Pasteurización de alimentos - Selección de materiales del proceso de pasteurización de la cerveza. a
b
Peña Rincón F. A , Molano J. P. a
[email protected] [email protected],, b
[email protected] [email protected] o Curso - Ingeniería de Materiales Facultad de Ingeniería y Arquitectura, Arquitectura, Departamento Departamento de Ingeniería Ingeniería Química, Química, Universidad Universidad Nacional, Nacional, Manizales, Colombia
11 Junio 2014 RESUMEN
Diferentes procesos térmicos y de pasteurización utilizados en la industria de alimentos son mostrados. El efecto del calentamiento sobre los microorganismos, enzimas y el contenido nutricional es analizado. Se explica el proceso de producción de cerveza y su paso por un proceso de pasteurización HTST. HTST . Se realizó una selección de materiales mate riales del equipo integrado de de pasteurización de cerveza en cuanto a aspectos como corrosión y seguridad. Pasteurización, esterilización, esterilización, preservación, preservación, materiales materiales Palabr as Clave Cl ave:: Pasteurización,
1. Introducción
El procesamiento de alimentos ha marcado una de las grandes preocupaciones por las cuales se desarrollan y mejoran tecnologías de tratamiento y conservación, con el fin de obtener productos adecuados para su consumo. Existen varias razones por las cuales los alimentos se someten a procesos de calentamiento, una de las principales es inactivar microorganismos patogénicos o que deterioren el alimento. Otra razón incluye la inactivación de enzimas, pues diferentes reacciones pueden ser catalizadas por la presencia de estas, convirtiendo el alimento inaceptable para su consumo [1]. Los procesos térmicos surgen como respuesta a la necesidad de extender el tiempo de vida de algunos alimentos como el vino, la leche y la cerveza.
caci ón del pr oceso oceso té r mi co 1.1 Cl asif i cación 1.1.1 Según su intensidad Dependiendo de su intensidad, los procesos de preservación térmica están clasificados en dos categorías [2]:
a. Pasteurización: proceso de calentamiento a condiciones relativamente leves de temperatura (70 – 100°C). Se destruyen células vegetativas de microorganismos pero tiene casi un efecto nulo sobre esporas. b. Esterilización: proceso de calentamiento a altas temperaturas (por encima de 100°C) con el objetivo de destruir todas las formas de microorganismos, incluyendo esporas. La esterilización solo proporciona una conservación a largo plazo de los alimentos, con la condición de que se evite la recontaminación con buen empaquetamiento. La pasteurización, por otro lado, sólo proporciona estabilidad a corto plazo o si se requiere eficacia a largo plazo, otros factores de preservación como refrigeración o pH bajo deben ser tenidos en cuenta. Los siguientes son algunos casos en los que la pasteurización da resultados satisfactorios [2]: -
El objetivo del proceso es destruir los agentes patógenos no formadores de esporas (por ejemplo, Mycobacterium tuberculosis, Salmonella, Listeria).
-
El producto está destinado al consumo dentro de un corto periodo de tiempo después de la producción y se distribuye bajo refrigeración.
-
La acidez del producto es suficientemente alta (pH < 4.6) para prevenir el crecimiento de patógenos formadores de esporas, como Clostridium botulinum (zumos de frutas, frutas enlatadas y encurtidos).
-
El objetivo del proceso es evitar la fermentación “salvaje” y/o detener la fermentación (vino, cerveza).
