ESTERILIZACIÓN DE LECHE Y PRODCUTOS LÁCTEOS
INTRODUCCIÓN Para lograr una alta capacidad de conservación se ha de someter el producto a un tratamiento térmico, donde se alcance la destrucción de la totalidad de los microorganismos presentes. La esterilización permite la destrucción, a ser posible, de todas las formas vegetativas y de resistencia de los microorganismos, en especial de los patógenos como los
Bacilos
y los Clostridios.
Pese a haber sometido la leche a un proceso de precalentamiento, y por tanto está casi libre de gérmenes es absolutamente necesaria la esterilización posterior. La necesidad de esterilizar se debe a que la leche, en su recorrido hacía la sección de envasado, puede sufrir una nueva re contaminación, ya que los envases no son estériles a las formas esporuladas como, por ejemplo los
Bacilos
y
los Clostridios sobreviven al tratamiento de precalentamiento. Lo que pretende el proceso de esterilización es obtener productos con el mayor nivel de inocuidad para así garantizar al consumidor productos de alta calidad (Spreer, 1991).
OBJETIVOS Objetivo general
Identificar los fundamentos, equipos, envases y parámetros operacionales de la esterilización por lotes para leche y productos lácteos.
Objetivos específicos
Dar a conocer los fundamentos del proceso de esterilización por lotes
Identificar los equipos que se manejan en el de esterilización por lotes
Enunciar los efectos producidos por la esterilización sobre la leche
Equiparar los procesos llevados a cabo en la esterilización por lotes
OBJETIVOS Objetivo general
Identificar los fundamentos, equipos, envases y parámetros operacionales de la esterilización por lotes para leche y productos lácteos.
Objetivos específicos
Dar a conocer los fundamentos del proceso de esterilización por lotes
Identificar los equipos que se manejan en el de esterilización por lotes
Enunciar los efectos producidos por la esterilización sobre la leche
Equiparar los procesos llevados a cabo en la esterilización por lotes
GENERALIDADES Fundamentos Teóricos Este método se fundamenta en la elección de la relación de temperatura tiempo al aplicar para eliminar la casi totalidad de los microorganismos capaces de desarrollarse en la leche, se han de tener en cuenta, distintos factores, a parte de las especies de microorganismos y la carga microbiana inicial, estos son:
El tipo de sustancia que se quiere esterilizar.
La modalidad de envasado y el tamaño de los envases.
El tiempo de conservación que se pretende conseguir.
La temperatura, en la práctica de los tratamientos de esterilización, supera siempre los 100ºC. El tiempo de exposición al calor al aumentar la temperatura se reduce en forma de función potencial, que se expresa por el factor Q 10. Sin embargo, cuando se esteriliza la leche ya envasada no se puede aplicar las altas temperaturas aplicadas en los procedimientos UHT. En este caso, y debido a que el envase retarda el traspaso del calor al producto y a que éste tarda más tiempo en alcanzar la temperatura exigida, se han de incrementar notablemente los tiempos de exposición al calor (Spreer, 1991).
CONSIDERACIONES.
La temperatura de esterilización no debe ser superior a 125ºC.
Las relaciones de temperatura – tiempo de esterilización más aplicadas en la práctica son de 115ºC – 125ºC durante 15 – 30 minutos.
La preesterilización se realiza habitualmente a 130-140ºC, manteniendo esta temperatura durante 3 ó 4 segundos. Inmediatamente después del calentamiento, la leche se enfría y después es enviada al homogeneizador a 70-80ºC. Es conveniente que la esterilización vaya precedida por una pasteurización a alta temperatura o preesterilización, destinada a eliminar la mayoría de los gérmenes en condiciones térmicas más tolerables. Es sabido que la intensidad y la duración del calentamiento a que un medio tiene que ser sometido para su esterilización dependen, en cierta medida, de su población microbiana y, especialmente, del número de esporos (Ventana, 1998).
ESTERILIZACIÓN Tratamiento térmico que consiste en la destrucción destrucción o eliminación de cualquier tipo de vida microbiana de los materiales procesados, incluidas las esporas. El material crítico requiere indispensablemente conseguir la calidad de estéril. En la esterilización, a diferencia de la desinfección, no hay niveles, es decir; un producto está o no está estéril. Teniendo en cuenta que es un concepto cualitativo, la esterilización ha de verificarse demostrando que todos los microorganismos vivos se han destruido. El proceso de esterilización verifica su eficacia utilizando, como indicadores, microorganismos en forma de esporas que suponen la máxima dificultad para el proceso de esterilización y que no son patógenos para el hombre.
LECHE ESTERILIZADA: Es el producto obtenido al someter la leche cruda o termizada, envasada herméticamente a una adecuada relación de temperatura y tiempo 115°C a 125°C por 20 a 30 minutos, enfriada inmediatamente a temperatura ambiente.
El envase debe ser un recipiente con barreras a la luz, al oxígeno y la humedad, de tal forma que garantice la esterilidad comercial sin alterar de ninguna manera ni su valor nutritivo ni sus características fisicoquímicas y organolépticas. Se puede comercializar a temperatura ambiente. (Decreto 616 del 2006)
Los parámetros que se utilizan para evaluar el proceso de esterilización son: Letalidad: Es el porcentaje de microorganismos responsables del deterioro del producto que han sido destruidos por el método de esterilización, sirve como medida de esterilidad del producto.
Orden de muerte logarítmica: esta velocidad destrucción sigue una reacción de primer orden: cuando un alimento se caliente a una temperatura suficientemente elevada para la destrucción de microorganismos, se produce a periodos de tiempos fijos, siempre el mismo porcentaje de muerte, independientemente del número de microorganismos inicialmente presente.
Grafica Del orden de muerte logarítmica puede efectuarse dos deducciones importante. La primera es que, cuanto mayor es el numero de microorganismo presentes en el alimento más tiempo se tardar el numero de supervivientes a un valor determinado. Y la segunda conclusión que se deduce es que, dado que la destrucción de los microorganismos sigue un orden logarítmico, ni siquiera un tratamiento infinito destruiría teóricamente la totalidad de los microorganismos presentes. Por ello, los tratamientos van encaminados a reducir el número de los microorganismos supervivientes a un valor predeterminado.
Valor D: Es el tiempo de calentamiento necesario para la destrucción del 90% de los microorganismos presentes (reducción del número de microorganismos por un factor de 10) (Fellows, 1994).
Si se representa los valores D a diferentes temperaturas, frete a los distintos tiempos de reducción decimal (TRD) se obtiene una curva cuya pendiente se le denomina valor Z que se define como el numero de grados centígrados necesarios para reducir a la decima parte el tiempo de reducción decimal. Los valor D y Z se utilizan para caracterizas la resistencia frente al calor de una enzima, un microorganismo o un componente de un alimento.
FRACTORES QUE INFLUYEN Tipo de microorganismo Condiciones de incubación (Temperatura, Edad del cultivo, Medio de cultivo) Condiciones durante el tratamiento térmico (pH del aliento, Actividad de agua de los alimentos, composición de los alimentos, Medios de cultivo, condiciones de incuvacion) Grafica
Valor F: Tiempo que se requiere para la destrucción de todas las esporas a temperatura de 121º C (Fellows, 1994).
EFECTOS DE CALOR SOBRE LAS PROPIEDADES NUTRITIVAS Y ORGANOLÉPTICAS La destrucción por calor de muchas vitaminas, pigmentos y compuestos aromáticos, se comporta de forma semejante a la de los microorganismo que siguen una reacción de primer orden en la tabla se mustran los valores D y Z correspondientes a algunas vitaminas y pigmentos. Por lo general, estos valores son mas elevados que los correspondientes a enzimas y microorganismos y es por ello que las características nutritivas y organolépticas de los alimentos soportan mejor los tratamientos mas cortos a temperaturas mas elevadas. Ello
permite, por tanto, optimizar un tratamiento eligiendo una combinación tiempo/temperatura (con la misma capacidad destructora para microorganismos y enzimas) que mejoren la retención del valor nutritivo y mejoren las características organolépticas del alimento (Fellows, 1994). Tabla
CARACTERÍSTICAS
Alta eficacia contra bactericidas, esporicidas, tuberculicidas, fungicidas, virucidas.
Rápida actividad para conseguir la esterilidad en el menor tiempo posible.
Gran poder de penetración y difusión al interior de equipos.
Compatibilidad, No debe alterar la constitución del material ni modificar el funcionamiento de los objetos esterilizados.
Ecoseguridad, ya que no daña el medio ambiente.
Adaptabilidad para usar en instalaciones grandes o pequeñas.
Monitorización mediante controles físicos, químicos y biológicos.
Eficacia y coste adecuado a los estándares establecidos en cada Unidad de Esterilización.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL METODO DE ESTERILIZACION VENTAJAS:
Previene la contaminación del producto después de envasado.
Conservación durante largos períodos sin refrigeración, hasta seis meses.
Producto estable
DESVENTAJAS:
Altera el equilibrio proteico y mineral.
