autoclaves

Estudio del procesamiento térmico en alimentos

enlatados

Ing. Carlos Elías P. 1

Enlatado/esterilización

En el enlatado se realiza un proceso de esterilizaciónLa esterilización es un proceso más severo que la pasteurizaciónEl enlatado de alimentos es el procedimiento:

Para conservar alimentos Destruir:

m.o. patógenos (viables y esporas)Inactivar enzimas

2Ing. Carlos Elías

EsterilizaciónSe busca la esterilización comercial no la esterilización absolutaLas temperaturas que se utilizan están por encima de los 100 ºC por lo que necesitan sobre-presión(calderos, autoclaves, ductos de vapor)La esterilización es un proceso más severo que la pasteurización

3Ing. Carlos Elías


Clostridium botulinum (C.b.)Generalmente se toma como referencia al C.b. (mesófilo) para los cálculos del tratamiento térmico Datos del C.b.:

La temperatura de referencia para el C.b. es 121.1 ºC (250 ºF)F0 = 2.52 minZ = 10 ºC o 18 ºF

Hay m. o. más resistentes pero se toma como base al C.b. por ser el m. más peligroso para la salud pública

CocciónLa cocción está relacionada con:

La digestibidad (gelatinización del almidón, ruptura de estructuras secundaria de las proteínas)

Con la cocción no siempre se logra la muerte térmicaLo más difícil es lograr la cocción de:

las partes internas de los alimentos

5Ing. Carlos Elías P.

Co= cocciónF0= tiempo de muerte térmica


Autoclaves

La esterilización se lleva a cabo en autoclavesLas autoclaves trabajan con

Vapor saturado

7Ing. Carlos Elías

http://www.auriol-sa.fr/images/AUT1.jpg

ARRHENIUS:Las bacterias se destruyen a mayor velocidad a elevadas temperaturas

Bacterias y esporas

Vitaminas y enzimas

1/T21/T1 1/T

K

Mayor Tº

K1

K2

K3

K4

Pasteurización/esterilización• Pasteurización • Esterilización


http://www.auriol-sa.fr/images/AUT1.jpg

http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://home.t-online.de/home/marc.still/platten.jpg&imgrefurl=http://home.t-online.de/home/marc.still/dprod3_e.htm&h=150&w=115&sz=6&tbnid=RiRGFkg--yYJ:&tbnh=90&tbnw=69&start=131&prev=/images%3Fq%3Dintercambiadores%2Bde%2Bcalor%26start%3D120%26hl%3Des%26lr%3D%26sa%3DN

Intercambiadores de placas/Autoclave

Autoclave:La transferencia de calor no es instantáneaHay un punto más frío (pmf). Punto de menor letalidadCon una termocupla se monitorea el tratamiento

Inter. de placas:La transferencia de calor es instantáneaTanto el calentamiento como el enfriamiento son instantáneosNo hay puntos más fríos ni más calientes

10Ing. Carlos Elías

Monitoreo del punto más fríoAutoclaveIntercambiadores

de placas

θ(s)

t(ºC)

Rapidez del calentamiento/factores

La rapidez del calentamiento de los alimentos depende de:

De la superficie de contacto con la fuente calienteDel medio de calentamiento (calor seco o calor húmedo)El coeficiente de conducción (conductividad térmica)

La conductividad térmica será diferente en un “caldo” que En una atún (constituida por proteínas/lípidos)


Autoclaves con contrapresión

Presión y temperatura están relacionados:

A › Presión › TºEn ciertos casos se puede bajar la tºpero no la presión:

TT en bolsas flexibles retortablesSe hace contrapresión para que no exploten las bolsasPara la contrapresión se utiliza aire comprimido en el enfriamiento


Monitoreo de la temperatura

Autoclave

Lata


Autoclave: tuberías/válvulas/manómetros

A través de tuberías se alimenta vapor, agua y aire comprimidoLos flujos se controlan por válvulasSe usan manómetros para chequear la presión


TP = TC + CUT TP =desde que se abre hasta que

se cierra la llave de vaporTC =Tiempo de calentamientoCUT =Tiempo de levante


Tipos de microorganismosEn general se presentan 3 tipos de m.o.:

