Determinación de Punto Frío y Pruebas de Penetración de Calor en Condiciones Estandar (1)

PLANTA PILOTO DE INGENIERÍA EN ALIMENTOS

LAB. INGENIERÍA DE PROCESOS TÉRMICOS

DETERMINACIÓN DE PUNTO FRÍO Y PRUEBAS DE PENETRACIÓN DE CALOR EN CONDICIONES ESTANDAR OBJETIVOS 1. 2. 3. 4. 5.

Comprender los diferentes mecanismos de transferencia de calor que presentan los alimentos mediante el empleo de alimentos de diferente consistencia y composición. Conocer el mecanismo general para la determinación del punto frío en un alimento enlatado y en una autoclave. Conocer el procedimiento general para llevar a cabo pruebas de penetración de calor en un alimento enlatado. Obtener y evaluar los parámetros requeridos para el cálculo de un Tiempo de Proceso. Realizar y analizar la opción de conversión de velocidades de calentamiento de un tamaño de lata a otro.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS La transferencia de calor está definida como la transmisión de energía de una región a otra por un gradiente de temperatura que prevalece entre las dos regiones Un PROCESO TÉRMICO consiste en la aplicación de calor a un material con el fin de reducir su carga microbiana y aumentar su vida de anaquel. Esto se logra al eliminar microorganismos contaminantes y compuestos bioquímicos que aceleran su deterioro. Para conocer el tiempo y la temperatura que hay que procesar el alimento es necesario realizar un diseño del proceso térmico. Para esto, es necesario conocer diversos factores entre los que se incluyen: la naturaleza del producto, consistencia, tamaño de partículas, dimensiones y tipo de envase, detalles del proceso que se utilizará para el envasado, equipo con el que se cuenta. Por otro lado, también es importante saber la fuente, el hábitat y la resistencia al calor de los microorganismos contaminantes. Los pasos a seguir para el diseño de un "PROCESO TÉRMICO" son:    

Determinación de la resistencia de los microorganismos contaminantes al calor. Determinación de pruebas de penetración de calor en el alimento envasado. Esto involucra dos etapas: Determinación del Punto Frío y Pruebas de Penetración de Calor. Cálculo Teórico del Tiempo de Proceso. Confirmación del Tiempo de Proceso mediante empaques inoculados, o bien, actualmente con la utilización de indicadores bilógicos para monitorear los procesos de esterilización conteniendo los microorganismos de referencia ej. (3M Attest) 1262B.I / Steam (G. Stearothermophilus).



El primer paso es primordialmente asunto microbiológico ya que tiene que ver con pruebas directas sobre los microorganismos presentes en el alimento que pueden deteriorarlo o bien causar un daño a la salud. El segundo paso interviene directamente sobre las propiedades del alimento al cual se le realizarán las pruebas de penetración de calor. En primer instancia es necesario determinar el punto frío de la autoclave (punto o zona más difícil de calentar) para enseguida determinar el punto frío del alimento enlatado.

PUNTO FRÍO El Punto Frío de la lata está definido como el último punto del envase que alcanza la temperatura de proceso deseada. Logrando la certeza de esterilizar este punto se da por hecho que el resto del alimento estará bien procesado. Es necesario por lo tanto detectar la temperatura en diferentes puntos de la lata colocando termopares en diferentes posiciones. El punto frío de cada tipo de alimento envasado varía de acuerdo a su mecanismo de transferencia de calor (ejemplo conducción y/o convección), el tamaño y tipo de envase y el método de procesamiento. Teóricamente, en productos enlatados que se calientan por conducción, el punto frío se encuentra aproximadamente en el centro geométrico de la lata. Para productos que se calientan por convección, el punto frío se encuentra a 1/3 arriba del fondo de la lata. Ahora, para productos que contienen trozos de alimentos se presentan simultáneamente los dos mecanismos (convección y conducción) pero uno de ellos predomina, en este caso es necesario insertar el trozo del alimento en el sensor de temperatura (ej., por lo menos ¼ a ½ de pulgada sin producir agrietamientos). Por otro lado, para productos que se calientan primero por convección y posteriormente por conducción (debido a un cambio en la estructura del alimento), el punto frío generalmente se localiza entre 1/2 y 1/3 del fondo de la lata. Es necesario probar diferentes posiciones de sensores en cada lata conteniendo el mismo alimento para tener certeza en la determinación del punto frío.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. El calor es una forma de energía en tránsito, medida y generalmente dada en términos de calorías o de unidades térmicas británicas (BTU). En general existen tres formas de transmisión de calor de una fuente a un receptor y estas son: Conducción, Convección y Radiación.

USO DE SOFTWARE COMO HERRAMIENTA EN PRUEBAS DE PENETRACIÓN DE CALOR. El uso de herramienta de cómputo como apoyo para facilitar la captación y el análisis de datos de transferencia de calor de manera rápida es una necesidad para los involucrados con este tipo de prácticas.



