CONTROL DE CAMBIADORES DE CALOR CON APLICACION EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Lorenzo Echevarría(ES) APV Ibérica RESUMEN La aplicación de cambiadores de calor, en adelante HE (del inglés Heat Exchanger ), en la industria alimentaria es tan extensa y variada como los tipos de industria de este sector y los diferentes procesos que en éstas se llevan a cabo. El proceso térmico es básico en este ramo desde su mas remotos orígenes, tanto que, como veremos más adelante, tal y como se concibe hoy la industria alimentaria, la mayoría de los procesos que esta conlleva no serían posibles sin estos equipos. Existen diferentes tecnologías y por ende distintos tipos de control pero, como podremos comprobar, todos ellos destinados a garantizar las condiciones sanitarias del producto, tanto en el almacenamiento como durante el proceso y finalmente en el envasado para la posterior distribución. -1-
1. INTRODUCCION El proceso térmico por excelencia es el de pasterización, presente, por razones de sanidad y seguridad, en prácticamente todas la empresas del sector: desde la industria láctea hasta la cervecera, desde las industrias vinícolas y alcoholeras hasta las de bebidas refrescantes. Los distintos productos y sus diferentes características físicas requieren a su vez construcciones alternativas. Tanto en la pasterización como en la mayoría de los procesos térmicos de aplicación en alimentaria, las variables fundamentales son temperatura y tiempo. Veremos como en la industrialización de estos procesos, existe un conflicto entre la garantía sanitaria del producto y el mantenimiento de las propiedades tradicionales que definían el mismo. Un buen diseño del equipo y control preciso del mismo nos llevarán a un buen compromiso entre ambos requisitos fundamentales para la definición de calidad del producto. -2-
La evolución de las tecnologías, desde la aparición de los sensores en línea hasta la irrupción de las tecnologías de la información en el mundo industrial, han tenido su reflejo en este campo y nos han llevado desde el control automático de la regulación del proceso hasta la automatización de la planificación de producción y la integración en los sistemas de gestión de negocio. Por último, veremos como la creciente preocupación de las autoridades por el control de los productos alimenticios a lo largo de toda la cadena productiva y de distribución Desde la granja a la mesa, tiene su influencia en la automatización de estos procesos a través de la legislación. 2. LAS DIFERENTES INDUSTRIAS Y LAS DIFERENTES APLICACIONES Son innumerables los procesos de transformación de los alimentos en los que aparecen cambiadores de calor, nos fijaremos aquí en diferentes procesos relativos a su vez a diferentes productos y sus correspondientes industrias. 2.1.- Enfriamiento en la fermentación del mosto para la producción de vino. Definición. La fermentación es el proceso biológico de conversión del mosto en vino mediante la transformación de los azucares contenidos en el mosto, y por medio de la levadura del propio fruto, en alcohol y anhídrido carbónico. Este proceso es exotérmico y en él se liberan del orden de 24Kcal/l. Mientras parte de este calor se disipa en el ambiente el resto eleva la temperatura del mosto la cual no debe sobrepasar un valor determinado y variable en función del tipo de vino a producir: o 32-33º C en la vinificación del tinto. o 12-18º C si se trata de blancos. Objetivo. Hay que mantener la temperatura de estos mostos dentro de los limites establecidos para evitar, por ejemplo: o Perdidas de alcohol por evaporación, con la consecuente perdida de grado alcohólico del vino. o Inactivación de las levaduras que producen la fermentación. La aplicación. Aunque existen diferentes métodos para la refrigeración de los tanques de fermentación como camisas de refrigeración o incluso convección natural y radiación, el mas eficiente, sobre todo para grandes volúmenes, es el enfriamiento trasegando producto a través de cambiadores de placas con circulación a contracorriente de fluido refrigerante. -3-
