Unidad Nº2. ALTAS TEMPERATURAS
Existen dos modalidades de tratamiento térmico:
- Pasteurización (que pretende fundamentalmente la higienización delproducto)
- Esterilización (cuyo objetivo es la destrucción de los M.O.Presentes, esporulados o no)
En este último grupo se encuentran los denominados“conservas”.
Comportamiento de M.O. y enzimas frente a la temperatura
La Tº es lo que mas influye en el crecimiento microbiano, enla actividad de enzimas y en la velocidad de muchas reaccionesquímicas.
Se ajustan a una ecuación de Arrhenius:
1/K
Log v
Ecuación de Arrhenius
Actividad enzimática y crecimiento de M.O.
Tratamientos térmicos aplicados en la industria de alimentos
Esterilización Autoclave:
El autoclave es el elemento básico en la industria de lasconservas esterilizadas por calor.
Ventajas:
- Versatilidad de uso (Forma de envases, materiales y condiciones)
- Facilidad de manejo y mantenimiento
- Bajo costo
- Posibilidades de mejoras a partir de equipos sencillos.
En un autoclave se pueden esterilizar alimentos envasados enmateriales tan diversos como: Hojalata, aluminio, vidrio, laminadossimples y complejos, sin limitación de formas y tamaños.
Solo se debe tener cuidado en las presiones aplicadas en losmateriales.
El funcionamiento de las autoclaves puede ser como un bañoabierto a 100ºC ó con presión a temperaturas sobre 100ºC.
Autoclave horizontal
Autoclave vertical
Manejo y funcionamiento deautoclaves:
Una caldera es la que se encarga desuministrar el vapor necesario paraelevar la temperatura y presión.
Red de tuberías de vapor(aisladas)agua y aire, llaves y válvulas deseguridad correctamenteidentificadas.
Termómetros de control de proceso.
Manómetros, uno o varios paracontrolar la presión.
Válvulas de purga o seguridad.
Termobacteriología
El fundamento de la conservación por el calor consiste enla destrucción térmica de los microorganismos y enzimas que seencuentran en los alimentos.
Para conseguir la destrucción termica el alimento debesometerse a un ciclo de calentamiento y enfriamiento adecuado.
Estas condiciones deben minimizar en lo posible losprocesos de degradación de nutrientes y factores de calidad delproducto.
Los procesos inferiores a 100ºC se denominan dePasteurización y están destinados a higienizar el producto (liberarde gérmenes patógenos).
El efecto inhibidor de los ácidos comienza a manifestarse apH 5.3 y el Clostridium botulinum y otros microorganismospatógenos, solo son inhibidos a pH inferiores a 4,5.
Bajo pH 3.7 solo pueden desarrollarse hongos, es decir elvalor clave de pH es de 4,5.
En los procesos de baja acidez pH mayor que 4,5 elproceso térmico debe ser capaz de inactivar estos M.O.patógenos, exigiendo Tº superiores a 100ºC, las que se denomina“esterilización”.
Fundamentos del proceso térmico de Esterilización
Antecedentes microbiológicos, factores que afectan latermodestrucción de microorganismos:
La velocidad de destrucción de las bacterias esespecífico para cada especie y es tanto mas rápida cuanto masalta es la temperatura.
Las esporas de ciertos especies bacterianas sonextraordinariamente resistentes al calor.
La resistencia de las esporas al calor es alterada por unaserie de factores como: contaminación inicial, edad delmicroorganismo, pH, presencia de aditivos, etc.
Los géneros mas importantes de MO que producenesporas son Bacillus que es aerobio, y Clostridium, anaerobio.
Curvas de supervivencia
La muerte de los MO sigue un orden logarítmico.
Si graficamos nº de células vivas de una suspensiónbacteriana versus tiempo de exposición a Tºconstante, en papelsemi-logaritmico, se obtiene una recta denominada CURVA DESUPERVIVENCIA.
El inverso de la pendiente de esta recta determina eltiempo necesario para destruir el 90% de las células y sedenomina “D” o tiempo de reducción decimal.
“D” numéricamente corresponde al número de minutosnecesarios para atravesar un ciclo logarítmico, a temperaturaconstante.
