera

( ) ( )TR

EkLnkLn a

d1⋅−= ∞

De donde es evidente que se puede obtener el valor de k∞ y Ea representando Ln(kd)

frente a 1/T.

Cuestión 5: Los datos de la cuestión 3 fueron obtenidos a 105 y a 117 ºC. Obtenga los valores de la ecuación de Arrhenius para la variación de kd con T.

Correlación de D y T: gráficos de termodestrucción y constante de termorresistencia (z):

Puesto que 1/D=kd/2,3, se deduce que RTEa

eDD ⋅= ∞

donde, D∞ y Ea , al igual que antes, dependen del tipo de microorganismo y se pueden

obtener de forma análoga a lo expuesto antes.

Además, cuando se representa el logaritmo decimal del tiempo de reducción frente a la temperatura, se obtienen líneas rectas de pendiente -m. Estas gráficas reciben el nombre de gráficos TDT o gráficos de termodestrucción.

log D

T

Grafico TDTPara una reducción de 10 veces las células supervivientes

1/Z

1

D=0,1

Dr=0,01

T TrZ

Grafico TDTPara una reducción de 10 veces las células supervivientes

1/Z

1

D=0,1

Dr=0,01

T TrZ

Como se deduce de la geometría del grafico, el inverso de la pendiente de esta línea de termodestrucción, que denominaremos z, es el número de grados que debe incrementarse la temperatura para que el valor del tiempo de reducción decimal D baje a la décima parte del inicial. En efecto, de la geometría del grafico, se deduce que:


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mzTT

DD

R

TR −=−=−− 1

)(loglog

donde z se denomina termorresistencia del microorganismo y físicamente es el valor del incremento de T que se necesita para que D varíe en un orden de 10.

De esta definición, se deduce además la siguiente expresión

zTT

TR

R

DD−

⋅= 10

Aunque en principio sólo es válida para intervalos cortos de temperatura y para un mismo grado de muerte térmica.

Cuestión 6: En la siguiente tabla se muestran diversos valores de D medidos para un microorganismo. Obtenga el valor de la termorresistencia y la ecuación que da D a cualquier temperatura.

2.4 Descripciones científica y empírica de la cinética de la muerte térmica.

Como vd ha comprobado, se sugieren dos formas de describir la cinética de la muerte térmica

• Una, equivalente al tratamiento clásico de la cinética de 1er orden, basado en la constante de muerte, kd, y su relación con la temperatura por la ecuación de Arrhenius. A esta descripción se le denomina científica.

• Otra, basada en los conceptos de tiempo de reducción decimal, D, y de termorresistencia. A ésta, se le denomina descripción empírica.

Ambas son equivalentes ya que es deducible una de la otra

Cuestión 7: Con los datos y resultados de la cuestión 6, obtenga la descripción científica de la cinética de muerte para ese microorganismo.

En la siguiente tabla se muestran datos de algunos microorganismos con ambas descripciones


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Datos cinéticos de muerte térmica de distintos microorganismos Kd (121ºC), s-1 D (121ºC), s ED (kJ/mol) z (ºC) B. stearothermophilus 0,01-0,03 100-250 283 6-10 B. subtilis 0,05-0,10 25-50 318 8-13 B. megaterium 0,96 2,4 - 7 C. sporogenes 0,025-0,050 50-100 - 13 C. botulium 0,20 12 343

Cuestión 8: Obtenga el valor de la termorresistencia de Clostridium botulinum según los datos de la tabla anterior.

3 Descripción de la intensidad de la pasteurización.

La intensidad de la pasteurización es el resultado de aplicar una temperatura T durante un tiempo t y ha de cuantificarse por su efecto en la muerte de el/los microorganismo/s objetivo. Definamos algunos de los conceptos usados en cuantificar estos efectos.

Muchas de estas definiciones nos resultan innecesarias, pero es conveniente conocer la nomenclatura empleada en el tratamiento de la pasteurización.

3.1 Índice de reducción, γ.