Destruye vitaminas, precipita las proteínas del suero e inactiva enzimas.
consumirse rápidamente.
Baja Producción
Métodos y Sistemas de Esterilización ÉTODO AGENTE SISTEMA
MÉTODO
AGENTE
SISTEMA
Físico
Calor seco
Estufa poupinelle
Vapor agua
Autoclave de vapor
Radiaciones: Ionizantes (Rayos Gamma) No ionizantes (electrones)
Químico
Cámaras Industriales Ámbito industrial
Oxido de etileno
Autoclave de gas
Peróxido de hidrógeno
Esterilizador cámara
ionizado (Plasma-gas)
Plasma-gas
Acido peracético
Esterilizador Acido peracético
Físico-Químico
Formaldehído
Esterilizador vapor de formaldehído
ESTERILIZACIÓN DE PRODUCTOS ENVASADOS Fue ensayada por primea vez por Nicolás Appert en el siglo XIX, que consiguió la elaboración de conservas estables envasadas en tarros de vidrio sellado, esta es la razón que habitualmente el tratamiento térmico de productos envasados en tarros de vidrio o en botes de hojalata se denomina “apertización”.
La esterilización de los alimentos envasados exige unos tratamientos previos, antes del cerrado de los envases, para que la apertización se desarrolle en las condiciones adecuadas. Si los productos a tratar son sólidos se deben escaldar para conseguir eliminar el aire ocluido en los tejidos y para que la operación de tamaño o troceado, el envase se llenara de un liquido de cobertura caliente para conseguir eliminar el aire presente, manteniendo así durante el procesado térmico la presión interna muy próxima a la del vapor de agua saturado y mejorando, al mismo tiempo, la transmisión de calor. Dependiendo de la producción exigida, será razonable plantear un sistema por cargas o en continuo.
SISTEMAS DE ESTERILIZACION POR CARGAS Se eligira un sistema por cargas cuando la fabrica produzca un numero de alimentos considerables de alimentos distintos, en envases diferentes y de tamaños variados, ya que solamente los sistemas por cargas tendrán la flexibilidad suficiente para responder de forma eficiente a las variaciones de tiempos y temperaturas de proceso que exige este tipo de trabajo (Casp, 1999). La esterilización por cargas se realiza en una autoclave que es un reciento, generalmente de forma cilíndrica vertical u horizontal, capaz de soportar una presión interna mayor que la atmosférica, en el que se colocan los envases a tratar (generalmente en unas cestas o jaulas) y que dispone de los adecuados sistemas de calefacción, de enfriamiento y de control del proceso para que este se realice en las condiciones apropiadas. La primera operación a realizar será depositar los envases llenos de producto escaldado, cerrados en caliente para
eliminar el aire interno en las cestas o jaulas. A continuación se colocaran estas cestas en el interior del autoclave y se procederá a cerrar su puerta. El paso siguiente será el de llevar el autoclave, cestas y envases a la temperatura del proceso y mantenerla constante durante el tiempo necesario. Transcurrido este tiempo se enfría todo el conjunto hasta una temperatura próxima pero superior a la ambiente (40°C), se abre el autoclave y se descargan las cestas. En el mercado se encuentra un gran número de autoclaves, de tecnologías muy diferentes, en los que se pueden llevar a cabo un proceso como el descrito en el párrafo anterior. Para sistematizar el análisis de estas maquinas se ha ordenado por el tipo de calefacción que usan, ya que esta condiciona en gran medida sus demás características constructivas, su operación y los productos para los que pueden utilizarse.
Calentamiento por vapor de agua saturado La primera autoclave calentada por vapor saturado, producido por una fuente externa, fue inventado por A.K. Shiver en 1874, y operaba por cargas. Sin embargo, el uso de marmitas hermeticas calentadas por una fuente de calor externa, (leña o carbón), en las que la presión interna se eleva por encima de la atmosférica gracias a la presión de vapor del agua depositada en su interior, es muy anterior; aunque su utilización hasta el siglo XIX fue muy peligrosa por la tendencia que demostraban esos recipientes a explotar. Desde esas fechas hasta nuestros días se han diseñado, construido y en empleado una gran cantidad de autoclaves que operado con vapor de agua saturado, libre de aire, como fluido calefactor (Casp, 1999). Las autoclaves de este tipo, empleados por la industria cervecera, suelen ser de sección circular y pueden estar dispuestos en posición vertical u horizontal. Los envases se colocan en cestas, de geometría apropiada para el autoclave y de algo menos de 1 m 3 de capacidad, dejados caer en ellas de forma desorganizada, o bien organizados en capas (con o sin separadores). Las autoclaves verticales tienen una tapa superior por la que se introducen las jaulas. En las autoclaves
horizontales la puerta es frontal y las cestas se introducen sobre ruedas. En todo ellos el enfriamiento se realiza por emersión de las cestas en agua fría, ya sea dentro de la misma autoclave o en un recipiente exterior colocado en su proximidad. Estos autoclaves son maquinas relativamente sencillas de construcción, por lo que existe un número importante de fabricantes en todos los países que tienen una industria cervecera desarrollada. Posiblemente el tamaño mas utilizado sea el de una cesta, aun que también se producen de dos y tres cestas, fabricándose generalmente estos últimos en posición horizontal, ya que la posición vertical para más de dos cestas complica la operación y compromete la homogeneidad del tratamiento térmico. En la figura 1 ese muestra el esquema de un autoclave vertical. Estos equipos constan fundamentalmente de:
Una entrada de vapor (1), con un sistema de distribución del mismo en el interior de autoclave (2) que asegure una buena homogeneidad de la temperatura.
Unos sistemas de purga (3) que consigan evacuar todo el aire existente en el equipo antes de la puesta a presión.
Un sistema desagüe (4) para eliminar los condensados y el agua de enfriamiento.
Un sistema de entrada del agua para enfriamiento (5), cuando este enfriamiento se realice en su interior.
Unos sistemas de control y medida: válvula de regulación de vapor (6), termómetro (7) y registro de temperatura (8), manómetro (9), válvula de seguridad, etc. (Casp, 1999).
Figura 1: esquema de autoclave vertical calentando por vapor de agua saturado La operación con estas autoclaves, como con cualquier otro sistema de esterilización de los que se describen más adelante, debe asegurar la homogeneidad del tratamiento aplicado al lote de envases que se encuentra en su interior. Esta homogeneidad se conseguirá cuando los factores de que depende la temperatura del centro térmico del alimento envasado se mantengan constantes en cualquiera de las posiciones dentro del recinto. Los factores mas importantes a considerar son la temperatura y el coeficiente superficial de transmisión de calor (coeficiente de película). En el caso de calefacción por condensación de vapor de agua saturado, el coeficiente d película que se alcanza es muy alto: 15000w.m 2
.K-1, y la temperatura será constante (la correspondiente a la presión de trabajo)
siempre que el punto considerado este en contacto con el vapor de agua. Por tanto, si se pretende que el tratamiento sea homogéneo, se debe conseguir que la superficie de todos los envases dispuestos en el interior de la autoclave este en contacto con el vapor de agua condensándose. Esto quiere decir que se debe eliminar todo el aire presente en el interior de recinto en el momento de iniciar la operación (Casp, 1999). De acuerdo con lo dicho en el párrafo anterior, cada autoclave debe disponer de un eficiente sistema de venteo que asegure la eliminación de todo el aire interior de la cascara. Durante el proceso de venteo las válvulas y os purgadores se
mantendrán abiertos para conseguir que el vapor a presión que se inyecta al autoclave se pierda por estos orificios arrastrando el aire interno con él. El diseño del autoclave (numero de purgadores y disposición de los mismos, caudal y presión de vapor de entrada) y la disposición de los envases en las cestas se deberán estudiar con vistas a facilitar la eliminación de las bolsas de aire del interior del recinto en el menor tiempo posible. El tiempo de puesta a régimen no finalizara hasta que se haya eliminado todo este aire. Como ya se ha dicho anteriormente, el enfriado de los envases, después de transcurrido el tiempo de proceso, puede realizarse en el interior o en el exterior de estos autoclaves. Si se produce en el interior se inundara el autoclave después de haber abierto válvulas y espitas para igualar la presión interna con la externa. Si el enfriamiento se debe realizar en el exterior, cuando las presiones internas y externas se hayan igualado se abrirá la tapa y se extraerá la cesta para introducirla a continuación en agua fría durante el tiempo adecuado para conseguir la disminución de la temperatura en el centro térmico hasta unos 40°C.