La esterilidad no se alcanza jamas en un 100%, quedaransiempre sobrevivientes, sin embargo estos no causarán daño.
D250 : Corresponde al valor de D, a 250ºF (121.1 ºC)
La línea recta trazada en la curva de tiempo - temperaturase denomina espectro T.D.T. (Thermal Death Time), tiempo demuerte térmica.
El T.D.T. a 250ºF se designa por Fo, y es el tiemponecesario para destruir por calentamiento a una temperatura de250ºF todos los MO de una suspensión bacteriana bajocondiciones específicas.
Curva T.D.T.
t
(min)
T(ºF)
F
Fo
250ºF
T
Tg = m
z = 1 / m
Fi
Fi = Antilog (250 - T)
z
Fi = Representa el valor letal decualquier temperatura en relación a250ºF
Estudios de penetración del calor:
La medida de la variación de la temperatura en el puntode calentamiento mas lento de un envase recibe el nombre deensayo o estudio de penetración de calor.
Se mide mediante un par termoeléctrico o termocuplas.
Las que se insertan en distintos puntos del envasesensores de temperatura observandose zonas de calentamientomas lento, dicha zona se conoce como PUNTO FRIO delenvase.
Tipos de transmisión de calor en una conserva:
- Conducción
- Convección
- Radiación
Siendo las dos primeras las mas importantes en losprocesos de esterilización comercial.
Los productos se calientan por convección tienen elPunto frío ubicado sobre el eje vertical del envase y cerca delfondo. Debido a los desplazamientos de líquidos de diferentestemperaturas.
Punto frío
Los productos se calientan por conducción tienen elPunto frío ubicado sobre el centro geométrico del envase.
Punto frío
En los estudios de transmisión de calor se utilizan 3termocuplas ubicadas en distintas posiciones.
Las mediciones se registran en papel semilogaritmico,determinando el termopar de calentamiento mas lento.
Determinación de la curva de penetración de calor
Se utilizan 6 ó 7 envases perforados en el punto frío conuna termocupla.
Para el calentamiento es necesario fijar previamente eltiempo de elevación de la temperatura o coming up time (CUT)generalmente es de 8 - 10 min.
La Tº se registra en intervalos iguales y dependiendo de lavelocidad de calentamiento.
Se grafican los datos en 3 escalas semilogaritmicasinvertidas, el tiempo en minutos se representa sobre la escalalineal y la Tº en ºF en la escala logaritmica.
Tipos de curvas a obtener:
1.Linea Recta: Es la mas común y se presenta en la mayoría delos casos.
2.Curva quebrada: Se presenta en algunas sopas espesas, maízenvasado en salmuera y ciertos jugos de tomate.
¿Por que se quiebra la curva?
TEORIA 1: Se debe al cambio de estado de la soluciónenvasada, que pasa de estado SOL (transmisión por convección)a GEL (transmisión por conducción).
TEORIA 2: Pequeñas cantidades de aire en el autoclaveimpedirían la condensación del vapor sobre el envase, con lo queel calor no desarrollaría su calor latente.
Determinaciones de los factores “fh” y “J”
El factor “fH” representa la pendiente de la curva depenetración y es igual al nº de minutos que demora la curva enatravesar un ciclo logarítmico.
“RT” (Retort Temperature) corresponde a la temperaturade trabajo.
“Ta” Temperatura inicial teórica o pseudoinicial. Para sucalculo se determina que el 42% del CUT tiene un valor letal seobtiene multiplicando el CUT por 0,58.
Se levanta la vertical en el punto de la escala lineal detiempo que representa ese 58%, hasta interceptar la curva depenetración de calor, se obtiene de esa forma la temperaturapseudoinicial.
Curva de penetración de calor
CUT · 0,58
Ta
Definición de variables:
JI= RT - Ta
IT= Temperatura al minuto cero en el punto frío.
I= RT - IT ; Diferencia entre la temperatura del proceso y
la temperatura inicial.
J= JI / I ; relación que establece la des-uniformidad del
calentamiento en la fase inicial.
Z= Pendiente de la curva TDT (C. Botulinum)
g= RT - Temperatura del producto al final del proceso.
