SIMULACIÓN DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS APLICADOS A ALIMENTOS ENVASADOS EN BARQUETAS PLÁSTICAS

Transcripción

1 SIMULACIÓN DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS APLICADOS A ALIMENTOS ENVASADOS EN BARQUETAS PLÁSTICAS 1 Abril, J.*; 2 Gómez, A.; 2 López, R. y 1 Casp A. 1 Departamento de Tecnología de Alimentos Universidad Pública de Navarra. Campus Arrosadía.- Pamplona (España) jabril@unavarra.es 2 CITA La Rioja, Centro Innovación y Tecnología Alimentaria de La Rioja. Pol. Tejerías Norte. c/ Los Huertos 2. Cp 2. Calahorra, La Rioja. agomez@cita-larioja.es Palabras clave: simulación, procesado térmico, autoclave de ducha de agua, alimentos envasados. Resumen Cada vez es más frecuente encontrar alimentos envasados en barquetas de material plástico de forma paralelepipédica. La simulación de la evolución de la temperatura en el interior de estos envases durante el procesado térmico suele hacerse resolviendo la ecuación diferencial de transmisión de calor por conducción utilizando técnicas de elementos finitos. El empleo de diferencias finitas para la resolución de esta ecuación diferencial no parece adecuada debido a la forma geométrica de la barqueta, especialmente a causa del ala de soldadura que obligatoriamente deben llevar y que participa activamente en la circulación del fluido caloportador, sobre todo cuando se trata de autoclaves de ducha de agua sobrecalentada. Sin embargo, cuando se utilizan sistemas de rotación para acelerar la penetración de calor en los envases el efecto del ala no parece que deba ser tan decisivo y por ello puede ser adecuado el empleo de diferencias finitas para realizar la simulación, lo que supondría una considerable simplificación del proceso. En el presente trabajo se simula mediante diferencias finitas la penetración de calor en un alimento envasado en barquetas de material plástico en un proceso estático y con rotación a a dos velocidades: 6 y 1 rpm. Los resultados obtenidos indican que los errores cometidos con este método de cálculo son industrialmente asumibles y que se reducen a la vez que se incrementa la velocidad de giro. INTRODUCCIÓN La utilización de envases plásticos rígidos (barquetas) en alimentos que reciben procesado térmico es cada vez más habitual. Sin embargo, en el diseño de estos envases no se han tenido en cuenta las exigencias que el procesado térmico plantea. Las barquetas utilizadas para el envasado de alimentos se caracterizan por tener: Sección ligeramente trapezoidal, adecuada para ocupar poco espacio cuando se almacenan vacías unas dentro de otras. Un ala en el borde superior para facilitar la soldadura de la lámina de cierre. Es evidente que esta forma no es la más adecuada para recibir un tratamiento térmico mediante ducha de agua, que es el sistema que mayoritariamente se utiliza tanto en procesos de pasteurización como de esterilización. Dada la forma del envase, es evidente que su posición influirá en la velocidad de transmisión de calor, lo que quedó demostrado en unos trabajos anteriores (Abril y Casp 24 y 28). La industria agroalimentaria dispone de equipos comerciales de esterilización en los que se puede incrementar la velocidad de penetración de calor aplicando distintos sistemas de rotación a los envases. Los más utilizados son los de rotación axial y tapa-fondo-tapa. La rotación tapa-fondo-tapa se emplea en los equipos de esterilización por cargas (autoclaves), en los que los envases se colocan en jaulas que se hacen girar haciendo que el espacio de cabeza pase de la tapa al fondo y vuelva otra vez a la tapa, en cada giro, dando así nombre al sistema.