El CALSoft y el DATATRACE permiten realizar estas tareas de una manera eficaz y confiable ya que los datos de tiempo y temperatura se registran automáticamente a intervalos de tiempo muy cortos que, de manera manual, sería muy problemático. Las pruebas de penetración de calor se realizan una vez determinado el punto frio del alimento en base a las velocidades de calentamiento. Estas pruebas consisten en realizar tanto el calentamiento como el enfriamiento en el alimento enlatado en un proceso continuo, con su respectivo seguimiento de temperaturas. Es necesario, además de elaborar la gráfica de calentamiento, realizar la de enfriamiento y presentarlas unidas simulando el proceso de esterilización. De estas gráficas de calentamiento y enfriamiento se obtienen una serie de parámetros necesarios para el cálculo del Tiempo de Proceso y que dependen del mecanismo de transferencia de calor que presente el alimento enlatado. En resumen, los parámetros que se obtienen son: 1. PARA LAS CURVA DE CALENTAMIENTO (Que pueden ser de dos tipos): a) Curva simple. J, fc b) Curva quebrada o interrumpida. J, fc, f2, xbh, gbh. 2. CURVA DE ENFRIAMIENTO (Que solo es simple): fe. Estos parámetros son característicos del alimento, J es independiente del tamaño de la lata mientras que el resto si dependen de la cantidad de alimento presente. Es posible el hacer inferencia (en cuanto a la velocidad de calentamiento se refiere) a la historia térmica del alimento cuando el mismo se encuentra enlatado en diferentes tamaños de lata. Es decir, es posible convertir velocidades de calentamiento a una lata chica o grande de la que fue procesada. Esta conversión puede ser buscada en tablas o bien puede realizarse matemáticamente. El cálculo dependerá del mecanismo de transferencia de calor y solamente se incluyen conducción y convección.

GUÍA DE ESTUDIOS  Explicar la importancia que tiene la acidez de los alimentos en un proceso térmico.  ¿Cuál es el alcance de los microorganismos en el área de procesos térmicos? Enfatizar los efectos de microorganismos deteriorativos y los que causan efectos en la salud.  Explicar los factores que afectan la resistencia de los microorganismos al calor.  Definir los parámetros D y Z. ¿Cuál es su significado práctico?  ¿Qué es el punto frío? ¿De qué depende su localización y porqué es importante?



 Definir los mecanismos de transferencia de calor. ¿Cuáles serían estos mecanismos en alimentos envasados? (No es necesario explicarlos).  ¿Qué importancia tiene el conocer las propiedades térmicas de un alimento?  Explicar el significado práctico de los siguientes parámetros: J, fc, f2, xbh, gbh.  Si se conoce la velocidad de calentamiento para un producto en un determinado envase A, explicar por el método de fórmula, el procedimiento para convertir su velocidad de calentamiento a un tamaño de envase B. (Incluir convección y conducción).  De acuerdo a su criterio, dar tres razones por las cuáles no se puede convertir fc de un tamaño de lata a otro cuando el calentamiento es interrumpido. Explicar.  Describir la metodología para realizar las gráficas de enfriamiento. ¿Presentan el mismo comportamiento para calentamiento simple que interrumpido? Explicar.

MATERIAL Y EQUIPO       

Productos para diferentes mecanismos de transferencia de calor Latas de diferentes tamaños (211 x 300, 300 x 407, 401 x 411) Termopares y sondas magnéticas de temperatura Engargoladora y sus accesorios Autoclave vertical estacionaria Sistema de cómputo con acceso al software CALPlex Interfase para acceso de datos a la computadora.

PROCEDIMIENTO Primeramente, revisar la distribución correcta de las latas con las posiciones de termopares requeridas según los alimentos planteados. Se sugieren las siguientes aunque pueden ser otras posiciones. MECANISMO CONDUCCIÓN CONVECCIÓN CURVA QUEBRADA

TAMAÑO DE LATA 300X407

TIPO DE SENSOR TERMOPAR

401X411 300X407

TERMOPAR TERMOPAR

POSICIÓN TERMOPAR ½, 1/3, entre ½ y 1/3 ½, 1/3 ½, 1/3, entre ½ y 1/3

1. Colocar los termopares en los puntos deseados de cada envase, probar con agua que no haya fugas. Marcar las latas y pesarlas con tapa. Registrar los pesos. 2. Realizar mediciones de pH, °Brix, °Salinométricos, etc., según se requiera por las características del producto de prueba.