El índice de reducción γ·es el tiempo necesario para reducir una población 10γ veces, es decir pasar de 10γ microorganismos viables a 1. De la definición de D, e obvio que el tiempo de exposición resulta t= γ D, con la descripción empírica

110NoND1 −=→→=γ

Z/)TTr()10(DrD −⋅=

1210NoND·12)D12(12 −=→=→=γ

Z/)TTr()10(r)D12(D12 −⋅=

n10NoND·n)nD(do)(desconocin −=→=→=γ

Z/)TTr()10(trt −⋅=

Es fácil deducir las formulas para la descripción científica (hágalo vd).

3.2 Severidad del tratamiento, s

La severidad se define como:

−=

−=

oo NNLn

nnLns (las n minúsculas representan concentraciones)

Si el proceso se realiza a temperatura constante (lo que se denomina “ciclo ideal”, porque requiere que sea posible realizar un calentamiento instantáneo), tal y como venimos asumiendo, entonces tks d ⋅= .


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tkNNs d

o

⋅=

= ln

Dt

NNLogs

o

=

=

siendo Te la temperatura de esterilización.

Si el proceso no se realiza a temperatura constante, kd no es constante y la severidad ha de evaluarse como la siguiente integral

∫ ⋅=t

dtkds0

donde Te es la temperatura de

esterilización.

1- Perfil de calentamiento

2- Perfil de enfriamiento

En la práctica se dan más a menudo ciclos reales.

3.3 Velocidad de muerte, L (letal rate).

Es una medida relativa de la velocidad de muerte. Se define como: ( ) /10 RT T zL −=

y expresa cuanto es más rápida o más lenta una pasteurización en unas condiciones dadas (por T) respecto de una pasteurización de referencia.

Puesto que para una pasteurización estándar se acepta que TR = 60ºC y Z = 7, se tiene, (60 ) / 710 TL −=

Lo que significa que para una pasterización a 67ºC, L=0,1 y por tanto la pasteurización es 10 veces más rápida. En consecuencia hace falta 10 veces menos tiempo para la misma intensidad.

3.4 Factor F (tiempo de muerte térmica, thermal death rate).

El factor F se usa para medir la intensidad de una pasteurización. Tiene dimensiones de tiempo y representa el tiempo que debe pasar un alimento a una temperatura de tratamiento dada

T

Te

To

tiempo

T

Te

To

tiempo

1 2


12

(por ejemplo, 60ºC o 250ºF) para conseguir un determinado índice de reducción.

Los tratamientos suelen estar estandarizados. Por ejemplo, la esterilización de leche se basa en conseguir 12 deduccines de clostridium botulinum a 121ºC. Puesto que para este organismo D121=12s y γ=12 es evidente que F=2,4 minutos en este proceso, si se lleva a cabo a 121ºC.121ºC es la temperatura estandar de esterilización.

FT=DT·γ

Y si el proceso se hace a la temperatura estandar, F0==DTR·γ ( vea el subíndice 0)

Elegir o decidir cual es la temperatura estandar para un proceso de pasteurización es simplemente cuestión de convención. La temperatura estandar de pasteurización es 60ºC. La intensidad del tratamiento adecuado es normalmente encontrada de forma empírica. En la tabla siguiente se muestran tratamientos aplicados habitualmente a diversos productos expresados en minutos a 60ºC.

Fo values used commercially for products on the UK market Product Can sizes Fo values Babyfoods babyfood 3-5 Beans in tomato sauce All 4-6 Peas in brine Up to A2 6 A2 to A10 6-8 Carrots All 3-4 Green beans in brine Up to A2 4-6 A2 to A10 6-8 Celery A2 3-4 Mushrooms in brine A1 8-10 Mushrooms in butter Up to A1 6-8 Meats in gravy All 12-15 Sliced meat in gravy Ovals 10 Meat pies Tapered, flat 10 Sausages in fat Up to 1 lb 4-6 Frankfurters in brine Up to 16Z 3-4 Curried meats and vegetables Up to 16Z 8-12 Poultry and Game, whole in brine A2½ to A10 15-18 Chicken fillets in jelly Up to 16 oz 6-10 "Sterile" ham 1 and 2 lb 3-4 Herrings in tomato Ovals 6-8 Meat soups Up to 16Z 10 Tomato soup, not cream of All 3 Cream soups A1 to 16Z 4-5 Up to A10 6-10 Milk puddings Up to 16Z 4-10 Cream 4/6 oz 3-4 16Z 6


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Evaporated milk Up to 16 oz 5 Petfoods Up to 16Z 15-18

En principio, estos tratamientos son aceptados porque funcionan en la práctica común. La reducción de la población que se produce depende del microorganismo considerado. Puede elegir alguno de los procesos antes citados y comprobar que reducción produce en alguno de los siguientes organismos, por ejemplo en salmonella spp

Decimal reduction times (D-values) for various bacteria.