Calentamiento por mezcla de vapor de agua-aire En los equipos descritos en el apartado anterior, la presión aplicada al exterior de los envases durante el proceso es la de saturación de vapor de agua a la temperatura de trabajo, mientras que durante el enfriamiento la presión externa desciende hasta la atmosférica. Si suponemos que se ha realizado un escaldado y llenado en caliente eficiente, la presión interna de los envases será en todo momento muy próxima a la de saturación del vapor de agua a la temperatura interior del producto. Esta temperatura será inferior a la del recinto durante el calentamiento y una parte del tiempo de mantenimiento, igualándose con ellas en un determinado momento. Por lo tanto en estas dos fases, la presión en el interior de los envases será inferior a ala del recinto. Sn embargo cuando comienza el enfriamiento lo primero que se produce es una brusca reducción de la presión externa hasta alcanzar la atmosférica, mientras el interior de los envases el producto aun se mantiene caliente y su presión por lo tanto elevada. Esta diferencia de presión exige una resistencia mecánica a los envases que no todos
los materiales pueden proporcionar. De hecho, solo las hojalatas de suficiente grosor pueden trabajarse en estas condiciones, en los envases de vidrio saltan los cierres o incluso pueden llegar a estallar y lo envases de plástico se deforman primero para romperse a continuación. Para la utilización de envases que no sean hojalata es necesario disponer de sistema de refrigeración en los que se puede trabajar a contrapresión (con una presión de recinto superior a la de saturación de vapor para la temperatura de trabajo). Esta contrapresión se puede conseguir con la inyección de aire comprimido. Los equipos que disponen de sistemas de inyección de aire comprimido permiten trabajar regulando por separado la presión y la temperatura, y así se podrá mantener en cualquier momento una presión de recinto superior a la de saturación de vapor de agua, por lo que siempre será superior a la del interior del envase. En estas condiciones es posible la esterilización de los productos en cualquier tipo de envase, sin que su resistencia mecánica sea un factor limitante. La utilización de una mezcla de vapor de agua- aire para la calefacción presenta además la ventaja de hacer innecesaria la operación de venteo, que era la mas critica en los sistemas que utilizan vapor saturado, sobre todo en los equipos horizontales de varias cestas (es necesario eliminar todo el aire del interior) que además consume una cantidad importante de energía, ya que durante un tiempo se está perdiendo una fracción considerable de vapor inyectado al autoclave, que se utiliza para el arrastre al exterior el aire interno (Casp, 1999). El problema más importante de la utilización de la mezcla vapor-aire para la calefacción es que su coeficiente de película es menor que el de vapor de agua saturado condensándose y que además es inversamente proporcional a la concentración de aire en la mezcla. Esto último significa que si se pretende una uniformidad en el tratamiento, se deberá conseguir que la mezcla vapor-aire sea uniforme en todos los puntos del interior del recinto. Para conseguir esta homogeneidad industrialmente se emplean sistemas de convección forzada: un potente ventilador que hace circular el fluido calefactor por todo el autoclave en el
que sean dispuesto unos deflectores para dirigir este flujo, como puede verse en la figura 2.
Figura 2: autoclave panini mod. Universal O. El ventilador situado en uno de los extremos de autoclave trabaja en aspiración succionando la mezcla de aire vapor del centro del recinto y enviándola al extremo contrario entre los deflectores y la carcasa. En esta figura también puede apreciarse el sistema de guías para mover las jaulas por el interior del autoclave y el sistema de duchas para el enfriamiento final. En la figura 3 se muestra el esquema de un autoclave horizontal de 4 jaulas que emplea este sistema de calefacción.
Figura 3: esquema de funcionamiento de un autoclave horizontal calentado por mezcla vapor- aire.
La calefacción se consigue inyectando vapor de agua, que el potente ventilador instalado se encarga de mezclar con el aire del interior del recinto. Los condensados producidos durante el calentamiento permanecen en el interior de la carcasa y se emplean para el enfriamiento del producto pulverizándolos sobre el después de haber sido enfriados en un cambiador de calor externo contra agua fría. La presión durante todo el proceso se mantiene en el nivel deseado por inyección de aire comprimido. En este equipo se puede también conseguir el enfriamiento por inmersión total o parcial en agua fría si es que este sistema se estima más adecuado para el producto que se está tratando. Los autoclaves horizontales que utilizan este sistema de calefacción se fabrican también rotatorios, lo que les permite la agitación tapa-fondo-tapa de los envases durante su procesado.
Figura 4: agitación tapa-fondo-tapa La agitación tapa-fondo-tapa consiste en la traslación del envase sobre un eje perpendicular a su máxima longitud, de forma que en cada vuelta pasa dos veces de la posición vertical a la horizontal, como puede verse e la figura 4. Con este sistema y regulando la velocidad de giro según la consistencia del producto, se puede conseguir que la burbuja correspondiente al espacio en cabeza pase por el centro geométrico del envase, obteniéndose así el mayor acercamiento de toda la masa del producto a las paredes del recipiente. La esterilización con agitación es adecuada para acelerar la penetración de calor, y por lo tanto conseguir un tratamiento más corto y más uniforme, en productos viscosos o semisólidos de gran consistencia, cuya calidad se vea afectada por un calentamiento excesivo. La agitación de alimentos líquidos de baja viscosidad o de alimentos sólidos sin movilidad en el envase no presenta ventajas apreciables en su esterilización industrial (Casp, 1999). La instalación de mecanismo de rotación complica considerablemente el diseño de este tipo de equipos, ya que se debe poder girar todo el conjunto de cestas a una
velocidad variable regulada con la suficiente precisión. En la figura 5 puede verse una autoclave rotatoria, con su puerta de guillotina abierta mostrando la jaula arrastrada por el sistema de giro. Figura 5: autoclave lagarde rotatorio.
Es una autoclave discontinua que sin embargo realiza los procesos de carga y descarga automáticamente, ya que los envases no se disponen en jaulas, si no que se colocan en una única capa que forma una espiral posicionada junto a la superficie interior de la carcasa. La sujeción de los envases en esta posición se consigue por medio de un perfil en T enrollado, como se ha dicho, en espiral. Una serie de perfiles en L, longitudinales al eje del autoclave, se encarguen de conseguir que los envases recorran esta espiral en el proceso de carga y descarga. Una vez se han sustituidos los envases procesados por los que se van a procesar, se hace girar el espiral de forma solidaria a los perfiles en L y se consigue el giro de los envases sin que se produzca desplazamiento longitudinal por el interior del recinto. Este sistema de colocación y transporte por la autoclave de los envases se verá con más detalle cuando se explique el funcionamiento del esterilizador Sterrilmatic de este mismo fabricante, para el que se desarrollo inicialmente el sistema. En la figura 6 se esquematiza el movimiento de giro de los envases para ver el desplazamiento del espacio de cabeza en una revolución completa con un sistema de agitación axial (Casp, 1999).
Figura 6: Agitación axial En este sistema de agitación es que se utiliza generalmente en los esterilizadores continuos, en los que los envases se desplazan girando sobre su superficie externa, como se vera en los apartados correspondientes a esta maquina. La efectividad de este sistema de agitación es algo inferior a la conseguida por el sistema tapa-fondo-tapa, ya que como puede verse en el espacio en cabeza tieneuna clara tendencia a mantenerse barriendo la superficie de los envases, sin alcanzar el centro geométrico.
Figura 7: autoclave orbitort Esta autoclave no tiene puerta frontal por la que carga las jaulas, ya que como se ha dicho anteriormente, los envases se mueven de una en uno al entrar y salir del
recinto por las rampas de inclinación apropiada que pueden verse en la figura anterior. El enfriamiento se realiza por inundación parcial o total e agua fría y manteniendo la agitación para conseguir una mayor rapidez y una mejor homogeneidad en el proceso.
Calentamiento por agua sobrecalentada Una alternativa al uso de mezcla vapor-aire comprimido en la esterilización es la utilización de agua sobrecalentada mantenida a una presión superior a la de saturación del vapor a la temperatura de trabajo. Al planearse la utilización de este sistema de calefacción no hay que olvidar que:
En estas condiciones el calentamiento del producto se consigue por intercambio de calor sensible, no de calor latente como cuando se utilizaba vapor de condensado.
El coeficiente de transferencia de calor superficial es mucho menor que en el caso de la condensación de vapor, y es función de la velocidad con la que el agua circula sobre la superficie a calentar.
El primer punto significa que la capacidad de transferencia de calor de cada unidad de masa de agua es muy inferior a la de la unidad de masa de vapor, y además que la transferencia de calor en estas condiciones de realiza mediante enfriamiento del agua y no a temperatura constante, como ocurre en el caso de la condensación de vapor. En la práctica esto quiere decir que 1Kg de agua a una temperatura de 115°C puede ceder 1Kcal cada vez que se enfría 1°C, mientras que 1Kg de vapor saturado a la misma temperatura. Luego, por definición, cuando se emplee agua como fluido calefactor se deberá asumir que el medio calefactor no trabajara a temperatura constante, se ira enfriando a medida que recorra la superficie a calentar (Casp, 1999). Si se admite el segundo punto, se deberán desestimar todos aquellos sistemas que no trabajen con agua en movimiento. Si se utiliza agua caliente en reposo
como fluido calefactor, el coeficiente de película es muy pobre y además se producen amplias diferencias de temperaturas en los distintos niveles de agua por la tendencia natural de estos fluidos a estratificarse por densidades (que es lo mismo por temperatura). La totalidad de la masa de agua sobrecalentada deberá estar en movimiento en todo momento, utilizándose para ello el sistema mas apropiado para cada caso, de forma que se consiga que la velocidad de circulación del agua sea siempre la misma, pues al variar esta variara el coeficiente de película. De todo lo dicho se desprende que el diseño de los autoclaves que utilizan agua como fluido calefactor va hacer crucial, sobretodo en el sistema de puesta en contacto del agua con los envases. Se pueden encontrar autoclaves que emplean dos sistemas de puesta en contacto del agua y los envases: por inundación y por lluvia.