3. Efectuar el llenado de cada envase cuidando dejar el espacio libre o de cabeza correspondiente. El producto de prueba debe estar  80 ºC. 4. Pesar las latas y tapas con el alimento sólido (peso drenado) y llenar con el líquido de cobertura hasta un espacio libre de 1.5 cm. (medir con regla). Volver a pesar con la tapa colocada (peso bruto). 5. Colocar las latas abiertas en el exhauster (túnel de vapor) y medir la temperatura de salida, ésta debe ser 80ºC como mínimo. Si es menor la temperatura, ciclar la lata en el exhauster. 6. Calibrar la engargoladora según el tamaño de lata. Cerrar los envases y colocarlos en la canastilla. Con ayuda de la grúa, introducir la canastilla hasta la mitad de la autoclave. 7. Conectar los termopares a las terminales del CALplex. Colocar el termopar de la autoclave revisando que quede suspendido en el punto frío de ésta. Bajar completamente la canastilla cuidando que los cables de los termopares no se dañen ni se desconecten de las latas. Revisar antes de cerrar la autoclave que todas las terminales den señal térmica en la pantalla de la computadora. En caso necesario ajustar los conectores. 8. Cerrar la autoclave teniendo especial cuidado con los alambres de los termopares. 9. Abrir la válvula de vapor junto con la de venteo para asegurar una rápida expulsión del aire. Desde ese momento iniciar el programa Calsoft Collect. 10. Una vez eliminado todo el aire, cerrar casi totalmente la válvula de venteo. Esto permitirá una pequeña fuga de vapor que mantendrá constante la presión dentro de la autoclave. 11. Una vez que alcanzada la temperatura de la autoclave se presiona la tecla CUT, y se mantiene constante durante toda la prueba. 12. Continuar tomando lecturas de todos los termopares a intervalos de tiempo, hasta que cada envase alcance la temperatura de proceso menos 1 °F (TA – 1°F). 13. Una vez finalizado el calentamiento, cerrar la válvula de vapor y abrir la de venteo para despresurizar gradualmente el autoclave. 14. Abrir la válvula de agua fría asegurándose antes de que el manómetro marque cero. Cuando entra el agua se genera un vacío por condensación de vapor. Llenar el autoclave durante 6 min (tiempo aproximado en que las latas se cubren de agua) y luego abrir la válvula de drenaje (ej., hasta la señal marcada en ella). La autoclave puede ser abierta y desactivado el



proceso de captura de datos. Este proceso se encuentra indicado en los apéndices 1 y 2 de la Práctica 2. 15. Una vez frío el producto desconectar y sacar los envases de la autoclave, secarlos y realizar las pruebas físicas, químicas y sensoriales finales a cada uno. 16. Quitar los termopares de las latas y proceder a la limpieza de todo el equipo utilizado.

DATOS NECESARIOS: (Para cada lata)               

Mecanismo de transferencia de calor. Producto de prueba. Peso bruto, peso neto y peso drenado del producto de prueba. Tamaño y tipo de envase. Posición del termopar en el envase y en la autoclave. Posición del envase en la autoclave. Temperatura de proceso (TA). Temperatura del agua de enfriamiento (Te). Tiempo al que se cierra la válvula de vapor y tiempo al que se abre el agua fría. Presión de vacío. Concentración inicial y final del líquido de cobertura. pH inicial y final. Espacio libre inicial y final. Relación Sólido:Líquido, expresada en %. Datos de tiempo contra temperatura de cada termopar.

RESULTADOS 1.

Presentar los datos necesarios en hojas separadas para cada envase.

2.

Obtener en papel milimétrico el seguimiento de temperaturas para la autoclave, y en papel a escala semilogarítmica la gráfica de calentamiento y enfriamiento para cada lata. (Verificar con el instructor cuáles serán impresas en computadora y cuáles se trabajarán en excell o en papel semilogarítmico).

3.

Obtener la velocidad de calentamiento en cada una de las gráficas obtenidas. En el caso de los cálculos manuales, escribir la operación de resta en la misma gráfica. Esta información deberá ser presentada ordenando la hoja de datos para las latas que presenten el mismo mecanismo de transferencia de calor y enseguida las gráficas correspondientes a cada una de estas latas.



4.

Obtener los siguientes parámetros para cada una de las gráficas: J, fc, f2, xbh, gbh. y fe. Escribir los cálculos realizados paso a paso dentro de las gráficas y los valores de intersección en las escalas.

5.

Resumir en una tabla los resultados de velocidades de calentamiento para cada mecanismo de transferencia de calor. Analice estos resultados y concluya el punto frío para cada producto.

6.

Analizar la tabla anterior explicando lo siguiente: a. ¿Cómo se ve afectado el valor de fc por las propiedades fisicoquímicas del alimento? b. ¿Cómo se ve afectado el valor J para el mismo alimento en diferentes tamaños de lata y para diferentes alimentos?

7.

Realizar cálculos de conversión de velocidades de calentamiento utilizando el método de fórmula para los productos de convección y conducción según se indica: fc práctica (gráfica)

300 x 407

fc teórica (fórmula) convertir a

211 x 304 401 x 411

8.

¿Por qué es importante realizar la operación de venteo durante la esterilización de envases de hojalata?

9.

De acuerdo a la NOM-002-SCFI-2011 Productos preenvasados-Contenido neto –tolerancias y métodos de verificación, realice una tabla indicando la tolerancia en el contenido para los productos de trabajo en el laboratorio.

10. Presentar observaciones, conclusiones y sugerencias relacionando los resultados experimentales con la parte teórica.

Determinación de Punto Frío y Pruebas de Penetración de Calor en Condiciones Estandar (1)

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