1.1.2 Según el tipo de calentamiento Las diferentes técnicas y equipos desarrollados dependen en gran medida del tipo de calentamiento que se le realiza al alimento. El tipo de calentamiento puede ser directo o indirecto. El calentamiento directo se da cuando se hace pasar vapor por el alimento y el contacto de estos dos medios es directo (se mezclan). El vapor puede pasar a través del producto y este método se conoce como inyección de vapor o vapor en producto. Cuando el producto es bombeado en una cámara de vapor como un spray, el proceso se conoce como infusión o producto en vapor [1]. Los métodos indirectos de calentamiento se pueden dividir en dos nuevos subgrupos de acuerdo al momento de calentar el producto dentro de la secuencia del proceso en planta, -el
procesamiento térmico en contenedores cerrados herméticamente y – el procesamiento térmico de alimentos a granel antes del empaquetamiento (ver Tabla 1). 1.1.3 Según el tiempo y temperatura de calentamiento Diferentes procesos han sido desarrollados en cuanto al tiempo al que debe exponerse el alimento para obtener un producto de buena calidad y con el mayor porcentaje de eliminación de microorganismos incrementando el tiempo de vida del mismo. Dicho esto, el tiempo y la temperatura de calentamiento del producto deben ser adecuados para obtener una gran eliminación de agentes patógenos o microorganismos indeseados. Sin embargo no solo esto basta, pues la relación temperatura-calidad del producto es uno de los principales factores a la hora de elegir entre una tecnología u otra. Tabla 1. Clasificación de procesos térmicos según la forma de calentamiento y esquema secuencial del procesamiento (Adaptado de [2])
Procesamiento en el empaque
Procesamiento a granel Llenado en caliente
Llenado aséptico
Alimento
Alimento
Alimento
Precalentamiento
Calentamiento
Calentamiento
Llenado
“Holding”
“Holding”
Agotamiento
Llenado en caliente
Enfriamiento
Sellado
Sellado
Llenado aséptico
Calentamiento en el empaque
Enfriamiento en el empaque
Sellado aséptico
Enfriamiento en el empaque
Los procesos térmicos aplicados en función de la relación temperatura/tiempo pueden ser: LTLT (Low Temperature Long Time) donde se utilizan tiempos de calentamiento de alrededor de 2 a 30 minutos o más, a temperaturas leves (50 – 70 °C). HTST (High Temperature Short Time) o pasteurización “flash” utiliza tiempos de unos pocos segundos (10 – 40 s) a temperaturas (> 70°C). El proceso UP (Ultrapasteurización) lleva el producto a temperaturas mayores (> 90 -
138 °C) con tiempos (0.01 – 4 s). UHT (Ultra-High Temperature) hace parte de un proceso de esterilización donde el producto se mantiene a temperaturas elevadas (por ejemplo 138°C para la leche) por alrededor de 2 segundos [1, 3, 4] y luego es empacado asépticamente. Es importante resaltar que el tiempo y la temperatura del tratamiento afectan de las características fisicoquímicas y tiempo de vida del producto (ver Fig. 1). Como consecuencia de esto se pueden requerir diferentes condiciones que no necesariamente se encuentran dentro de los rangos anteriormente mencionados [1]. 22
20
UHT
18
HTST
) % ( 16 a d d i d r 14 e P 12
10
8 Tiamina
Vc
B1
B6
B9
B12
Vitaminas Fig. 1. Influencia del proceso UHT y HTST en la pérdida de vitamina B de la leche (Adaptada de [6]).
1.2 Al im entos pasteur izables Desde la aparición de los procesos térmicos para el tratamiento de productos como el vino y gracias a la identificación de la problemática de conservar y erradicar enfermedades (como tuberculosis) por consumo de alimentos, diferentes estudios se han realizado para expandir dicho tratamiento a gran cantidad de alimentos, con el objetivo de aumentar las posibilidades de presentación y consumo de los mismos. Los procesos de pasteurización se pueden aplicar a los siguientes alimentos: leche, bebidas basadas en leche, cremas, helado, huevos líquidos, jugos de frutas, bebidas basadas en frutas, tomates, cervezas y vinos.
2. Pasteurización de Cerveza – descripción del proceso
La cerveza tradicional proviene de un proceso de fermentación en el cual se usan materias primas tales como cebada, malta y trigo. El producto final de la fermentación es una bebida de carácter alcohólico y gaseoso con bajo pH (4 - 5). El proceso comienza con la molienda de los granos de cebada y trigo, los cuales se mezclan con agua y demás nutrientes en una cuba (fermentador) al cual se agregarán las levaduras que inician el proceso de fermentado. El producto filtrado es enviado al proceso de pasteurización. Las condiciones para la pasteurización de la cerveza son aproximadamente 75 º C durante 30 segundos. Para evitar la ruptura de gas y asegurar que alrededor de 2.2 volúmenes de CO2 se conserven hasta una temperatura de 78 ° C se requiere una presión mínima de equilibrio de hasta 7.5 bar [1]. Es común pasteurizar la cerveza en contenedores sellados (como botellas o latas) aunque también es posible hacerlo en un proceso con intercambiadores de calor de platos. Este último proceso presenta una eficiente recuperación de energía debido a la configuración de los flujos aunque requiere condiciones asépticas en todos los equipos hasta el proceso de llenado. A continuación se muestra un esquema del proceso y la disposición de aprovechamiento energético (ver Fig. 2, Fig. 3).