Organism TR (0C) D-value, DT Campylobacter jejuni 55 1 min Salmonella spp 60 0.98 min Listeria monocytogenes 71.7 3.3 sec Escherichia coli 71.7 1 sec Staphylococcus aureus 71.7 4.1 sec Clostridium perfringens 90 145 min Clostridium botulinum 121.1 12 sec Bacillus stearothermophillus 121.1 5.0 min

Cuestión 9: ¿Qué índice de reducción en la población de salmonella spp. se consigue en leche evaporada con la pasteurización sugerida en la tabla anterior? ¿Qué tiempo de pasteurización es necesario a 70ºC para esa misma pasteurización?

Cuestión 10: Si vd desea producir 12 reducciones decimales en Clostridium perfringens ¿Qué tiempo de pasteurización necesita en las condiciones sugeridas.

Para COMPARAR diferentes ciclos de pasteurización se acepta una termorresistencia de 7ºC (otra convención, peligrosa en ocasiones, por cierto)

F760 : minutos a 60 grados o el tiempo necesario para producir una reducción (N/N0)

equivalente aceptando z=7.

Para T constante (ciclo ideal) RtLF ⋅= , por definición. Y en consecuencia

RT tF R ⋅= − 7/)60(10 , lo que nos permite comparar dos tratamientos o encontrar el tratamiento

equivalente a una temperatura diferente.

Si T no es constante, ciclo real, ∫ ⋅=t

0

dtLF

Así pues si se realizan dos esterilizaciones, una a 60ºC durante 30 minutos y otra a 90ºC y 6 segundos, para poder saber que tratamiento térmico produce mayor grado de destrucción, calcularíamos el tiempo para cada una de los tratamientos referido a 121ºC o lo que es lo mismo calcularíamos el valor o las unidades de esterilización. El tratamiento que nos de un mayor valor de F será el más severo. En el caso de que los tratamientos térmicos se realicen a T constante se


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utilizará la ecuación para un ciclo ideal y en el caso que la temperatura no sea constante se utilizará la ecuación para un ciclo real.

Cuestión 11: En el caso de la cuestión 10 ¿Qué tiempo requiere si el proceso se hace a 60ºC? ¿Y si se desea eliminar Clostridium botulinum?.

4 Diseño de un proceso de pasteurización

Aunque muchos procesos de pasteurización están estandarizados, tal y como se ha visto en el apartado anterior, es posible realizar el diseño para producir una reducción deseada N/N0. El diseño consiste en decidir una temperatura de tratamiento T, y el correspondiente tiempo de exposición t para conseguir la reducción deseada N/N0.

Para el cálculo, utilizaremos la descripción científica y distinguiremos entre el caso de ciclo ideal, en el que se asume que los periodos de calentamiento y enfriamiento son lo suficientemente rápidos como para no causar efectos, y el ciclo real. Inicialmente consideramos la pasteurización de graneles, que se lleva a cabo en flujo y el alimento está perfectamente mezclado, por lo que el retraso en la penetración del calor no es un problema. Luego se considera la pasteurización de alimentos envasados.

4.1 Calculo de una pasteurización en ciclo ideal

Como se ve en la figura, los procesos de calentamiento y enfriamiento pueden considerarse instantáneos.

En este caso, puede considerarse que el proceso transcurre a temperatura constante.

Se asume que dispone de los datos cinéticos de la muerte térmica del microorganismo,

k∞ y Ea (de la constante de arrhenius).