Como se puede apreciar en la figura anterior, la aplicación es bien sencilla y el modelo de regulación corresponde al de control sin cambio de fase con actuación sobre el caudal del fluido refrigerante (tipo A). Las principales ventajas de este método y para esta aplicación son: o El enfriamiento se consigue rápidamente, se puede llegar a bajar de 32 a 24 º C un volumen aproximado de 250.000 l en una hora. o Bajas perdidas de carga, lo cual se traduce en un reducido gasto de bombeo. El equipamiento y el control son básicos, por un lado los instrumentos de campo trabajan en unos rangos de temperatura y presión ambientales y, por otro la velocidad de respuesta del sistema no es critica. 2.2.- Leche esterilizada. Definición. La popularmente conocida UHT es la leche natural tratada mediante un proceso de calentamiento a alta temperatura (Ultra High Temperature) 135-150 º C durante un intervalo de tiempo de unos 2 a 8 segundos. Es por esto último que a veces encontramos también las siglas ST (Short Time). Objetivo. Mediante este tratamiento se garantiza la destrucción total de los microorganismos y la inactivación de sus formas de resistencia o esporas, obteniéndose un producto de propiedades similares al natural y que no necesita refrigeración para su conservación. -4-
La aplicación. Podemos establecer una división, según la tecnología empleada, en sistema directo y sistema indirecto. Ambos se representan y definen brevemente a continuación. Sistema directo en cual se precalienta la leche en un aparato de placas (1) para luego, mediante inyección directa de vapor (2), elevar la temperatura hasta la de esterilización 135-150 º C de forma instantánea. Esta método, también conocido como Infusión, se representa esquemáticamente en la figura anterior. Sistema indirecto en el que de forma análoga al anterior la leche es precalentada (1) para luego ser esterilizada, y aquí radican las principales diferencias, de nuevo en un aparato a placas (3) por medio de agua sobrecalentada, manteniéndose a unos 138º C durante unos 4 segundos en el tubo de mantenimiento (4). -5-
En la siguiente figura se pueden apreciar la diferente curva térmica asociada a cada uno de estos procesos. Una de las grandes diferencias es que en el primero o indirecto el intercambio se realiza a través de una superficie de placas, tubos, mixta, etc. mientras que en el directo, el fluido calefactor entra en contacto el producto lo cual deriva directamente en necesidad de vapor culinario. Además, la recuperación térmica en el indirecto es mucho mayor. Las exigencias en cuanto al sistema de regulación en cualquiera de las dos soluciones son mucho mayores que en el caso anterior. La precisión de lo instrumentación de campo es critica pues una pequeña desviación en la temperatura o en el tiempo de mantenimiento hacen que no se cumpla el objetivo teniendo, en caso de ser viable, que repetirse el proceso. Otro factor a tener en cuenta es la fuerte incidencia que una parada no planificada puede tener en el rendimiento de estos equipos: la puesta en régimen de la planta puede requerir de varias horas cuando el tiempo máximo de funcionamiento continuo no alcanza a veces las 24 horas. ti -6-
2.3.- Pasterización. Definición. Como se ha dicho anterniormente, este es el proceso térmico por excelencia en la industria alimentaria. Una de las diferencias fundamentales con los anteriores de esterilización es que la temperatura a la que es sometido el producto, alrededor de 74º C, es mucho más baja, consecuentemente las características nutritivas, el color y el sabor natural del producto se alteran en menor grado. Por el contrario, el tiempo de ratamiento es ligeramente superior a cualquiera de los anteriores y aunque depende del producto esta en un rango que va de los 15 a los 30 segundos. Objetivo. Se pretende mediante la pasterización la destrucción de microorganismos patógenos con el fin, común a todos estos procesos, de evitar la transmisión de enfermedades y en definitiva de aumentar las garantías sanitarias del producto. La aplicación. Existen dos métodos para la realización de este proceso: uno de ellos se aplica mediante túneles y después de envasado el producto, por lo que no nos detendremos más en él, y otro que se realiza mediante cambiadores, de placas o tubos en función del producto a tratar y sus características de viscosidad y partículas en suspensión. La imagen corresponde a un sistema SCADA para la visualización y mando de un pasterizador de cerveza y el modelo de regulación, en este caso, responde a un control sin cambios de fase con actuación sobre caudal del producto o fluido principal. -7-