Fo= Tiempo en minutos, requeridos para destruir unadeterminada cantidad de gérmenes o esporas a 250ºF.
Para efectos de cálculo de proceso térmico, se requierevalores mas altos de J y fH, ya que estos indican unapenetración de calor lento (peores condiciones de esterilización)
Determinación de la curva mas lenta
En los estudios de penetración de calor se utiliza comomínimo 6 termocuplas.
Se grafica en papel semilogarítmico, se determina lapendiente de la curva en un sistema lineal.
y = a + bx
Se grafica x (tiempo) versus y (log To - T), donde To es latemperatura del proceso (RT) y T es la temperatura en cadainstante del proceso.
Temperatura de proceso = RT = To =239ºF = 115ºC
Grafica de T versus Log (To - T)
Ejemplo: A partir de los siguientes datos calcule el valor de fH enla curva de mas lenta.
Gráfico de Tiempo versus Log(To-T)
y = -0,0058x + 1,8863
Log (To-T) = -0,0058·t + 1,8863
Log (239-T) = -0,0058·0 + 1,8863
(239 - T) = Antilog (1.8863)
T = 162.2 ºF
Para el tiempo 0, mediante la ecuación se obtiene latemperatura corregida:
Se obtiene así la pendiente de la recta:
m = -0.0058
El valor de fH se calcula como:
fH = 1 = 1 = 172,41
|m| |-0.0058|
A mayor valor de fH, mas lento es el calentamiento.
Cálculos de procesos de esterilización
Los métodos de calculo de tratamiento térmico involucranuna correlación de los datos de penetración de calor y datos TDT,los métodos utilizados son:
- Método general o gráfico de Bigelow
- Método de fórmula o matemático de Ball
- Método del Nomograma o de Olson y Steven
Método General
Es un método de integración gráfica, basadofundamentalmente en que cada punto de la curva decalentamiento o enfriado representa cierto valor letal para losmicroorganismos.
La esterilidad se obtendrá integrando la ecuación:
T2: Fin del calentamiento
T1: Inicio del calentamiento
Método:
Se dibuja la curva en un papel milimetrado y se cuentanlos cuadrados encerrados bajo ella.
La velocidad letal corresponde al inverso del tiemponecesario para destruir cierto M.O. es decir, (1 / Fi).
Si se calculan estas velocidades letales y se integrangráficamente estos valores se obtiene la esterilidad total de unproceso.
Ejemplo:
Se ha determinado la curva mas lenta en una termocupla en unestudio de penetración de calor a una temperatura de calentamiento de115ºC. Determine el tiempo de esterilización aplicando el métodogeneral, con valores Z = 18 y Fo=2,78.
Resolución:
Calculo de tiempo necesario para eliminar cierto M.O.:
Calculadora:
Log
Shift
10x
10((250-85.3)/18)
Z = 18 Siempre se utiliza este valor, Clostridium botulinum.
RT = 115ºC = 239ºF Temperatura de esterilización.
Calentamiento
Enfriamiento
Suma
Fcalentam.
Suma
Fenfriamiento
Ftotal= Fcalentamiento + Fenfriamiento
Ftotal= 2.00507+0.271345
Ftotal= 2.277317< Fo = 2.78
Significa que el proceso no satisface la letalidad esperada,se debe agregar tiempo adicional.
Deficit= 2.78 - 2.277517 = 0.50268
El tiempo adicional a 239ºF (letalidad 0.2448)
Se aproxima a 3 min.
Por lo tanto el tiempo debe ser:
20 min + 3 min = 23 min de calentamiento + 5 min de enfriamiento
Tiempo de esterilización = 28 min.
Método matemático de Ball
Aplicable para productos de curva de penetración de calorrepresentada por una o dos rectas.
A) Curva de penetración de calor es una recta.
Términos utilizados:
Z; fH; IT; I=RT-IT; JI=RT-Ta; J=JI/I; Fo(Tabla 1,2,3); Fi.