Sustrato

Benéficos

AlterantesPatógenos


Tratamiento térmico

Prolongación del tiempo de vida

Destrucción de patógenosDestrucción de patógenos

Destrucción de alterantesDestrucción de alterantes


Manipulación de factores internos y externos importantes en los enlatados

Factores internos:pHAw

Factores externos:Temperatura


pH y Aw determinan si se pasteuriza o se esteriliza

El pH Aw

Descomposición por tratamiento térmico inadecuado

Son causas de la descomposición de alimentos enlatados:a. Las fugas y b. t.t. insuficientes c. Enfriamiento inadecuadod. Mal almacenamiento e. Alteraciones antes del t.t.


a. Fugas

Las fugas son consecuencia de:Defectos en las latasMal selladoOrificios yMal manipuleo

Las agua contaminadas pueden ingresar a la lata y contaminar el producto


b.Tratamiento térmico (t.t.) insuficientes

Fallas en las operaciones de retorta (autoclave)Uso de termómetros defectuososVálvulas no calibradasContaminación excesiva por lo que el t.t. resulta insuficiente


Sub-tratamientos y sobre-tratamientos

t.t.decuado

Sub-tratamientos: problema microbiológico, riesgo para la salud pública

Sobre-tratamientos: • Problemas sensoriales como perdida de textura• Problemas nutricionales, como pérdidas de vitaminas


c.Enfriamiento inadecuado

Enfriamiento Lento.Riesgo de crecimiento de termófilos

Ѳ

Tº

Enfriamiento rápido


d. Mal almacenamiento

Lugares de temperatura elevada:Las temperaturas elevadas actúan como “estufas”Le dan a los m.o. remanentes el ambiente apropiado para su reproducciónGeneralmente se incrementa el Fo en aquellos productos destinados a lugares cálidos

Lugares de altitud elevadaLas latas al encontrar presiones externas menores ejercen tensiones en los cierres


e. Alteraciones previas al t.t.

En ocasiones se observa que las conservas se abomban en ausencia de m.o. vivosEllo se debe a la producción de gas de origen microbiano en las latas ya cerradas

que, en vez de esterilizarse inmediatamente, permanecieron cierto tiempo en espacios calientessusceptibles de alteración por flora termófila


Microorganismos y oxígeno

Las conservas bien elaboradas tienen ausencia de oxígeno

en el exhauster el oxígeno es desplazado por el vapor y este es posteriormente condensado a causa del enfriamientoEl condensamiento causa vacío

Al no haber oxígeno:no hay presencia de m.o. aerobios como los mohos y las levadurasse favorece la presencia de m.o. anaerobios como el Clostridium botulinunel C. botulinum es eliminado por las elevadas temperaturas


Condiciones que controlan el Clostridiumbotulinum

pH por debajo de 4.6Aw ≤ 0.93OxígenoEsterilizaciónNitritos


TRATAMIENTO TÉRMICO


Zona de riesgo y conservación por frío y calor

• Conservación por frío:• Refrigeración • Congelación

5 ºC

65 ºC

Zona deriesgo

• Conservación por calor:• Pasteurización• Esterilización


CURVA DE SUPERVIVENCIA DE MICROORGANISMOS

• Cuando las bacterias o sus esporas se exponen al calor, la supervivencia de estas se puede expresar en la siguiente ecuación:

•

•

• N= N0e-kθ

• Donde:• N0 = Número de m. o. • θ = Tiempo (min)• k = Velocidad de

destrucción térmica

Ecuación de supervivencia oEcuación de destrucción térmica (antiguamente)


DESTRUCCIÓN DE MICROORGANISMOS EN FUNCIÓN DEL TIEMPO N= N0e-kθ


LINEARIZANDO LA ECUACIÓN DE SUPERVIVENCIA

X b - a Y alinearizad

ciasuperviven deecuación θ 2.303)K / ( LgN Lg θ 2.303)K / (Ln 2.303) / (1 LnN (1/2.303)

e)(Ln KθLn NLn e N

0

0

0

θK 0

=

−Ν=−Ν=

−Ν=Ν= −


TIEMPO DE REDUCCIÓN DECIMAL “D”

1 cicloLog.