Pueden darse las siguientes situaciones:

• Para una reducción deseada N/N0 , se elige la temperatura de proceso TP y se calcula el tiempo de exposición:

Tem

pera

tura

(T)

T=Tf T=T0

T=Tp

t=0 t=tf

tiempo de proceso

Tiempo (t)


15

P

a

RTE

d ek

NN

Ln

TkNN

Lnt

−

∞ ⋅

=

=

00

)(

• Para una reducción deseada N/N0 , se fija el tiempo de proceso y se calcula la temperatura a la que se debe operar, TP :

tNN

LnTkd

=

0

)( ; ))(/( TkkLnR

ET

d

a

∞⋅=

Cuestión 11: Calcule el tiempo de exposición necesario para obtener una reducción de 10-6 en la población de Listeria monocytogenes en leche.que se pasteuriza a 65ºC.

Cuestión 12: Para el anterior caso, se dispone de uun dispositivo que proporciona un tiempo de tratamiento de 2,5 minutos ¿A que temperatura hay que trabajar para obtener como mínimo la reducción deseada?

Cuestión 13: Se desean procesar 241 L min-1 de leche en un pasteurizador continuo a 71,5ºC para conseguir una reducción de 10-12 en el microorganismo diana (kd=1.84 s-1 a 71,5ºC). El pasteurizador es un tubo de 55 mm de diámetro interno y 30 pies de largo. ¿Provee el equipo suficiente tiempo de contacto? Asuma ciclo ideal. Datos a 71,5ºC d=1010 kg m-3, µ=6.5·10-4 Pa s-1.

4.2 Calculo de una pasteurización en ciclo real

Ocurre este caso cuando no se puede despreciar el efecto de los periodos de calentamiento o enfriamiento. En estos casos es preciso conocer el perfil de temperaturas temporal del proceso T(t).

El perfil de temperaturas depende de los dispositivos de intercambio del calor y encierra tanto la temperatura de proceso como el tiempo de exposición. Puede ser que se conozca el perfil de temperaturas y se desee evaluar la reducción que se produce.

• Asumiendo que se conoce el perfil de temperaturas T(t) del ciclo de pasteurización que dura desde el principio del calentamiento (t0) hasta después del enfriamiento, la reducción conseguida es:

primero, calculamos la severidad:

∫∫−

∞== fa

f t

t

tRTE

t

t d dtekdtTks00

)()(

y de ésta, la reducción de la población

seNN −=

0

• Más habitual es que se desee alcanzar una reducción dada y haya que proponer un perfil determinado. Aunque puede ser difícil cambiar la velocidad de calentamiento o enfriamiento, siempre es posible prolongar el periodo de mantenimiento, como se muestra en la figura


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- En este caso, la severidad es suma de los tres procesos:

s=s1 + s2 +s3

- La reducción deseada N/N0 da la severidad total:

0Ns LnN

=

- La severidad de los procesos de calentamiento y enfriamiento se puede calcular de sus perfiles de T:

1

0

( )1

aEt RTc t

ts k e dt

−

∞= ∫ ; 3

2

( )3

aEt RTc t

ts k e dt

−

∞= ∫

- La severidad del mantenimiento se obtiene por diferencia

s2 = s – s1 – s3

- Y de ahí se deduce la duración necesaria del mantenimiento a la temperatura elegida o impuesta por otra causa (Tm)

2

( )md m

stk T

=

En ocasiones no se distinguen claramente las fases de calentamiento y mantenimiento y es necesario el perfil de temperatura completo para realizar el cálculo.

El perfil de temperaturas se puede deducir de las características del dispositivo en el que se lleve a cabo el calentamiento o el enfriamiento, y se puede manipular graduando la temperatura del fluido calefactor o refrigerante o alterando la geometría, el tiempo de residencia o el régimen de flujo. Estudiaremos el perfil de temperaturas en algunos dispositivos de intercambio de calor en el próximo tema.

4.3 Pasteurización de alimentos envasados

El hecho de que el alimento se encuentre envasado, pone como dificultad añadida que el calor tarda cierto tiempo en penetrar hasta el interior del alimento. De hecho el tiempo de

Tem

pera

tura

(T)

Calentamiento

Tiempo (t)

Enfriamiento

Mantenimiento

Perfil de temperaturas, T(t)

t1t0

t2t3

tm

Tm


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penetración puede ser mucho más importante que el requrido para la inactivación

Aunque en la tabla presentada en el apartado 3.4 se incluye la intensidad del tratamiento recomendado para diversos alimentos teniendo en cuenta el envase, puede ocurrir que se desee diseñar un ciclo para un alimento envasado del que no se dispongan de estos datos.