Calefacción por inmersión.
Utilizando la inmersión en agua sobrecalentada como medio de calefacción se pueden encontrar tres tipos de autoclaves: Verticales: prácticamente sin agitación Convenience Food Sterilizer (F.M.C): de circulation horizontal Horizontales de circulación vertical y con agitación. Las autoclaves verticales son similares a los descritos en el apartado dedicado al calentamiento con vapor de agua saturado, en los que las jaulas se encuentran sumergidas en agua sobrecalentada. Este sistema de calentamiento es muy deficiente, ya que se produce una estratificación natural del agua por temperatura dentro del autoclave que hace que la intensidad del tratamiento no sea la misma en los distintos planos horizontales de las jaulas. Este sistema es tanto peor cuantas mas jaulas se dispongan dentro del autoclave: con una jaula el sistema es deficiente, con dos jaulas las diferencias de letalidad en los tratamientos aplicados puede crear graves problemas si no se sobrecosen las capas de envases
superiores. Plantear autoclaves de mas de dos jaulas por este sistema con este tipo de calentamiento no es razonable, ya que existe la seguridad absoluta de que el tratamiento aplicado no será homogéneo. El Convenience Food Sterilizer (F.M.C) es un autoclave horizontal que admite en su interior un carro en el que se disponen los envases (bolsas flexibles) en posición horizontal, en una tapa, sobre unos separadores que además actúan como canal de circulación del agua (figura 8). El agua almacenada y calentada en el exterior del autoclave se deja caer sobre el primer estantes del carro libre de bolsas, y de allí pasa a uno de los extremos del carro, desde el que se distribuye por todos estantes ocupados por las bolsas, recorriéndolo en circulación horizontal hasta salir por el extremo opuesto. Desde este punto el agua rebosa hasta el fondo del autoclave de donde la tomo una bomba que la envía al sistema de calefactor externo y de recirculación. Por lo tanto cada porción de agua circula en posición horizontal recorriendo uno de los estantes del carro (Casp, 1999).
Figura 8 (Convenience Food Sterilizer (F.M.C))
En Europa, e incluso en EEUU ha tenido más aceptación las autoclaves horizontales rotativas por inmersión en agua que el que se acaba de describir. Estas autoclaves constan de cubas cilíndricas colocadas unas sobre la otra. La superior se utiliza para almacenar el agua caliente. El inferior se dispone de las cestas con el producto en el mecanismo de rotación, y es donde se produce el tratamiento térmico, por adición de agua precalentada almacenada, como se ha dicho, en la cuba superior durante la rotación los envases giran en el mismo plano vertical por e sistema tapa-fondo-tapa. La sobrepresión se consigue en el recinto superior por inyección de aire. En la figura 9 se muestra un esquema del autoclave rotomat que funciona por este procedimiento.
Figura 9: autoclave rotomat (stock) El mismo sistema de calentamiento es el que obliga a la utilización de dos cubas en estos equipos. El empleo de una gran masa de agua caliente en el proceso exige su reutilización, ya que se si descartara el consumo de energía del sistema lo haría inviable. Por lo tanto no se puede plantear un sistema de calentamiento por inundación que no recupere el agua caliente después de cada proceso y mantenga su temperatura hasta la cocida siguiente.
La energía que se consume para calentar el producto y el recinto es compensa inyectando vapor en el flujo de agua que se recircula a su paso por una cámara de distribución. El agua se toma del recinto inferior por unas salidas espaciadas regularmente en el fondo del mismo, de donde se bombea a la cámara de distribución para su calentamiento. La circulación del agua de arriba abajo y la rotación de las cestas consigue una buena distribución del calor en el sistema. El equipo se construye con capacidades desde 1 a 5 cestas, y puede operar desde 6 hasta 45 rpm.
Calefacción por lluvias En este caso el calentamiento se consigue por medio de un gran caudal de agua sobrecalentada que se deja caer sobre las cestas en los envases. El volumen total de agua de operación es muy pequeño, en comparación en las utilizadas en las autoclaves del apartado anterior, y se calienta por inyección directa del vapor o por calentamiento indirecto en un calentador por vapor apropiado. Esta agua cede parte de su calor sensible al producto al ser pulverizada sobre el, en su recorrido desde la parte superior de la carcasa hasta la inferior, donde se recoge por una o unas bombas que la vuelven a impulsar hasta el sistema de reparto superior existen numerosas autoclaves que utilizan este medio de calefacción y que pueden trabajar con y sin agitación. Existen dos sistemas de reparto del agua sobrecalentada: A través de una plancha perforada o por medio de un sistema de boquillas (Casp, 1999). Estas autoclaves se fabrican con capacidad para 1 a 7 cestas en el modelo estático y has 5 cestas en el modelo con agitación. El calentamiento se produce por medio de una pequeña cantidad de agua (100L / cestas) que se recirculan por medio de una bomba de gran caudal hasta una placa perforada situadas sobre las cestas de forma que su reparto sea muy homogéneo y su caída por gravedad. La dirección de caída de agua es completamente vertical, paralela a la arista mayor de los envases (si están colocados en la cesta en posición vertical) y cubre
solamente la superficie ocupada por las jaulas, para conseguir el mejor coeficiente de película en la transmisión de calor.
Figura 10: autoclave steriflow El calentamiento y el enfriamineto del agua en el proceso se consiguen a través de un cambiador de calor de placas soldadas, contra vapor de agua o contra agua fría, consiguiéndose asi que el agua que esta en contacto con los envases durante el proceso completo sea la misma, es decir el enfriamiento se produce con agua que se ha esterilizado a la vez que los envases. La utilización del cambiador de claor permite la reutilización de los condensados del vapor de calefacción y el empleo de agua de cualquier calidad para el enfriamiento, ya que no se va a pone en contacto con los envases. La presión en el recinto se regula, al nivel requerido en cada momento, por inyección de aire comprimido (Casp, 1999). La distribución del agua caliente por boquillas es el sistema empleado por la mayoría de los fabricantes de estos equipos. La bomba de recirculación del agua interna descarga sobre un colector longitudinal al eje del autoclave colocado en la parte mas alta del interior de la carcasa. Las boquillas pulverizadoras están conectadas a este colector, y dispuestas de forma que los conos de pulverización consigan un reparto uniforme del agua sobre toda las superficie ocupada en las
jaulas. En la figura 11 se muestra un detalle del colector, con las correspondientes boquillas que montan las autoclaves.
Figura 11: Detalle del colector y las boquillas de distribución del autoclave De todo lo dicho anteriormente se deduce que la homogeneidad del tratamiento aplicado en una autoclave que emplee como medio de calefacción agua sobrecalentada, no podrá controlarse midiendo las diferencias de temperatura que existan en el interior del recinto. Durante los periodos de calentamiento y enfriamiento existirán diferencias de temperatura que se podrán clasificar como importante y que será mayor cuanto menor sea el caudal de agua pulverizado sobre el producto. El único sistema para analizar la homogeneidad del proceso aplicado en un determinado autoclave será la obtención de la curva de penetración de calor para los envases colocados en las distintas posiciones de las jaulas y el cálculo en cada caso, de la intensidad del tratamiento aplicado (F 0).
ALIMENTACION AUTOMATIZADA DE LOS AUTOCLAVES Una de las desventajas de los sistemas de esterilización discontinuos es su producción intermitente, que dificulta la automatización de la línea de tratamiento, obligando a retener el producto antes y después de
la esterilización. Este
problema se puede evitar montando varios autoclaves en paralelo y un sistema mecanizado de alimentación como el que se ilustra en la figura 12
FIGURA 12: Instalación de alimentación automática lagarde El sistema mecanizado de alimentación se encarga de colocar los envases en las cestas, transportadas en el autoclave que esté dispuesto para comenzar la operación, introducirlas en él, y una vez transcurrido el tiempo de proceso, tomarlas de dentro del autoclave y transportarlas hasta el mecanismo de desencestado que depositara los envases esterilizados en el correspondiente transportador de salida. El numero de autoclaves montados se debe ajustar de acurdo en el tiempo de proceso y la producción de la línea, de forma que siempre se encuentre un autoclave en proceso de carga y descarga y el resto de esterilización. De este modo la suma de varias operaciones discontinuas consigue que se pueda producir un trabajo en continuo en la línea anterior y posterior de la esterilización.