… EXPRESIÓN DE LA ECUACIÓN DE SUPERVIVENCIA EN f(D)

• Lg N = Lg N0 – (1/D) θ(es la forma más frecuentemente usada)

Tg φ = -(1/D)φ

D

Lg 100 = 2

Lg 10 = 1


RANGO DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA DEL C. botulinum

Según Esty y Meyer(1922):

F=12 D = 2.52 min

N0=60x10 9

N = 0.1

250ºF

Obsérvese que: F = (Lg N0 – Lg N)D; D250ºF = 0.21 min; F=12D; F=12(0.21) = 2.52 min


Resistencia térmica de m.o. formadores de esporas y de interés en el tratamiento térmico


CURVA DE RESISTENCIA TÉRMICA Y VALOR “Z”

• En la Fig. adjunta se puede observar que los valores de “D”dependen de la temperatura.


Generalizando para hallar la ecuación de resistencia térmica

z

Log D

m = 1z

Tº

Log D

Log D0

t0

( )ttZD

D−= 0

0

1log

( )10 01

0

ttZ

DD −=

( )ttZ

DLogLogD −=− 001

φ

+=++

ZttLogDLogD

Tag 1

0

0 =−

−=φ

))(1(

0010

ttZDD

−=

t

))(1(

0010

ttZDD

−=

))(1(

0010

ttZDD

−=

Pero, como F = 12D

))(1(

0010

ttZFF

−=

Ecuación de muerte térmica:nos permite hallar el F0

nos permite hallar termotratamientos equivalentes

…Curvas de resistencia térmica, muerte térmica y valor “z”

• Como F = n x D, la Curva de Resistencia Térmica D=f(t) y la Curva de Muerte TérmicaF=f(t) son paralelas como se puede ver en la Fig. adjunta.


VELOCIDA LETAL (L) Y LETALIDAD (Fo)


VELOCIDAD LETAL (L) Y LETALIDAD (F0)• De la ecuación de muerte térmica:

• F = F0 x 10 (1/Z)(T0-T) ó

• F0 = F x 10 (1/Z) (T –T0)

• Las letalidades F y F0 se hacen equivalentes mediante un factor de conversión llamado Velocidad Letal “L” , donde:

L = 10 (1/Z) (T –T0)

• A F0 se conoce como Letalidad del proceso:• Letalidad = F0 = F x L


Comportamiento de la Temperatura de la Retorta (Tr) y del Producto (Ti) en los Enlatados. Valor F0

∫=θ

00 dt L F

F0

Velocidad Letal "L" en función del Tiempo " t "

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,8 1,8 2,8 3,8 4,8 5,8 6,8 7,8 8,8 9,8 10,8 11,8 12,8 13,8 14,8 15,8

"t"

"L"

F0

F0 = Área bajo la curva(F0)total = Σ (F0)parcial

(F0 )parcial =(F)(L) =(∆t)(L)

Métodos para Hallar el Área Bajo la Curva: Letalidad del Proceso.

• Para hallar el área bajo la curva existen varios métodos, entre los que mencionaremos:

a. El método del rectángulob. El método de Patashnikc. El método de Simpsond. Planímetroe. Por pesadaf. Cuenta de cuadrados(sólo discutiremos los dos primeros)


a. Método del Rectángulo

• El área del rectángulo (bxh) representa el efecto térmico parcial:

• F0 = (∆θ)(L) ó• F0 = F 10(1/Z)(t-to)


b. Método de Patashnik (método del trapecio)

• El método de Patashnik es una adaptación de la regla trapezoidal: • A= b((h1+ h2)/2)• Del gráfico:

A5 = (∆θ)(L4+L5)/2• Es fácil calcular los valores

de F0 mientras la autoclave está funcionando

• Esto hace posible detener el proceso cuando se alcanza el F0 del calentamiento


θ(s)

t(ºC)

Determinación de la Letalidad del Proceso


Enlatados• Los procesos térmicos de los enlatados no son

instantáneos.• El producto se va calentando más lentamente que

la fuente térmica porque la transferencia de calor no es instantánea.

• Los gráficos de monitoreo de la temperatura del medio de calentamiento (temperatura de la retorta) y del producto no se sobreponen.


Cálculo del T.T. en tiempo real


Equipo data tracer para el monitoreo de la Tº y el cálculo del T.T.

• Computadora• Interfase• Termocuplas


Letalidad (F0)en los Enlatados• Para resolver la integral anterior, sería necesario

que “L” esté en función del tiempo, lo que no se da.