U = Fo · Fi (Letalidad en minutos, a la temperatura de calentamiento)
m+g = RT - Tw (Tº de calentamiento - Tº del agua de enfriamiento)
B = Tiempo en minutos del proceso
B = fH (logJI - log g)
B = fH (logJI - log g)
Ejemplo: Con los datos del ejemplo anterior calculamos;
RT= 239ºF
Z= 18
Fo= 2.78
Tw= 15ºC = 59ºF
m+g= 239 - 59 = 180ºF
IT= 85.3ºF
I= 239 - 85.3 = 153.7ºF
JI= 239 - 91 = 148
Fi= antilog((250-239)/18) = 4.084
U= Fo · Fi = 2.78 · 4.08 = 11.34
fH= 5.45
fH/U= 5.45 / 11.35= 0.48 Con este valor en Figura Nº3
log g= -1.4
log JI= log 148 = 2.17026
Ahora aplicamos la formula:
B = fH (logJI - log g)
B = fH (logJI - log g)
B = 5.45 (2.17026 - (-1.4))
B = 5.45 · 3.56
B = 20 minutos
Tiempo de esterilización 20 minutos
La fórmula para determinar el tiempo de tratamiento térmico es:
B = X + f2 (log gbh - log g)
B = X + f2 (log gbh - log g)
Donde:
X :Número de minutos desde el inicio del proceso hasta elpunto de quiebre de la curva. Incluye el 42% del CUT.
gbh:RT - temperatura del producto en el punto de quiebre de lacurva de penetración de calor.
f2 :La pendiente de la curva después del quiebre.
Ejemplo: Un ensayo de penetración de calor con curva quebrada se hanregistrado los siguientes datos:
Z= 18
RT= 239ºF
Fo= 5.33
IT= 184.44
Tw= 15ºC = 59ºF
m+g= 239 - 59 = 180ºF
fH= valor antes del punto de quiebre = 43.2
f2= Valor después punto de quiebre = 143.1
Ta= 199ºF
JI= 239 - 199 = 40
gbh= RT - Temperatura del producto en pto. de quiebre
= 239 - 234.9 = 4.1
Con los datos se calcula lo siguiente ….
0,61
Rbh=0,8
Calculo del tiempo de esterilización:
B = X + f2 (log gbh - log g)
B = X + f2 (log gbh - log g)
B = 42.7 + 143.1 (log 4.1 - log 0.55)
B = 51.7 min.
Es decir: 52 min.
Método de Nomogramas
Los nomogramas se originan en el método formula y es unaforma simple de calcular gráficamente el tiempo de esterilización, setrabajan en función de m+g = 180ºF, existen dos tipos que son lossiguientes:
Nomograma Nº1
Procedimiento:Procedimiento:
a) Unir el valor de Fo en la escala 1 con el valor de RT de la escala 4,originando un punto en la línea 3.
b) Unir a continuación el valor fH de escala 2 con el punto obtenido en lalínea 3 y marcar un punto en la escala 4.
c) Encontrar en la escala 5 el punto correspondiente en la escala 4.
d) Conectar el valor de RT-IT en la escala 7 y conectarlo al de J en laescala 5, obteniendo un punto en la línea 6.
e) Conectar el punto de la línea 6 al punto obtenido anteriormente en laescala 5 y conseguir un punto en la línea 7.
f) Conectar el el punto de la escala 7 a fH en la escala 8 encontrando deesta manera el tiempo del proceso en la escala 9.
EJEMPLO:
Con los siguientes parámetros calcular el tiempo deprocesamiento de la conserva usando el método de Nomogramas:
J= JI/I = 148/153,7 = 0,96
fH= 5,45
Z= 18
m+g= 180
RT= 239ºF
IT= 85,3ºF
I= RT – IT = 239 – 85,3 = 153,7
JI= RT – Ta = 239 – 91 = 148
Fo= 2,78
22 minutos
Nomograma Nº2
Procedimiento:Procedimiento:
a) Conectar el valor de J al RT - IT, obteniéndose un punto en R1.
b) Conectar el punto obtenido en R1 al valor de fH consiguiendo otropunto en R2.
c) Conectar el valor de Fo al valor de Fh obteniéndose un punto en R3,
c) Conectar los puntos de las líneas R2 y R3, consiguiendo el tiempo deproceso B.
Tiempo = 22 min.