INFLUENCIA DE LA PENDIENTE DEL PERIODO DE CALENTAMIENTO EN LA INTENSIDAD DEL PROCESADO TÉRMICO EN LA ESTERILIZACIÓN EN AUTOCLAVE Abril, J. y Casp, A. Departamento de Tecnología de Alimentos Universidad Pública de Navarra. Campus Arrosadía.- Pamplona (España) jabril@unavarra.es Palabras clave: Esterilización térmica, autoclave, pendiente calentamiento. RESUMEN Generalmente los fabricantes de autoclaves dotaban a sus equipos de sistemas de control que permitían realizar la puesta en temperatura en tiempos ajustables, indicando el tiempo a transcurrir hasta alcanzar la temperatura de régimen. Es decir alcanzar la temperatura máxima por medio de un proceso de calentamiento a pendiente constante. En los últimos años, los fabricantes montan en sus equipos sistemas que permiten conseguir el calentamiento mediante procesos de múltiples pendientes (llamados por pasos ), pretendiendo de esta forma ajustar mejor las condiciones del proceso a las necesidades de los productos a esterilizar, con el fin de conseguir un incremento de la calidad final. En el presente trabajo se han simulado, para dos productos diferentes, cuatro pendientes de calentamiento: lineal, exponencial, logarítmica y por pasos para un proceso de calentamiento de la misma duración (2 min) y que termina a la misma temperatura (ºC), ajustando la intensidad total del tratamiento al mismo valor. Se ha estudiado como afecta la pendiente de calentamiento al tiempo total de proceso y al efecto de cocción obtenido. De los resultados obtenidos se desprende que las diferencias producidas no justifican el incremento de complejidad que supone la utilización de pendientes distintas de la lineal. INTRODUCCIÓN El perfecto control de la velocidad de calentamiento es una de las características que determinan la calidad de los autoclaves. La reproducibilidad de los tratamientos aplicados en diferentes cocidas comienza por el control del proceso de calentamiento. Generalmente los fabricantes de autoclaves dotaban a sus equipos de sistemas de control que permitían realizar la puesta en temperatura en tiempos ajustables, indicando el tiempo a transcurrir hasta alcanzar la temperatura de régimen. Es decir alcanzar la temperatura máxima por medio de un proceso de calentamiento a pendiente constante. En los últimos años, los fabricantes montan en sus equipos sistemas que permiten conseguir el calentamiento mediante procesos de múltiples pendientes (llamados por
pasos ), pretendiendo de esta forma ajustar mejor las condiciones del proceso a las necesidades de los productos a esterilizar, con el fin de conseguir un incremento de la calidad final. En el presente trabajo se trata de conocer como afecta, para un calentamiento de duración e intensidad fijadas, la función mediante la que se alcanza la temperatura de régimen. MATERIALES Y MÉTODOS La ecuación clásica que describe la transmisión de calor por conducción en un cilíndro finito de acuerdo con Carslaw y Jaeger (1959) es: 2 2 T T 1 T T 2 2 t r r r h en la que: T = temperatura del producto (ºC) t = tiempo (s) = difusividad térmica (m 2 /s) r = posición radial en el cilindro (m) h = posición vertical en el cilindro (m) Para su resolución por ordenador se ha utilizado la técnica de diferencias finitas descrita por muchos autores (Teixeira y col., 1969; Bown, 24; Chen y Ramaswamy, 27). Se han simulado dos productos de difusividades térmicas muy diferentes: α 1 =,15 m 2 /s y α 2 =,5 m 2 /s para comprobar si en ambos casos se obtienen las mismas conclusiones. Para ambos productos se han elegido las mismas dimensiones del envase:,35m de radio y,15 m de altura, correspondientes a las latas de medio kg de capacidad. Para cada producto se ha establecido una intensidad de tratamiento térmico que permita que al concluir el calentamiento la temperatura del producto se haya estabilizado: Producto 1 (α 1 =,15 m 2 /s) hasta Fo = 4,6, que para la pendiente lineal supone el siguiente proceso: o Temperatura inicial: 2ºC o Temperatura de régimen: ºC o Calentamiento: 2 minutos o Mantenimiento: 6 minutos o Tiempo total: minutos. Para el resto de las pendientes se ajustó el tiempo de mantenimiento para conseguir el mismo Fo que en el caso de la pendiente lineal. Producto 2 (α 2 =,5 m 2 /s) hasta Fo = 6,4, que para la pendiente lineal supone el siguiente proceso: o Temperatura inicial: 2ºC o Temperatura de régimen: ºC o Calentamiento: 2 minutos o Mantenimiento: 2 minutos o Tiempo total: minutos.