Fig. 2. Esquema simplificado de recuperación energética de un pasteurizador [7].
Cold
Ice
Water
Water
Beer fermented
Beer pasteurized
Condensate
Fig. 3. Trazado de un típico pasteurizador HTST (por Tetra Pak en [8]).
3. Selección de Materiales
En lo que se refiere a la industria de alimentos, los materiales de los equipos en contacto con los productos deben tener lo más altos estándares. Los aceros inoxidables son los materiales más utilizados en la industria de alimentos pues son ideales para dicha industria [9]. Actualmente el 30% de todo el acero inoxidable producido se destina al sector se alimentos y bebidas [10]. Además la cerveza es un producto que a largo plazo genera corrosión (por su moderada acidez) sobre la superficie de los materiales con que se encuentre en contacto, por esta razón el uso de un acero inoxidable, en todos los equipos y líneas de flujo dentro del proceso de pasteurización, es preferido sobre otros materiales. Para las demás partes del proceso integrado de pasteurización que no tienen ningún tipo de contacto con los alimentos como: el sistema de control y los soportes estructurales de los equipos, se pueden utilizar otro tipo de aceros de responsabilidad estructural. 3.1 Selección del tipo de acero inoxidable Dadas las características previamente mencionadas, el acero necesario para cumplir la función requerida, en este caso la construcción de equipos para pasteurización de alimentos,
específicamente tratada en el presente trabajo la pasteurización de cerveza, tiene que ser un material con una resistencia mecánica alta primero que todo, ya que serán construidos recipientes y tuberías de gran capacidad; segundo tiene que tener la capacidad de trabajar con cambios de temperaturas repentinos, que irían aproximadamente desde los 70 °C hasta los 5 °C en cuestión de minutos o segundos; también al trabajar con sustancias de un pH acido, debe tener una resistencia a la corrosión considerable y al mismo tiempo, tener la capacidad de ser moldeado en forma de tuberías y recipientes. Dadas estas especificaciones, y revisando los muchos tipos de aceros inoxidables existentes, sacando las características de cada uno de ellos, dimos con la mejor opción para nuestro equipo en cuestión: Acero Inoxidable AISI 304 3.1.1
Acer o I noxidable AI SI 304
El acero inoxidable AISI 304 es una aleación de hierro con una composición aproximada de 18% de cromo y 8% de níquel. Sus características se obtienen mediante la formación de una película adherente e invisible de óxido de cromo. La aleación 304 es un acero inoxidable austenítico de uso general, es decir es una aleación ferrosa que presenta microestructura predominantemente austenítica, estabilizada por la gran cantidad de elementos gamagenos, que son principalmente níquel, manganeso, nitrógeno y carbono, siendo que en la aleación resistente a la corrosión y en las ligas resistentes a temperaturas extremas en el cual el principal papel del carbono no es el de estabilizar la austenita o acero gamma, sino el de garantizar la resistencia mecánica [11]. Dicho acero cuenta con una estructura cúbica de caras centradas o FCC. Es esencialmente no magnético en estado recocido y sólo puede endurecerse en frío. Su bajo contenido en carbono con respecto a otras aleaciones como la 302 le otorga una mejor resistencia a la corrosión en estructuras soldadas. Cuenta con una resistividad eléctrica de 70 a 72 µOhm*cm lo cual comparado con otros metales como la plata y el cobre, tiene una gran capacidad de oponerse al paso de la corriente eléctrica. Tiene una densidad de 7,93 g/cm³ lo cual le da una gran resistencia mecánica. Otras de sus propiedades mecánicas son un porcentaje de alargamiento de <60%, un módulo de elasticidad entre 190 y 210 GPa, una resistencia a la tracción entre 460 y 1100 MPa y una conductividad termina a 23ºC de 16,3 W/m*K. Dichas características permiten cumplir con los requisitos necesarios para la fabricación de los equipos necesarios para la pasteurización de la cerveza, dado que pueden ser fácilmente moldeados y
soldados, en este caso en forma de tanques y tuberías y la adición del cromo le ayuda en la resistencia contra la corrosión [12]. Dada la tendencia ácida de la cerveza, otra alternativa común la construcción de estos equipos es utilizar acero inoxidable AISI 316, el cual, en su gran mayoría, cuenta con las mismas características del acero 304, exceptuando por una adición de Molibdeno lo cual le da una mayor resistencia a la corrosión con respecto. 3.2 Pr oceso de f abr icación de tuberías de acero Para producir tubos largos de acero inoxidable se realizan los siguientes pasos: -
La materia prima almacenada en rollos es llevada a una desenrrolladora y niveladora y la lámina es cortada en tiras.