2 Para todos los productos recogidos por la bibliografía, con la agitación se consigue una mejora en la velocidad de penetración del calor. Esta mejora es mayor para alimentos de baja viscosidad que para los de alta (Berry y Kohnhorts, 19; Berry y col., 19). El efecto de la agitación es función de la consistencia del alimento y para que sea apreciable en los productos de alta viscosidad se debe incrementar la velocidad de giro (Berry y col.,1979; Berry y Bradshaw, 19). Tucker (24) advierte que velocidades superiores a 1 r.p.m. pueden presentar problemas mecánicos importantes cuando se trabaja con autoclaves industriales. La agitación mediante un sistema de rotación tapa-fondo-tapa consigue reducir el tiempo total de procesado para alcanzar la misma intensidad de tratamiento que en los procesos estáticos, por ello se consiguen ahorros energéticos y mejoras en la calidad organoléptica y nutricional de los alimentos tratados (Ali y col., 26; Ali y col., 27; Garrote y col., 28; Abril y Casp, 21). MATERIAL Y MÉTODOS Materiales Barquetas de 31 ml de capacidad; de 187 x 137 x 36 mm de dimensiones de polipropileno y EVOH como material barrera, termoselladas con film de la misma composición que el cuerpo en una cerradora semiautomática Ulma mod. Smart 3. Producto: crema de coliflor de la siguiente composición: coliflor (var. Galliote): 34%; patata (var Monalisa): 22%; agua: 34%; mantequilla: 3%; leche semidesnatada: 7%; sal: 1%. El producto sufre una cocción en Thermomix a 1ºC durante 2 minutos. La esterilización se ha realizado en un autoclave Surdry de ducha de agua sobrecalentada, con un caudal de 6 l/min. El registro de la temperatura del agua de proceso y del producto se ha realizado con sondas Pt-1 Tracksense Ellab. Métodos Esterilización: el tratamiento térmico se ajustó en todas las experiencias a Fo = 8, de forma que se garantizase la destrucción de Bacillus stearothermophilus. Se fijó la misma intensidad para todos los casos con el fin de observar los cambios en el tiempo de tratamiento y en el efecto de cocción conseguido. De cada tratamiento se realizaron dos repeticiones. Cálculo de la difusividad térmica aparente: se realizó a partir de la curva de penetración de calor, de acuerdo con Olson y Jackson (1942), utilizando la ecuación propuesta por estos autores para geometrías paralelepipédicas: ( ) Siendo a, b y c las tres semi aristas del paralelepípedo y f el factor de penetración del calor obtenido calculando la inversa de la pendiente negativa de la curva que se consigue al representar el logaritmo decimal de la diferencia entre la temperatura del recinto y la del producto contra el tiempo de tratamiento. La simulación se ha realizado resolviendo la ecuación diferencial de Fourier que explica la transmisión de calor por conducción mediante diferencias finitas: T t T T T 2 2 a b c 2 Siendo a, b y c las tres semi aristas del paralelepípedo; T la temperatura del producto; t el tiempo de proceso y la difusividad térmica aparente del alimento en su envase.

3 Temperaturta (ºC) Temperatura (ºC) RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para todas las experiencias realizadas se ha calculado la difusividad térmica aparente y los valores esterilizador y de cocción. Los cálculos siguientes se han realizado con las medias de los resultados obtenidos para cada tratamiento. En las gráficas 1, 2 y 3 se puede observar la evolución de las temperaturas de recinto y de producto, así como la simulación utilizando la difusividad térmica aparente calculada, para cada una de las velocidades de giro ensayadas. Se aprecia que, como se mantiene la intensidad del tratamiento en todos los casos (Fo = 8), los tiempos de proceso se acortan al incrementarse la velocidad de giro: rpm Tiempo de proceso O 18 min 6 12 min 1 1 min Lo que produce la consiguiente reducción del tiempo total de tratamiento, la reducción del efecto de modificación de las propiedades organolépticas del tratamiento (efecto de cocción) y la reducción del consumo energético. Gráfica 1: Resultados de la simulación para el procesado estático Tiempo (min) Trec Tprod Tsimul Gráfica 2: Resultados de la simulación para el procesado a 6 rpm Trec (ºC) Tprod(ºC) Tsimul Tiempo (min)

4 Fo Co Temperatura (ºC) Gráfica 3: Resultados de la simulación para el procesado a 1 rpm Tiempo (min) Trec (ºC) Tprod(ºC) Tsimul En estas gráficas se aprecia también que la simulación es industrialmente aceptable en todos las casos, pero que mejora cuando giran las barquetas. En la tabla siguiente se presentan los valores de Fo y Co calculados a partir de las curvas experimentales y simuladas para cada tratamiento para apreciar con más exactitud los errores cometidos con la simulación. Fo Co rpm Experimental Simulado Experimental Simulado 7,9 8,7 84, 88,6 6 8, 7,4 73,3 71, 1 8,8 8, 71, 68,7 Al incrementarse la velocidad de rotación, cuando se mantiene el efecto esterilizador del tratamiento, se reduce de forma considerable el efecto de cocción, como se aprecia en la gráfica 4. Gráfica 4: Efecto esterilizador y de cocción conseguidos Fo Co rpm