SISTEMAS CONTINUOS DE ESTERILIZACIÓN La instalación de un sistema de esterilización en continuo tiene sentido en el caso de que se trabajen grandes series del mismo producto en el mismo envase. La diferencia fundamental entre un autoclave y un esterilizador continuo es que este último se encuentran zonas a diferentes temperaturas que se mantendrán constantes durante todo el tiempo en que el esterilizador está en marcha. Es decir, que el calentamiento, mantenimiento y enfriamiento del producto no se realiza por que el esterilizador se calienta, mantienen su temperatura y se enfría, sino por que el producto se traslada por las zonas de temperaturas crecientes, de temperatura de régimen y de temperatura decreciente del esterilizador. Este sistema tiene una ventaja apreciable a simple vista; el ahorro energético que se consigue. Es cierto que en cada operación solamente se calentaran los envases con productos, no será necesario calentar la masa de la autoclave. Un esterilizador se lleva a la temperatura de régimen en la puesta en marcha y se mantiene en estas condiciones mientras se encuentre trabajando (24 de cada 24 horas salvo en caso de avería y de parada para mantenimiento), por lo que el calor que se debe aportar será solamente el que consuman los envases con el producto. Si se plantean sistemas de trabajo con paradas frecuentes para cambio de condiciones de proceso o de formado de los envases, la mejora de la eficacia desaparece, ya que los esterilizadores son equipos muy complejos, de masa muy elevada que exigen el consumo de una gran cantidad de tiempo para conseguir un cambio en las condiciones de trabajo. La segunda ventaja es la uniformidad de tratamiento. Cualquier tratamiento por cargas tiene más probabilidades de presentar diferencias entre las cocidas consecutivas que un sistema continuo, donde las variaciones en temperatura y en tiempo de proceso son muy pequeñas.
La tercera ventaja es la reducción de las necesidades de mano de obra. Un sistema continuo siempre es menos exigente en mano de obra que los sistemas por cargas, aunque como se ha visto también se puedan automatizar estos últimos y reducir así la diferencia entre los dos sistemas. A lo largo de la historia de los tratamientos térmicos se han comercializado esterilizadores basados en principios muy distintos, cuyas características diferenciales se estudian a continuación. En todos ellos las cargas y descarga del envase se realiza en forma automática. Casi siempre estos envases recorren el interior del esterilizador en posición horizontal, por lo que el sistemas de agitación que se puede emplear será siempre axial, generalmente consta de varios recintos separados que se mantienen a temperaturas diferentes para que en ellos se puedan producir el calentamiento, la esterilización y el enfriamiento del producto. Estos procesos se realizaran a la presión de saturación del vapor de agua, a una presión superior o incluso a la presión atmosférica, dependiendo del tipo de esterilizador. El calentamiento se producirá por vapor saturado, por mezcla de vapor y aire comprimido, por agua sobrecalentada, como ya se ha visto para los autoclaves y también por otros medios característicos de algunos esterilizadores especiales. A continuación se exponen.
ESTERILIZADORES HIDROSTATICOS El primer esterilizador- enfriador continuo bajo presión hidrostática fue puesto a punto por Pierre Carvallo en 1948 en Francia buscando un sistema seguro, económico y simple, con el que se obtuvieran productos de alta calidad. El principio del funcionamiento de estos equipos es muy sencillo. Constan de una cámara de vapor parcialmente llena de agua que se mantiene bajo presión gracias a dos columnas hidrostáticas, de 12 a 18 metros de altura, a lo s que esta conectada. En estas condiciones la temperatura de la cámara es la de vapor saturado a la presión a la que se encuentra, y que se corresponde con el desnivel existente entre la altura del agua en la cámara de vapor y las dos columnas
hidrostáticas. En la figura 13 se muestra un esquema del principio de funcionamiento de estos esterilizadores.
Figura. 13: Esquema de un esterilizador hidrostático. Es evidente que para mantener la temperatura constante en la cámara de vapor será suficiente conseguir que se mantenga constante la presión, o sea el desnivel entre las dos superficies de agua (dentro y fuera de la cámara e vapor). El nivel superior de las columnas se mantienen por rebose, añadiendo agua fría a la columna de salida del producto. El nivel inferior se mantiene por un regulador de flotador, que cuando sube el nivel abre la válvula de entrada del vapor. Para valorar la exactitud de este sistema hay que recordad que un cm de columna de agua de variación de presión corresponde a una variación de temperatura de 1/60 ºC (Casp, 1999). Los envases se introducen en la columna de entradas colocadas en un transportador sin fin formado por una serie de tubos huecos en los que se depositan los envases en posición horizontal. Los tubos son e la longitud apropiada a la anchura del esterilizador van unidos entre sí por las cadenas de tracción que se encargan de asegurar el movimiento del conjunto. En la fig. 14 puede verse en detalle el sistema de colocación e los envases en el transportador
Figura 14. Detalle del sistema de transporte de los envases en un esterilizador hidrostático. En la primera columna se produce el precalentamiento a la vez que va aumentando la presión externa a la que son sometidos los envases, al incrementarse la columna de agua que soportan. Al mismo tiempo que se incrementa la presión se incrementa la temperatura, ya que gracias al movimiento de los envases en el transportador, a la estreches de la columna y a la entrada de agua por la columna de salida, se invierte la tendencia natural a la estratificación del agua por temperaturas, siendo la temperatura del agua en esta columna mayor cuanto mas baja sea la posición ene que se mida. A continuación el producto entra a la cámara de vapor, en la que se mantiene el tiempo marcado por la velocidad del transportador. Después de la esterilización el producto se evacua por la otra columna, en la que se encuentran temperaturas y presiones cada vez mas bajas según la recorre de abajo a arriba. El agua de las columnas hidrostáticas circula en contra corriente de los envases, permitiendo así una recuperación de calor importante. El agua fría que se introduce en la columna de enfriamiento se calienta según va descendiendo por ella a la vez que enfría los recipientes que salen, y después de haber pasado bajo la cámara de vapor sube por la columna de precalentamiento cediendo su calor al producto que entra.
De acuerdo con los principios expuestos anteriormente diversos fabricantes han producido una gran cantidad de esterilizadores hidrostáticos con variantes en cuanto a la disposición del sistema de carga por la parte inferior, por la parte intermedia, o por la parte superior de las columnas, en cuanto a número de columnas y a su disposición y al tipo de trasportador de los envases. En la figura 15 se puede ver el esquema de un esterilizador hidrostático de carga inferior.
Figura 15. Esterilizador hidrostático carvallo. El consumo energético de estos esterilizadores es muy bajo, ya que como se ha dicho la circulación en contra corriente del agua en las columnas consigue la recuperación del calor aportado al producto durante la esterilización. Si se recupera el calor del agua que se obtiene en el rebosadero de la columna de precalentamiento, se puede alcanzar la paradoja de que en esta recuperación se obtenga más calor que el aportado a la maquina por el vapor de calefacción. Esto es posible por que el producto entra al esterilizador, después del cerrado en caliente, a mayor temperatura de la que sale por lo que el proceso global se convierte en un enfriamiento debido a la recuperación del calor.
La grafica 1 muestra la evolución de la temperatura y la presión en el interior y en el exterior de un envase que recorre el esterilizador de la figura 15.
Grafica 1. Evolución de la temperatura y la presión en un esterilizador hidrostático. Como se ve en esta grafica tanto el calentamiento como el enfriamiento se producen de manera muy suave siendo el choque térmico al que se someten en envases mínimos. Desde el punto de vista de la presión puede apreciarse que al comienzo del enfriamiento la presión interior del envase es superior a la del recinto, por lo tanto este sistema de esterilización no será apropiado para los productos que se envasen con materiales o con tipos de cierre que no soporten esa presión interna. Es decir en esterilizadores hidrostáticos no se pueden esterilizar productos en envases flexibles ni con cierres que no tengan la suficiente rigidez para soportar la diferencia de presión que se produce esta condición fue la que retiro del mercado estas maquinas cando las exigencias comerciales llevaron a los fabricantes a emplear envases distintos de los de hojalata y de vidrio con tapón corona. El otro gran problema que representan los equipos era su gran altura (12-18 m) como ya se ha dicho, necesaria para que la temperatura en la cámara de vapor pudiera mantenerse entre 120 y 125ºC. Las soluciones aportadas por los fabricantes pasaban por montar una parte o toda esta altura en un poso o por utilizar varias columnas en serie que de acuerdo con las leyes de la
hidrostática sumaban la presiones alcanzadas en cada una de ellas. En la figura 16 se puede ver un esquema de un esterilizador hidrostático con 3 columnas de 5 metros de altura cada una de ellas. Las columnas se alternan con 3 cámaras de vapor, de forma que la presión que se alcanza en la última es de 1.5 bar. Los botes entran en la primera columna y durante el descenso están sometidos a un aumento progresivo de la presión y la temperatura hasta penetrar en la primera cámara de vapor, donde la presión es de 0.5 bar y la temperatura de 111 ºC. la salida de esta cámara está conectada con la siguiente columna de agua, en la que los botes vuelven a sufrir un proceso de incremento de presión y temperatura hasta la segunda cámara en la que se encuentran a 1 bar y 120 ºC . Seguidamente pasan a la tercera columna y a la tercera cámara, donde la presión final es de 1.5 bar y la temperatura es de 127 ºC. En esta cámara se inicia el retorno de los envases en contracorriente con la que van entrando, estando sometido durante el recorrido de salida a un enfriamiento continuo y progresivo con la correspondiente reducción de presión, hasta que salen de la primera columna y pasan a la de enfriamiento con agua fría, que está separada de las restantes para que no intervengan en la presión final (Casp, 1999).