• Por tal motivo se han creado métodos como el:• General • Ball• Stumbo• Hayakawa.


Método General


TIPOS DE CÁLCULO EN LOS PROCESOS TÉRMICOS

Tipo I.- Cálculo del F0Tipo II.-Cálculo del tiempo de procesamiento térmico.


TIPO I: CÁLCULO DEL F0

F0

Se halla el área debajo de la curva

Nota: • Obsérvese que en las abscisas

se ubica el tiempo y en las ordenadas la velocidad letal “L”

• Obsérvese que a una letalidad (F0) le corresponde un tiempo de procesamiento “TP”


TIPO II: CÁLCULO DEL TIEMPO DE PROCESAMIENTO TÉRMICO

• Asumamos que estamos procesando espárragos y los compradores en el extranjero nos piden que le apliquemos un F0= 5’

• Le hacemos un tratamiento térmico a nuestro producto y como no tenemos un equipo que monitoree el F0 en tiempo real, determinamos el F0 posteriormente al tratamiento aplicado.


…TIPO II: CÁLCULO DEL TIEMPO DE PROCESAMIENTO TÉRMICO• Encontramos que hemos aplicado un

subtratamiento (F0 = 0.5’) que le corresponde a un tiempo de procesamiento de 40’

• Aplicamos un segundo tratamiento térmico y determinamos que se ha realizado un sobretratamiento (F0=8’), que le corresponde a un tiempo de procesamiento de 72’


PRIMER TRATAMIENTO (subtratamiento)

F0 =0.5


SEGUNDO TRATAMIENTO (sobretratamiento)

F0 = 8


…TIPO II: CÁLCULO DEL TIEMPO DE PROCESAMIENTO TÉRMICO (TP)

Con los dos valores de F0 y TP:

(0.5, 40) y(8, 72)

se determina una línea recta y se ingresa con el F0 requerido.

Recuérdese que el TP es el tiempo desde cuando se abre Hasta cuando se cierra la llavede vapor


PROBLEMAS


Problema 1

• Un proceso térmico consta de un calentamiento instantáneo a 138 ºC seguido de un periodo isotérmico de 4 segundos a dicha temperatura y un enfriamiento instantáneo.

• Determinar el tiempo de muerte térmica a 121 ºC si la Resistencia Térmica (Z) del microorganismo es de 8,5


Tiempo Temperaturaθ t

(S) (ºC)0 50,01 50,02 50,02 138,03 138,04 138,0

5 138,06 138,06 50,07 50,08 50,0



01223456678

1101111011

5050

138138138138138505050

4,43669E-114,43669E-11

11111

4,43669E-114,43669E-114,43669E-11

∑F0 =

4,43669E-114,43669E-11

011110

4,43669E-114,43669E-11

4

θ F t L F0 = FxL

∆θ10((1/8,5)(t-138))

Determinación de la Letalidad (F0) del Proceso.

∆t = F

• La suma de los rectángulos nos da el área total.

• El área total equivale a la Letalidad a la temperatura del proceso (138 ºC.).

• En forma simple el área total debajo de la curva es base por altura:• F0 = F x L• F138 = 4 x 1 = 4


Tiempo de Muerte Térmica en función de la Temperatura

• La Letalidad del Proceso a 138 ºC tiene un equivalente a la temperatura de 121.

• m = (lg F121- Lg F138)/( t-t0 ) • 1/8,5=(lg F121-Lg 4)/(138-121)• F121 = 400 s.

• Si se trabaja a 138 ºC la Letalidad del proceso es 4 s, pero si se baja la temperatura a 121 ºC la letalidad se incrementa a 400 s.


Problema 2θ t• En el procesamiento térmico de un

enlatado se ha monitoreado el tiempo ( θ, en segundos) y la temperatura (t, en ºC) arrojando los resultados que se muestra en la tabla adjunta.

• Por otro lado, los compradores de nuestro producto en el extranjero nos dan el sgte. dato referencial de procesamiento térmico: para lograr la muerte térmica se debe procesar a 121 ºC por 5.8 min. O hacer un termotratamiento equivalente.