-
La laminilla es llevada el proceso de calibración y rolado del tubo donde es soldado longitudinalmente para cerrar el tubo que pasa por control de calidad.
-
Estos continúan hacía un proceso de recocido y enfriamiento con agua.
-
Se realiza un proceso de dimensionamiento del tubo y este es cortado y sometido a un proceso de enderezado.
-
Luego de pasar por el último control de calidad está listo para ser vendido.
4. Resultados
Luego de la selección de los materiales, podemos observar (ver Fig. 4) que mayormente el equipo está diseñado en acero inoxidable y por lo tanto la sección 3 se centra en la selección del tipo de acero inoxidable. Aunque existen otros materiales estos se encuentran en menor proporción no fueron tenidos en cuenta pues no hacen parte del proceso crítico de selección. 5. Conclusiones
La selección de materiales para el diseño de los equipos es clave para salvaguardar la vida útil del equipo sometido a esfuerzos mecánicos y ambientes químicos que desgastan y obligan al mantenimiento de los mismos. Una mala elección de los materiales de los equipos, específicamente en el proceso de pasteurización, puede provocar cambios sensoriales sobre la bebida, que afecta la calidad del producto y puede tener implicaciones legales en caso de tener
efectos adversos sobre la salud, además se pueden aumentar los tiempos de mantenimiento de los equipos incrementando así los costos en la planta.
Por otro lado, un sobrediseño es
innecesario pues aunque el tiempo de vida del equipo y la calidad del producto se vean beneficiadas, se generaría un gasto innecesario lo cual es importante en ingeniería. Los aceros inoxidables son materiales adecuados en la industria de alimentos en especial la serie de aceros inoxidables 304 y 316.
Fig. 4. Pasteurizador HTST de alimentos hecho de acero AISI 304 (por INOXPA Colombia SAS) [13].
6. Referencias [1] Michael Lewis, Neil Heppell. Continuous Thermal Processing of Foods Pasteurization and
UHT Sterilization. Aspen Publishers, Inc. (2000). [2] Zeki Berk. Food Process Engineering and Technology. Food Science and Technology International Series. First edition 2009. Copyright © 2009 Elsevier Inc. [3] David Scott. UHT Processing and Aseptic Filling of Dairy Foods (2008). Kansas state university, Manhattan, Kansas.
[4] Jorge A. W. Gut, Jose M. Pinto. Optimal Design of Continuous Sterilization Processes with Plate Heat Exchangers (pág. 919 - 924). European Symposium on Computer Aided Process Engineering-15. Editors, L. Puigjaner and A. Espuña. Elsevier (2005). [5] Información consultada 9/06/2014 disponible en: [http://www.niroinc.com/gea_liquid_ processing/food_dairy_beverage.asp]. [6] Jana Momani, Ahmad Natsheh. Raw Milk - Production, Consumption and Health Effects. Nova Science Publishers, Inc. (2012) [7] Helena F. Aguiar, Jorge A.W. Gut. Continuous HTST pasteurization of liquid foods with plate heat exchangers: Mathematical modeling and experimental validation using a time – temperature integrator. Journal of Food Engineering 123 (2014 ) 78 – 86. [8] M. J. Lewis, H.C. Deeth. Heat Treatment of Milk (2008). [9] Euro Inox. Stainless Steel in the Food and Beverage Industry. Materials and Applications Series, Volume 7, 2006.Disponible en: [http://www.euro-inox.org/pdf/map/StSt_in_Foodand Beverage_EN.pdf]. [10] Información consultada 10/06/2014, disponible en: [http://aplicainox.org/alimentaria/]. [11] Información consultada 11/06/2014, disponible en: [http://www.slideshare.net/atejedor/ aceros-austenticos]. [12] Información consultada 11/06/2014, disponible en: [http://www.goodfellow.com/S/AceroInoxidable-AISI-304.html]. [13] Información consultada 11/06/2014. Disponible en: [http://www.inoxpa.co/productos /producto/pasteurizador-htst].