Figura 16: Esterilizador con columnas hidrostáticas en serie.
Esterilizadores Neumohidrostáticos Como ya se había dicho los esterilizadores hidrostáticos no pueden emplearse para todos los envases de vidrios, ni para los de laminados plásticos, aluminio, etc. Ya que todos los que son semirrígidos o deformables no soportan el enfriamiento sin contrapresión. La importante penetración en el mercado de todos estos tipos de envases obligó a los fabricantes a tomar las medidas oportunas para que pudiera tratarse en estos esterilizadores. Se desarrollaron así los esterilizadores Neumohidrostáticos. En teoría hubiera sido suficiente insuflar aire comprimido en la cámara de vapor para conseguir el efecto deseado, pero en la práctica esto no es posible. Como se indicó al hablar de los autoclaves, cuando esteriliza con una mezcla de vapor y aire comprimido hay que conseguir que esta mezcla sea homogénea si se quiere que las condiciones de transmisión de calor en toda la cámara sean idénticas. Esto es imposible en un recinto de 12-18 metros de altura completamente lleno de un transportador que arrastra los envases. En estas condiciones el riesgo de aparición de bolsas de aire, imposibles de eliminar dentro de la cámara de esterilización es muy alto. El problema se resolvió utilizando agua sobrecalentada en vez de vapor de agua, solución que como se ha visto también se aplica en el caso de los autoclaves horizontales discontinuos. En la figura 17 se muestra el esquema de funcionamiento de un esterilizador Neumohidrostáticos. El agua caliente se encuentra en el depósito inferior de la cámara de vapor, y se mantiene a la temperatura deseada con error de 0.5ºC por inyección de vapor. Una bomba de gran caudal se encarga de elevar esta agua a la parte superior de la cámara, donde se pulveriza sobre los envases que se recorren. Como se pretende que el gradiente de temperatura del agua, en su descenso en las boquillas pulverizadoras hasta el depósito inferior, sea mínimo (para que la temperatura de tratamiento sea lo más constante posible), el caudal de agua que se pulveriza se calcula para que sea capaz de aportar de 10 a 12 veces el calor
necesario en la esterilización. La presión de la cámara se regula por inyección de aire comprimido. En la columna de enfriamiento se repite el mismo esquema pero con una temperatura menor, regulándose también su presión, al mismo nivel que en la cámara de esterilización, por inyección de aire comprimido. El esterilizador dispone por lo tanto de las columnas hidrostáticas de precalentamiento y de enfriamiento final y de dos cámaras centrales, la de esterilización y la de enfriamiento a sobrepresión, por lo que la disposición general de la máquina ha cambiado de forma sustancial.
Figura 17: esterilizador neumohidrostatico
En la gráfica 2 se ha representado la variación de las presiones y temperaturas en el recinto y en los recipientes. Se aprecian claramente las diferencias en la evolución de las presiones entre la gráfica y la gráfica 1. En el esterilizador Neumohidrostático el enfriamiento siempre se produce a contrapresión, por lo que no existirán problemas para la utilización de cualquier tipo de envase. Sin embargo, se ha conseguido ampliar la capacidad de tratamientos de envases diferentes a costa de incrementar la complejidad mecánica de la máquina. Una de las ventajas que presentaban los esterilizadores hidrostáticos frente a los demás esterilizadores presentes en el mercado era el sistema tan sencillo de obtener un control perfecto de las condiciones de trabajo. Esta ventaja desaparece en los Neumohidrostáticos, por lo que va a prevalecer su principal inconveniente: su enorme altura, que complica la operación del equipo y el diseño de la nave de producción.
Gráfica 2. Representación de la evolución de presiones y temperaturas en un esterilizador Neumohidrostáticos.
Esterilizadores Continuos Bajo este nombre se han agrupado todos los esterilizadores continuos cuya fuente de calor es el vapor de agua pero que no disponen de un sistema hidrostático de control de la temperatura.
El más antiguo de todos ellos, pero que aún sigue comercializándose con éxito en Estados Unidos, es el Sterilmatic diseñado en 1920 por Albert R. Thompson para F.M.C. el esterilizador Sterlmatic está compuesto por dos o más carcasas horizontales cilíndricas, colocadas en serie, y en
las que se produce el
calentamiento y en el enfriamiento de forma sucesiva para todos los envases. En la figura 18 muestra un esquema de ésta máquina.
Figura 18. Esterilizador Sterilmatic. En el interior de las carcasas se disponen los mecanismos que colocan los envases en su posición y los hacen avanzar de forma automática manteniéndolos en su interior el tiempo adecuado para el tratamiento deseado. El movimiento de traslación de los envases se consigue mediante un mecanismo de tambor y espiral. Sobre las paredes interiores de las carcasas se suelda un perfil en T enrollado en espiral. Los envases se mantienen entre las espiras del perfil en T soportado por un tambor formado por un conjunto de perfiles en L longitudinales al eje de la carcasa y soldado a unos rotores solidarios al eje de giro de todo el conjunto. En la figura 19 se muestra un detalle de la disposición de los envases en el interior de la carcasa de este esterilizador, en la que se ve con claridad como circulan los envases por la espiral formada por el perfil en T, arrastrados por los perfiles en L (Casp, 1999).
Figura 19. Situación de los envases en el esterilizador Sterilmatic El giro del tambor obliga a circular a los envases entre las espiras, y recorrer así toda la superficie interior de la carcasa. Una vez recorrida la primera carcasa, los envases se transfieren a la segunda por medio de una exclusa que permite el paso de los envases de uno en uno pero impide el escape del vapor y de presión. En la primera carcasa se produce la esterilización mediante vapor de agua, y en las siguientes se efectúa el enfriamiento a sobrepresión o a presión atmosférica por inmersión parcial en agua. En la figura 20 se muestra una sección de este esterilizador.
Figura 20. Sección del esterilizador Sterilmatic. En este esterilizador el procesa se realiza siempre con agitación, aunque es un tipo de agitación particular, ya que no es continua sino intermitente. Cada vuelta del tambor imprime al envase un movimiento en tres fases, que se pueden observar en la figura 21:
Ciclo de 230º en la parte superior del tambor, donde los envases no giran ya que están siendo soportados por el perfil en L.
Ciclo de 90º en la parte inferior del tambor, donde los botes giran libremente sobre su superficie externa arrastrados por los perfiles en L. en esta parte es donde se produce por lo tanto la agitación del producto.
Dos fases de transición entre los dos ciclos, de unos 20º cada una, donde la agitación comienza y cesa.
Figura 21. Sistema de agitación del esterilizador Sterilmatic. Este sistema de agitación es menos eficiente que los que se han escrito con anterioridad, aunque es útil para acortar el tiempo de tratamiento de los productos con suficiente fluidez. En Europa ha tenido más éxito el esterilizador Hydrolock fabricado por la empresa francesa GEC Alsthom. Es un esterilizador continuo formado por una cámara horizontal cilíndrica donde tienen lugar la esterilización y el pre-enfriamiento a presión de los envases y un sistema de exclusa que permite la entrada y salida de los envases al recinto pasteurizado, como se puede ver en la figura 22 (Casp, 1999). La cámara está dividida horizontalmente en dos secciones separadas por un tabique aislante. En la sección superior tiene lugar la esterilización por medio de vapor saturado o de mezcla de vapor – aire comprimido, dependiendo de la rigidez de los envases que se están empleando. A continuación los envases pasan a la sección inferior, a través de una válvula, y se procede a u enfriamiento, a contrapresión, por inmersión en agua hasta que la temperatura en el centro térmico es inferior a 100 ºC. En este momento los envases salen al exterior por la
misma exclusa por la que entraron para iniciar el tratamiento, y pueden ser llevados a una segunda sección de enfriamiento colocada debajo de la cámara cilíndrica
en la que se completara la refrigeración por medio de agua más fría.