En estos casos, el problema se aborda de forma conservativa: se hace el cálculo para el lugar más frío del envase (the “cold spot” o punto frío). que suele ser el centro. Es, pues, cuestión de supar ale tiempo de calentamiento al ciclo de esterilización

Para alimentos sólidos el cálculo se puede realizar de 2 formas

1 Ciclo ideal: Calcular el ciclo necesario para la temperatura elegida y sumar el tiempo de calentamiento del centro obtenido de las gráficas de Gurney y Laurie. Este método es muy conservativo y da tiempos excesivos.

2 Ciclo real: Obtener el perfil T-t para el centro del envase con las gráficas de Gurney y Laurie, incluyendo calentamiento y enfriamiento y un periodo de mantenimiento, si lo hay, y calcular las reducciones en base a estos perfiles.

Ambos métodos son muy conservativos, especialmente el primero, y particularmente en el caso de envases grandes que contienen alimentos líquidos o semilíquidos o alimentos en un líquido de gobierno, como es el caso de muchas conservas vegetales.

En este caso, el sobretiempo calculado para el calentamiento es realmente excesivo, resultando costoso e incluso dañino para la calidad del producto. En estos casos tiene sentido usar el siguiente método SEMIEMPÍRICO para ALIEMNTOS ENVASADOS SEMISÓLIDOS.

La siguiente ecuación (semiempirica) da la variación de temperatura media para el alimento contenido en el envase durante el calentamiento

2.3C

C o p

T T UALog tT T MC −

= −

Donde Tc es la temperatura del fluido calefactor, To es la temperatura inicial de alimento y T es la temperatura del alimento en cada momento t. U es el coeficiente global de transferencia del calor, A el area del envase expuesta a la transferencia del calor, M la masa del alimento y Cp su capacidad calorífica.

Conviene agrupar todos los parámetros de transferencia del calor en el coeficiente fh, ya que han de ser determinados empíricamente en conjunto:

2.3 ph

MCf

UA=

E introduciendo u factor empírico que tiene en cuenta el retraso, jh, la ecuación del calentamiento queda

( )( )

C

h C o h

T T tLogj T T f

− −= −

Reordenando

( )( ) ( )( )C h C oh

tLog T T Log j T Tf−

− = + −

Que significa que si se dispone de un experimento en el que se mide la temperatura del punto frío con el tiempo (T vs t), se pueden usar estos datos para representar Log(Tc-T) frente al


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tiempo, obteniendo una linea recta de pendiente 1/fh y un valor d el ordenada en el origen del que se puede deducir jh (dedúzcalo usted).

Con fh y jh se puede escribir la expresión del perfil de temperaturas en el punto frío. Escríbala a continuación.

Cuestión 14: A continuación se dan los datos de un experimento en el que se ha medido la

temperatura en el punto frío de una lata de alubias en salsa de tomate. Encuentre los factores fh y jh y escriba la expresión del perfil de temperaturas.

time /min 0 3 6 9 12 15 18 21 24

temp /° C 50 52 62 86 100 106 112 115 116 time /min 27 30 33 36 39 42 45 48 51

temp /° C 116 116 116 116 116 116 114 84 57 Calcule también el índice de reducción que produce este ciclo en un

Clostridium cuyos datos son y el efecto sobre la vitamina que se muestra en la tabla, sabiendo que esa vitamina se destruye con una cinética de primer orden.

Temperature/ Inactivation rate constant, kd /s-1

° C C. botulinum Thiamine

60 1.51 × 10-07 2.760 × 10-7 120 1.51 × 10-01 4.070 × 10-6

5 Influencia del pH y actividad del agua en los tratamientos térmicos

En general, se puede decir que para la Pasteurización conviene trabajar a altas temperaturas y pH bajos. Por debajo de 4,5 las bacterias no crecen, lo que posibilita que los tratamientos térmicos puedan ser más suaves, aunque no hay que olvidar que a veces la pasteurización también lleva a cabo la desnaturalización de las enzimas (como el escaldado) como efecto secundario. Si este es el caso, hay que tener cuidado a la hora de suavizar el tratamiento térmico.