3.MODELOS DE REGULACIÓN EN CAMBIADORES La principal característica de los sistemas de regulación de temperatura en general es la respuesta lenta y, a veces, la dificultad para estabilizar el sistema. En los cambiadores de calor, el control de temperatura se regula de forma indirecta: controlando el caudal de los fluidos, principal o calefactor, controlamos el calor que se aporta al sistema. Esto nos permite hacer una división de los sistemas de regulación según se actúe sobre el caudal del fluido calefactor o sobre el de fluido principal o producto. Cabe hacer otra división dependiendo del modo de actuación sobre el caudal y si se genera by-pass o no. A continuación se ilustran los cuatro diferentes modos que de estas divisiones se derivan. Modelos de regulación sobre caudal de fluido principal y sobre caudal de fluido calefactor. Modelos de regulación sobre by-pass de fluido principal y sobre by-pass de fluido calefactor. Los dos primeros suelen ser mas fáciles de implementar y por tanto mas ventajosos económicamente y dentro de ellos el que actúa sobre el fluido principal tiene el inconveniente de perturbar el flujo de producto. Esto produce irregularidades que dependiendo del proceso global o del mismo producto pueden ser inaceptables. A esto hay que la lentitud en la respuesta de ambos modelos. -8-
De los que actúan sobre by-pass, el que lo hace sobre el de fluido calefactor es tan lento como los anteriores y no introduce ninguna ventaja adicional. El último tiene una respuesta más rápida pero hay que tener cuidado con la perdida de carga en el cambiador, pues si es esta es baja el caudal de by-pass puede ser insuficiente. Par este caso existen las siguientes alternativas que permiten un control mas preciso: Modelos de regulación sobre by-pass de fluido principal con válvula 3 vías (Iqda.) y con dos 4. ASPECTOS DE MEJORA La automatización en el control de procesos tiene como último objetivo la mejora de la producción en todos los aspectos, de ellos podemos destacar o Rendimiento. Es fácil imaginar como un control más preciso sobre el punto de consigna, no permite movernos dentro de los márgenes de calidad de nuestro producto hacia el limite que mas nos interese. o Eficiencia energética. La estabilidad y consecuente continuidad de los procesos regulados automáticamente es otro aspecto de mejora continua con reflejo directo en el ahorro de energía. Por ejemplo, la observación de la evolución de variables del proceso a través de sensores en línea: la caída del rendimiento térmico del cambiador nos indica que se está alcanzando el límite de funcionamiento en continuo por ensuciamiento del equipo. o Calidad del producto y seguridad. Estos son los de mas reciente aparición y están vinculados a métodos como el de Control Estadístico de los Procesos (CEP) o él Análisis de Riesgos y Control de Puntos Criticos (ARCPC o HACCP). Los avances tecnológicos durante las dos últimas décadas han hecho posible el almacenamiento masivo de datos de producción a nivel de planta y en tiempo real. Esta información nos permite realizar una análisis mas dinámico de los sistemas, minimizando los riesgos en la toma de decisiones y facilitando la predicción de eventos no deseados. -9-
5. AGRADECIMIENTOS El autor de este articulo agradece su inestimable colaboración a Gema Jiménez y Pablo Valentín, compañeros y amigos en APV Ibérica. 6. REFERENCIAS [1]. Fondo documental APV HE knowledge. [2]. Madrid Vicente A., Madrid Cenzano A. Madrid (2001). Nuevo Manual de Industrias Alimentarias, AMV Ediciones, ISBN 84-89922-56-X [3]. McFarlane I., U.K. (1995). Automatic Control of Food Manufacturing Processes, Chapman and Hall, ISBN 0 7514 0207 9 [4]. Briz Julian, Madrid (2003). Internet, Trazabilidad y Seguridad Alimentaria, Ediciones Mundi Prensa, ISBN 84-8476-140-1 [5]. Burguillos V., Madrid (2003). Control de Temperatura en Cambiadores de Calor, publicado en la revista Ingeniería Química, ISSN -10-