Figura 22: esterilizador Hydrolock La temperatura y la presión en la sección superior se mantienen constantes por adición de vapor de agua y aire comprimido. En la sección inferior el nivel de agua se mantiene constante por adición continua de agua fría, que compensan las pérdidas debidas al agua arrastrada por los botes en la exclusa de salida. Esta pérdida de agua es a la vez una eliminación del exceso de calor que ayuda al mantenimiento de la temperatura de la sección de pre enfriamiento. El transporte de los envases por el interior de las maquinas se realiza dentro de unas cestas tubulares horizontales que van conducidas por una guía y arrastradas por unas cadenas de tracción. El conjunto cesta-envases recorre 4-6 tramos horizontales superpuestos en la sección superior y 2 tramos en la sección de preenfriamiento. Cuando se requiere se puede conseguir que el tratamiento se realice con agitación, por medio de unas pistas longitudinales al eje de la carcasa sobre las que rosan los envases, produciéndose así una agitación axial. Este sistema de agitación mejora la penetración del calor en muchos productos como en la leche envasada en botellas de polietileno de alta densidad a 123ºC en 8-10 minutos, por lo que sus características organolépticas son muy próximas a las conseguidas con un tratamiento UHT y que en ningún caso se alcanzaría con un
tratamiento de esterilizador hidrostático, en el que s consigue una penetración de calor mucho más lenta. El diseño horizontal del esterilizador Hydrolock y sus dimensiones contenidas facilitan su instalación en cualquier tipo de nave. El último esterilizador continuo en llegar al mercado ha sido el storklave, de la empresa Stork, cuyo diseño es completamente distinto, como se muestra en la figura 23. Este equipo está compuesto por dos carcasas cilíndricas dispuestas en posición vertical. Una de ellas se dedica a la esterilización y la otra al enfriamiento (Casp, 1999).
Figura 23: esterilizador storklave Los envases llegan a la parte central, entre las dos carcasas, donde se depositan automáticamente sobre unas bandejas sobre una sola capa. En esta bandeja recorrerá todo el esterilizador. Gracias a esta disposición en bandejas se pueden tratar al mismo tiempo envases de altura diferente, siempre que el diámetro sea el mismo y se mantenga prácticamente constante la penetración de calor en los distintos tamaños. Las bandejas cargadas entra en la columna de esterilización a través de una exclusa que impiden la perdida de presión y de vapor. En el interior de la carcasa de las bandejas
son tomadas por un conjunto de 4 árboles
helicoidales giratorios que las hacen descender a la velocidad adecuada para que el tiempo de tratamiento sea el previsto. En la parte mas alta de la columna las bandejas pasan por otra exclusa y son transferidas horizontalmente hasta la parte superior de la carcasa de enfriamiento, donde otros cuatro arboles helicoidales se encargan de que desciendan por dentro de la columna de enfriamiento hasta el plano de descarga. Después de atravesar la exclusa de salidas las bandejas llegan a la zona de descarga donde los envases pasaran al transportador que los dirigirá al resto de la línea de tratamiento. El calentamiento en este esterilizador se produce por medio de vapor de agua, y el enfriamiento por medio de agua fría pulverizada. Si se requiere contrapresión se inyecta aire comprimido (Casp, 1999).
Observación Sobre el Control de la Leche Esterilizada El control de la leche esterilizada ha sido objeto de una norma internacional establecida por la F.I.L. en 1969. Este control comprende el examen de la estabilidad físico-química y el análisis bacteriológico tras una incubación a 30ºC durante 14 días y a 55ºC durante 7 días. La incubación de las muestras antes del análisis es indispensable porque aunque la leche de mala calidad no contiene muchos gérmenes, el examen bacteriológico de una fracción del contenido de una botella puede ser negativo. Es posible sembrar la totalidad de una botella y conviene, por tanto, favorecer con una incubación apropiada la multiplicación de los gérmenes para poder demostrar después su presencia por las técnicas analíticas ordinarias. La incubación a 30ºC está destinada a favorecer el desarrollo de los gérmenes esporulados mesófilos y la incubación a 55ºC permite el desarrollo de los esporulados termófilos.
Al final de la incubación, la leche sometida la test del alcohol no puede manifestar ninguna floculación, la acidez titulable no debe superar los 0.02 g de ácido láctico por litro y el recuento de gérmenes no debe arrojar una cifra superior a 100 por mililitro de leche. Algunos especialistas estiman que esta última condición no es suficientemente severa. Consideran que la tolerancia con respecto al número de gérmenes no debería sobrepasar 5 gérmenes por mililitro a las tres semanas de incubación a 31ºC. Estos gérmenes son capaces de proliferar en la leche (Ventanas, 1988). La aplicación de este doble test es particularmente severa. En efecto, los resultados de los controles efectuados en Francia los últimos años en los laboratorios oficiales e industriales demuestran que la leche esterilizada es generalmente estéril después de la incubación a 30ºC, pero que frecuentemente no lo es después de la incubación a 55ºC. Ahora bien, la leche es siempre estéril a la salida del aparto UHT que la ha calentado durante unos segundos a 135-145ºC. Hay que admitir, por tanto, que los esporos, después de haber resistido al calentamiento final de las botellas, contaminan la leche en el momento en que estas salen del preesterilizador y el momento en el que son cerradas. El mecanismo de contaminación puede resumirse como sigue: En las llenadoras actuales es imposible destruir por el agua caliente y los agentes de limpieza los esporos que puedan encontrarse en ellas. Su destrucción impondría un tratamiento prolongado del material por vapor a presión. Por otra parte, durante la operación, la leche entra en contacto con el aire y, por tanto, es imposible evitar la contaminación de los esporos por la atmósfera. Ahora bien, al comienzo de una fabricación, los esporos que han escapado a la limpieza, o que han sido aportados por el aire, germina en la leche UHT. La primera división celular no se dilata más de una hora. Posteriormente, las células vegetativas de los gérmenes termófilos se multiplican en todo el circuito que separa el aparato UHT de la envasadora, en el que la temperatura es de 65-70ºC.
A partir de la sexta hora de fabricación ya aparecen esporos en la envasadora; en este momento la concentración de células alcanza en ciertos puntos 10 7 a 10 8/ml, es decir, se encuentra al final del proceso logarítmico. La esporulación queda facilitada por la aireación de la leche en la envasadora y por la formación de espuma. Una vez recomenzada la esporulación y en las horas siguientes, el número de esporos de gérmenes termófilos aumenta sin cesar. El número de botellas no estériles después de la incubación a 55ºC crece de manera paralela. Al final de la fabricación, los esporos formados en el circuito son eliminados por la limpieza, pero siempre queda un número suficiente que recontamina la leche al empezar de nuevo la fabricación. ¿Cómo romper éste ciclo de contaminaciones? Hay que interrumpir la fabricación cada 6 horas para impedir la esporulación, diluyendo la suspensión de células por limpieza del circuito. Las células que subsisten tienes que multiplicarse antes de esporular. Esta ruptura del ciclo parece ser la solución para reducir la esporulación de los gérmenes termófilos, cuya presencia es actualmente inevitable, a un nivel suficientemente bajo como para que la calidad bacteriológica de la leche esterilizada sea satisfactoria (Ventanas, 1988).
Control Rápido Los inconvenientes de un sistema de control, cuyos resultados no se conocen hasta las dos semanas, son evidentes. Por eso se realiza un control rápido tras la incubación de los recipientes a 37ºC durante 48h. Al final de este periodo de espera se efectúa un examen organoléptico, de la acidez y de la prueba de alcohol. Estos tres test deben dar resultados idénticos a los obtenidos después de la esterilización para la misma leche. Por consiguiente, en el caso de las leches esterilizadas en los recipientes, el test de enturbiamiento permite verificar si las leches han sufrido la ebullición.
El método recomendado por la F.I.L. se basa en el test de Aschaffenburg, consistente en determinar la presencia eventual de proteínas del lactosuero no desnaturalizadas en una leche esterilizada que haya satisfecho las condiciones expuestas anteriormente. Esta determinación se basa en el examen visual tras 5 minutos de ebullición del filtrado obtenido a partir de una muestra de leche a la que se ha añadido una cantidad dada de sulfato amónico. Después de su refrigeración, el filtrado permanece limpio cuando la leche considerada no contiene proteínas solubles no desnaturalizadas. Por lo tanto la leche ha sido calentada por el procedimiento tradicional (Ventanas, 1988).