Como para el otro producto, para el resto de las pendientes se ajustó el tiempo de mantenimiento para conseguir el mismo Fo que en el caso de la pendiente lineal. Los procesos de calentamiento se han simulado con 4 pendientes distintas, cuya representación puede verse en la gráfica 1. Las pendientes lineal, exponencial y logarítmica se han obtenido con las siguientes funciones: o Lineal: T 2 5 t,896t o Exponencial: T 2 e o Logarítmica: T 26, 7 Ln t 115 15 95 85 75 65 6 55 5 45 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 logaritmica lineal exponencial pasos Gráfica 1: Pendientes utilizadas en las simulaciones RESULTADOS En las gráficas 2, 3 pueden verse los tratamientos para el producto 1 con las pendientes lineal y logarítmica, mientras que en las gráficas 4 y 5 se presentan los tratamientos para el producto 2 con el resto de las pendientes: exponencial y por pasos. 6 5 3 2 1 1 2 3 5 6 Gráfica 2: Función lineal en el calentamiento (α:,15 m 2 /s) 6 5 3 2 1 1 2 3 5 6 Gráfica 3: Función logarítmica en el calentamiento (α:,15 m 2 /s)
6 5 3 2 1 5 1 15 2 25 3 35 45 5 55 6 65 Gráfica 4: Función exponencial en el calentamiento (α:,5 m 2 /s) 6 5 3 2 1 5 1 15 2 25 3 35 45 5 55 6 65 Gráfica 5: Calentamiento por pasos (α:,5 m 2 /s) En las simulaciones se han obtenido temperaturas en el centro térmico del envase (que se han mostrado en las gráficas anteriores), y en dos puntos intermedios entre el centro y la superficie del eje de simetría horizontal del envase colocado en posición vertical. Con estas tres temperaturas y con la de la superficie del envase se han calculado los valores de cocción (Co), utilizando como temperatura de referencia ºC y para un valor de z=3 min. En la tabla siguiente se presentan los valores de Fo y Co alcanzados en el centro térmico de los productos con los diferentes calentamientos. P1 (,15 m 2 /s) P2 (,5 m 2 /s) tiemp(min) Fo Co tiemp(min) Fo Co Lineal 6 4,6 112,2 2 6,4 75,9 Logarítmica 55 4,6,9 18 6,7 79,2 Exponencial 63 4,7 112,2 21 6,3 74,8 Paso a paso 6 4,8 112,8 2 6,6 77,4 Se aprecia que las diferencias en el efecto de cocción son mínimas entre los cuatro sistemas de calentamiento cuando se mantiene constante la letalidad del tratamiento (menos del 1% para el producto con menor difusividad térmica y del 5% con el producto de mayor difusividad térmica). La utilización de una función logarítmica en el calentamiento permite reducir el tiempo de procesado para ambos productos, mientras que con la exponencial siempre son necesarios tiempos más largos A continuación se ha estudiado la homogeneidad del tratamiento en la totalidad de la masa del producto. Para ello se ha calculado un coeficiente de homogeneidad de acuerdo con la siguiente ecuación: Ccm Chc Ccentro siendo: Vi C i Ccm Vtotal Los valores de los coeficientes de homogeneidad se muestran en la siguiente tabla: i 4 i1
P1 (,15 m 2 /s) P2 (,5 m 2 /s) Lineal 117, 161,5 Logarítmica 116,7 16,7 Exponencial 119,4 163,2 Paso a paso 114,7 16,3 Es evidente que cuanto mayor es la difusividad térmica del producto también es mayor la homogeneidad (valores muy próximos a ). Para cada producto las diferencias de homogeneidad debidas al patrón de calentamiento son muy pequeñas, siendo la función exponencial la que presenta peores resultados y el proceso por pasos, junto con la función logarítmica, los que lo presentan mejores. CONCLUSIONES De los resultados obtenidos se puede concluir que la utilización de funciones muy diferentes en el calentamiento no llevan a grandes diferencias en los resultados obtenidos. Los tiempos para conseguir la misma letalidad en los tratamientos son prácticamente iguales. Las diferencias en el efecto de cocción en el centro térmico son también mínimas, y puede decirse algo similar de la homogeneidad conseguida en el efecto de cocción para toda la masa de producto. Por lo tanto, la introducción de patrones de calentamiento que compliquen la implementación y dificulten la comprensión de las recetas de los tratamientos térmicos es difícilmente justificable desde el punto de vista técnico. BIBLIOGRAFÍA Bown, G. (24) Modelling and optimising retort temperature control. En: Improving the Thermal Processing of Foods. Richardson, P. Ed. CRC Press. Boca Raton. Carslaw, H.S. y Jaeger, J.C.(1959) Conduction of Heat in Solids. 2ª Ed. Oxford University Press. Oxford. Chen, R.C. y Ramaswamy, H.S. (27) Visual Basic computer simulation package for thermal process calculations. Chem. Eng. Process, 46, 63-613. Teixeira, A.A.; Dixon, J.R.; Zahradnik. J.W. y Zinsmeister, G.E. (1969) Computer determination of spore survival distributions in thermally processed conductive heating foods. Food Technol. 23, 352.