Intervalos de pH para el crecimiento de distintos microorganismos Intervalos de pH Microorganismo Crecimiento Crecimiento optimo Bacterias 4,5-8,5 4,5-7,5 Hongos 3-8,5 5-7 Levaduras 2,5-8,5 4-5

Con respecto a la actividad del agua (concentración de agua), una disminución de ésta aumenta la resistencia térmica de los microorganismos por lo que el tratamiento térmico después del secado es menos eficaz que realizado previamente. Los resultados experimentales demuestran que si es necesario esterilizar un alimento deshidratado para destruir sus virus o es necesario humedecerlo antes.


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6 Equipos utilizados en la pasteurización de alimentos

Existen dos modalidades de pasteurización:

LTH (low temperature holding), se trabaja a temperaturas bajas (62-68ºC) y tiempos largos (aproximadamente 30min). Este tipo de pasteurización es la llevada a cabo en los alimentos envasados (cervezas, zumos de frutas).

Según el material del envase, la esterilización se realiza con:

• agua caliente (en el caso del vidrio)

• mezcla de vapor de agua- aire (en el caso de plásticos y metal)

Los aparatos utilizados en pasteurización LTH pueden operar:

• Continuo: túneles de pasteurización (túneles con cinta sinfín, que contienen una zona de calentamiento y otra de enfriamiento)

• Discontinuo, baño maría en jaulas.

Este tipo de pasteurización se lleva a cabo en sencillos dispositivos tipo “baño maría” o en túneles como los mostrados al final del apartado.

HTST (high temperature, short time), se trabaja a temperaturas altas (72-85ºC) y tiempos cortos (entre 15-20 s). Este tipo de pasteurización es la llevada a cabo en los alimentos líquidos a granel, como leche, productos lácteos, zumos de frutas, cerveza, vinos...

El instrumento utilizado son los intercambiadores de calor de placas, los cuales constan de tres partes: recuperación del calor, calentamiento y enfriamiento. En la zona de recuperación de calor es el alimento pasteurizado el que cede el calor al alimento a tratar para preenfriarse mientras que el alimento a tratar se precalienta antes de su esterilización.

La pasteurización a alta temperatura es en general más conveniente, ya que es más rápida, los dispositivos son más pequeños, y el consumo energético se reduce.

El principal inconveniente es que requiere un control más intenso y que por este motivo loas instalaciones son más complicadas y caras.

Los sistemas HTST requieren dispositivos capaces de calentar muy rápidamente, como los cambiadores de placa o de superficie rascada, o los de tres tubos concéntricos, modificación del conocido sistema. Estos dispositivos se muestran al final.


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Cambiador de placas


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Esquema de la circulación de fluidos en un cambiador de placas

Pasteurización en cambiador de placas con ciclo de mantenimiento externo y recuperación

de calor.


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cambiador de tubos concéntricos y su modificación a cambiador de tubo triple.


23

Pasteurizador de tubos concéntricos.

Cambiador de superficie rascada y su esquema.


24

Tunel de pasteurización por ducha de agua: imahen, ventajas e inconvenientes y esquema.


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Bibliografía

Mafart, P. En Ingeniería Industrial Alimentaria. Volumen 1: Procesos Físicos de conservación. Ed. Acribia: Zaragoza, 1994.

Ordóñez, J.A., Cambero, M.I., Fernández, L., García, M.L., García de Fernando, G., de la Hoz, L. y Selgas, M.D. Tecnología de los Alimentos. Volumen I: Componentes de los alimentos y procesos. Eds, Ordóñez, J.A Ed. Síntesis: Madrid, 1998.

Fellows, P. En Tecnología del Procesado de los Alimentos. Principios y Prácticas. Eds, Fellows, P. Ed. Acribia: Zaragoza, 1994.

http://www.galesh.us/index.htm (ejemplos de equipo)

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