5 Difusividad térmica aparente (m2/s) Es evidente que para el caso de alimentos como el empleado en estas experiencias, la rotación del envase consigue mejorar de forma sustancial la penetración de calor, consiguiéndose incrementos importantes en la difusividad térmica aparente del proceso, como se aprecia en la gráfica. Gráfica : Evolución de la difusividad térmica aparente con la velocidad de rotación 9,E-7 8,E-7 7,E-7 6,E-7,E-7 4,E-7 y = E-8x + 3E-7 R² =,9942 3,E-7 2,E-7 1,E-7,E rpm En el intervalo de velocidades de rotación ensayadas existe una relación lineal entre éstas y la difusividad térmica aparente con la que se realiza la transferencia de calor, por lo que a 1 rpm la difusividad térmica aparente (9.1-7 m 2 /s) es triple que en el proceso en estático (3.1-7 m 2 /s). CONCLUSIONES De los resultados obtenidos se puede concluir que el método de las diferencias finitas se puede utilizar para la simulación de la penetración del calor en el procesado térmico, en equipos de rotación, de alimentos envasados en barquetas de material plástico. Esta herramienta de simulación permitirá ajustar las condiciones de proceso: tiempo, temperatura y velocidad de rotación para conseguir la inocuidad y estabilidad microbiológica de los alimentos a la vez que el efecto de cocción adecuado para que el producto terminado presente las propiedades organolépticas buscadas por los consumidores. BIBLIOGRAFÍA Abril, J. y Casp, A. (24) Procesado térmico de alimentos en barquetas plásticas. Actas CESIA 24. Pamplona. ISBN pag Abril, J. y Casp, A. (28) Influencia de la posición en el procesado térmico de alimentos en barquetas plásticas. Actas CESIA 28. Barcelona. ISBN pag Abril, J. y Casp, A. (21) Estudio de la penetración de calor en alimentos procesados en sistemas de esterilización rotatorios. Actas CESIA 21. Logroño. ISBN: Ali, A.A.; Sudhir, B. y Gopal, T.K.S. (26) Effect of rotation on the heat penetration characteristics of thermally processed tuna in oil in retort pouches. Int. J. Food Sci. Technol. 41, Ali, A.A.; Sudhir, B. Mallick, A.K. y Gopal, T.K.S. (27) Effect of rotation on process time of thermally processed mackerel in oil in aluminium cans. J. Food Proc. Eng. 31, Berry, M.R. y Bradshaw, J.G. (19) Heating characteristics of condensed cream of celery soup in a Steritort: heat penetration and spore count reduction. J. Food Sci. 4, y 879.

6 Berry, M.R. y Kohnhorst, A.L. (19) Heating characteristics of homogeneous milk-based formulas in cans processed in an agitating retort. J. Food Sci., y 23. Berry, M.R.; Bradshaw, J.G. y Kohnhorst, A.L. (19) Heating characteristics of ravioli in brine and in tomato sauce processed in agitating retorts. J. Food Sci., Berry, M.R.; Savage, R.A. y Pflug, I.J. (1979) Heating characteristics of cream-style corn processed in a Steritort: effects of headspace, reel speed and consistency. J. Food Sci. 44, Garrote, R.L.; Silva, E.R., Roa, R.D. y Bertone, R.A. (28) Kinetics parameters of surface color degradation of canned fresh green peas sterilized in a rotary retort. Lebensmittel- Wissenschaft und-technologie, 41, Olson, F.C.W y Jackson, J.M. (1942) Heating curves. Theory and Practical Application. Industrial Engineering Chemistry 34, Tucker, G.S. (24) Improving rotary thermal processing. En Improving the thermal processing of foods. Richardson, P. edit. Woodhead Publishing, Cambridge