PROVENIR DE LA LECHE ESTERILIZADA Numerosos trabajos han demostrado que la leche esterilizada no altera prácticamente su valor nutritivo. Las vitaminas A, B 2 y D se conservan totalmente. La vitamina B 1 se destruye en un 20 ó 30%, pero conviene recordar que la leche de vaca, en estado crudo, contiene dos o tres veces más vitamina B 1 que la leche de mujer. Finalmente, la vitamina C desaparece en parte pero, en último término, la leche no constituye una fuente importante de esa vitamina, que fundamentalmente en ingerida con las frutas. En lo que se refiere a su digestibilidad, la leche esterilizada presenta gran interés. En primer lugar, el reparto uniforme de la grasa en pequeños glóbulos facilita la acción de las lipasas digestivas. Por ello, la homogenización deberá extenderse en el tratamiento de leche pasteurizada. Por otra parte, favorece la digestión del producto para los niños. En efecto, el coágulo presenta el aspecto de finas partículas de naturaleza porosa, mientras que el de la leche cruda es más voluminoso y más compacto. El comportamiento de la leche pasteurizada, a este respecto, se aproxima más al de la leche cruda que al de la leche esterilizada. En el pasivo de la leche esterilizada debe anotarse el riesgo de putrefacción una vez abierto el recipiente. Los gérmenes de polución, frecuentemente proteolíticos, no se ven frenados por la presencia de una flora láctica residual, como ocurre en
la leche pasteurizada. La leche esterilizada se halla indefensa frente a la putrefacción (Ventanas, 1988). A pesar de ser un poco más cara, la leche esterilizada tiende a extenderse, desde hace algunos años, esto se debe probablemente a su facilidad de consumo. El comprador puede comprar de una sola vez toda la leche que necesita durante muchos días, ya que su conservación no exige ninguna precaución especial. Es interesante observar que en Inglaterra y en Bélgica, la venta de leche esterilizada se ha generalizado en los núcleos obreros, es decir, en aquellos lugares donde las amas de casa suelen trabajar fuera del hogar y disponer por ello menos tiempo para sus compras. En 1974, la producción de leche esterilizada no representaba más que un tercio de la producción de leche pasteurizada. El actual desarrollo de las técnicas UHT deberá modificar esta situación en favor de las leches de larga conservación. A veces esta evolución no es necesariamente incompatible con la expansión de la leche pasteurizada de alta calidad cuyos caracteres organolépticos son incomparables y cuyo período de conservación se encuentra considerablemente alargado con relación a la de la leche pasteurizada ordinaria (Ventanas, 1988).
LECHES AROMATIZADAS Son bebidas esterilizadas, preparadas previamente, constituidas exclusivamente por leche descremada o no, adicionadas con sustancias aromáticas naturales. Las leches aromatizadas con chocolate o cacao pueden ser puestas a la venta bajo la denominación de leche chocolateada o leche al cacao. La fabricación de leches aromatizadas, presenta un gran interés porque representa un incremento del consumo de leche natural. En efecto, muchos individuos experimentan cierta inapetencia frente a la leche pura, producto que, por otra parte, es considerado como un alimento con un bajo, a causa de su color
blanco y de sus caracteres organolépticos. La aromatización permite paliar este inconveniente. El producto actualmente más extendido es la leche con la adición de chocolate, su técnica de fabricación consiste en lo siguiente: Se parte de la leche semidesnatada (10 a 15g de materia grasa por litro), a la que se añade un 1.5 ó 2% de cacao perfectamente soluble y un 5 ó 6% de sacarosa. Se pueden añadir igualmente cantidades muy pequeñas de vainilla y de cloruro sódico para enmascarar el sabor aromático del cacao. Estas cantidades deben ser determinadas por sucesivos ensayos hasta dar con el gusto final deseado. Por último es necesario añadir un estabilizador para mantener en suspensión el cacao. Se emplea alginato de sodio o pecina, a la dosis del 0.5 – 1%, o almidón purificado, tipo Maizena, a la dosis de 4 –5%. El último producto citado tiene la ventaja de espesar ligeramente la leche (Ventanas, 1988). Para facilitar la disolución o suspensión de los elementos de la mezcla se recomienda preparar primero, en caliente, una mezcla concentrada. Se añaden, por ejemplo, a 100 litros de leche la totalidad del azúcar, del cacao, del estabilizador, etc. Previstos para 1000 litros de producto final. Luego, agitando, se calienta durante 20 minutos. Finalmente, se diluye esta mezcla con el resto de la leche. El total se calienta a 85ºC durante 30 a 45 minutos y se homogeniza, embotella y esteriliza a 115ºC durante 20 minutos. Si las leches al cacao, al café o al caramelo pueden sufrir la esterilización sin inconvenientes, no ocurre lo mismo con las leches aromatizadas con frutas o con esencias de frutas, cuyos caracteres organolépticos se ven alterados durante el calentamiento prolongado a alta temperatura. Por ello, se tratan separadamente los productos aromatizantes mediante técnicas capaces de eliminar todos los microorganismos (ultra-filtración, tindalización, etc.) y que preservan sus
caracteres organolépticos. Después se realiza asépticamente la mezcla con la leche esterilizada y refrigerada (Ventanas, 1988).
LECHE CONCENTRADA ESTÉRIL Es una leche de menor concentración que la precedente, ya que solamente se le ha eliminado un 45% del agua. Para garantizar la estabilización final del producto en necesario esterilizarlo después del envasado, de la misma manera que se hace con las conservas de frutas o legumbres. La leche normalizada es, en primer lugar, pasteurizada a alta temperatura durante unos segundos. No sólo se destruye así la mayoría de los microorganismos y enzimas, sino que también se evita la coagulación de la leche concentrada, en los botes durante la esterilización. Se alcanzan corrientemente temperaturas de pasteurización próximas a 105 y 110ºC y, en ciertos casos, 120 y de 130ºC. Estas temperaturas se mantienen durante 30 segundos. La leche seguidamente es evaporada hasta que su densidad alcance 1.15. Luego se homogeniza para que la materia grasa no se separe durante el almacenamiento. Esta operación provoca la pulverización de las micelas de los prótidos parcialmente coagulados en el curso del precalentamiento, lo que se traduce en el incremento de la viscosidad de la leche que adquiere una consistencia untuosa. También la digestibilidad del producto es aumentada por la homogenización. A la salida del homogeneizador, la leche es dirigida a un refrigerador, preferiblemente resguardad del aire, para evitar contaminaciones. Hay que alcanzar una temperatura de 7 a 8ºC para impedir el desarrollo microbiano, ya que el producto no es estéril.
La refrigeración debe ser rápida, no siendo de temer por la cristalización de la lactosa por existir agua suficiente. Cuando se parte de una leche cruda de mediana calidad, se añaden en el curso de la esterilización sales estabilizantes a bajas dosis, tales como citrato o fosfato sódico, con el objeto de modificar el equilibrio salino y aumentar su capacidad tampón. La leche concentrada no azucarada es envasada automáticamente en botes cilíndricos de 170 ó 410g. Conviene hacer circular estos botes por un baño de agua a 80ºC para poder eliminar aquellos que no estén herméticamente cerrados, detectándolos por burbujas que salen de los mismos. La esterilización se realiza en autoclaves calentados por vapor que pueden contener hasta 2000 botes. Estos se colocan en cestos que pueden adosarse en el interior de la autoclave a un eje móvil. Los intercambios calóricos tienen lugar, de este modo, a mayor velocidad y basta con un calentamiento de 115ºC durante 20 minutos (Ventanas, 1988). El enfriamiento final se efectúa en tanques de agua fría, o más sencillamente en las mismas autoclaves, que se llenan de agua después de haber expulsado todo el vapor de calentamiento. Se recomienda descender la temperatura a 20ºC durante 15 minutos. Cuando después de llenado no se retiran los botes no herméticos, se debe someter el conjunto de fabricación a una incubación durante dos o tres semanas a 25-27ºC con objeto de descubrir aquellos botes donde ha ocurrido fermentación. Se reconocen no sólo porque se abomban por el fondo, sino también por el ruido característico que hace la leche coagulada cuando se agita el bote (Ventanas, 1988).
Para fabricar una caja de 48 botellas de leche concentrada estéril, 19680 kilogramos, se necesitan de 43 a 46 litros de leche. Entre los defectos de fabricación citaremos las leches concentradas estratificadas en las que la homogenización no ha sido correcta y las leches, más o menos coaguladas, que aparecen si la agitación durante el tratamiento térmico ha sido insuficiente, o si la corrección del equilibrio salino por medio de las sales estabilizadoras no se realiza de manera adecuada. Las alteraciones se deben siempre al crecimiento microbiano que origina la acidificación y facilita el cuajado de la misma (una leche normal no supera los 40ºD), así como el abombamiento característico cuando la proliferación de los gérmenes contaminantes se acompaña de desprendimiento de gas. Se recomienda que el almacenamiento de la leche concentrada estéril se efectúe en un local a baja temperatura (inferior a 15ºC). Durante el almacenamiento se observa a veces un espesamiento de la leche concentrada que puede llegar a la coagulación. Durante mucho tiempo se ha atribuido este fenómeno a reacciones de asociación entre las caseínas y las proteínas del lactosuero. Ahora bien, se admite actualmente que la fase micelar es la única responsable del fenómeno. El espesamiento va acompañado de cierta pérdida de la estabilidad de las caseínas en presencia de calcio. Si la caseína χ a segura la estabilidad de las otras caseínas
frente al calcio, puede pensarse que esta fracción sufre un proceso degradativo en el almacenamiento. El aumento del nitrógeno no proteico durante el almacenamiento, observados por varios autores parece confirmar esta hipótesis. Esta degradación va acompañada del desenmascaramiento se grupos SH que forman enlaces –S-S- provocando la aglomeración de las micelas. El papel de los grupos SH puede evidenciarse con la