• Z=11


0,8

1,8

2,8

3,8

4,8

5,8

6,8

7,8

8,8

9,8

10,8

11,8

12,8

13,8

14,8

15,8

107,0

114,8

122,4

128,7

132,9

136,3

138,3

139,4

140,0

140,0

140,0

140,0

129,2

117,3

111,0

108,0

Temperatura (t) en función del Tiempo (θ)

θ(s)

t(ºC)



0,8

1,8

2,8

3,8

4,8

5,8

6,8

7,8

8,8

9,8

10,8

11,8

12,8

13,8

14,8

15,8

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

107,0

114,8

122,4

128,7

132,9

136,3

138,3

139,4

140,0

140,0

140,0

140,0

129,2

117,3

111,0

108,0

0,001

0,005

0,025

0,094

0,226

0,456

0,701

0,882

1,000

1,000

1,000

1,000

0,104

0,009

0,002

0,001

θ F t L F0 = F x L

0,005

0,025

0,094

0,226

0,456

0,701

0,882

1,000

1,000

1,000

1,000

0,104

0,009

0,002

0,001

6,505

Letalidad "L" en función del Tiempo" θ "


Hallando un Termotratamiento Equivalente.

Si procesamos nuestro alimento a 140 ºC la letalidad será de 6.506 s pero si procesamos a 121 ºC a qué letalidad equivaldrá?Para resolver esto podemos utilizar dos fórmulas que son equivalentes:

a. Utilizar la fórmula: F0 = F x 10 m ( t- to)

b. Utilizar la fórmula m = (LgF0 - LgF) / (t - t0)


a. Utilizando la fórmula:F0 = F x 10 m ( t- to)

• F121 11 = F 140 11 x 10 (140 - 121) / 11

= 6,505 x 53,4 = 347,37 S= 5,8 min.

• Por lo que nuestro proceso es equivalente al recomendado (referencia).


b. Utilizando la fórmula:m = (LgF0 - LgF) / (t - t0)


t F Lg F

(ºC) (S) (S)

Ing. Carlos Elías P. 78Ing. Carlos Elías P. 78

to = 121 F0 Lg F0

t = 140 6,506 0,81331

1,7273 = (Lg F0 - 0,81331)

Lg F0 = 1.7273 + 0.81331= 2.5406

F0 = 10 2.5406

F0 = 347.2162 s

Fo = 5.8 minm = (Lg F0 -Lg F) / ( t - t0)

1 / 11 = (Lg F0 - 0,81331) / (140 - 121)

Tratamiento térmico en pasteurización (Po)


Cálculo del tratamiento térmico en la pasteurización

Los cálculos del tratamiento termico que se realizan en la pasteurización son muy semejantes a los que se realizan en la esterilizaciónEn la esterilización se hable de FoEn la pasteurización se habla de Po (valor de pasteurización)Po = P x L

P = minutosL = velocidad letal

El Po también se puede hallar conociendo el número de reducciones decimales “n” y D

Po = n x D Po = valor de pasteurización

n = número de reducciones decimalesD = tiempo de reducción decimal (2.95)


Cálculos para la pasteurización de jamón

Pongamos un ejemplo para pasteurizar jamón

En el jamón se considera como m.o. de referenciaal Streptococcus D, con Z = 10 º C , D70ºC = 2.95 min y T ° referencia (Streptococcus D) = 70 º CLa velocidad letal se calculará por la sgte. Fórmula:

L = 10 (1 /Z) (t-70)

Tiempo de reducción decimal (D) del Streptococcus D

D 70 °C = 2.95 min

T const = 70 °C


Resistencia térmica (Z) del Streptococcus D

Z = 10 ° C


Detalle cálculos Po.xls


Cálculo del Po

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.8 1.8 2.8 3.8 4 .8 5.8 6.8 7.8 8.8 9.8 10.8 11.8 12.8 13.8 14.8 15.8

" t"

L

Po

P0 = área bajo la curva(P0)total = Σ (P0)parcial


Elementos de para el almacenamiento y procesamiento de datos a tiempo no real

Elementos:• Termocuplas• Interfase• Computadora


3. Registradores de temperatura alámbricosEl procesamiento de datos se hace a tiempo realSe registran los datos del proceso directamente en una computadoraSe usa una interfasePor ser a tiempo real se puede detener el proceso cuando se proyecta llegar al Fo deseado, calculando el efecto térmico del enfriamiento


Data trace(inalámbrico)

• Termocuplas• Receptor de señal de radiofrecuencia• Computadora • Programa para determinar el F0


autoclaves

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