1 Informe - Sensores

Evaluacin del Tratamiento Trmico de Alimentos Dra. Carmen Velelzmoro

Evaluacin del Tratamiento Trmico de Alimentos Hernn Sotelo Morales

James Euler Villar Estrada

Juan Jos Torres Martnez

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA

LA MOLINA

ESCUELA DE POSGRADO

MAESTRIA EN TECNOLOGIA DE ALIMENTOS

CALIBRACIN DE SENSORES DE TEMPERATURA

PROFESORA : DRA. CARMEN VELEZMORO

ALUMNOS :

Sotelo Morales, Hernn Moiss

Torres Martnez, Juan Jos

Villar Estrada, James Euler

La Molina, 2012





I. Introduccin

Durante los ltimos aos, ha habido un aumento significativo en el uso de sistemas de control

digital en la industria de fabricacin de alimentos. Las tareas adicionales con los que los

controladores digitales estn cargadas de hacer su funcin mucho ms compleja de lo que los

sistemas electro-neumtico-mecnicos que sustituyen. Posibles fallas en el sistema de control

pueden afectar al operador y la seguridad del proceso. Un control adecuado de las medidas de

validacin del sistema puede evitar este tipo de fallas potencialmente trgicas.

La validacin se define como un mtodo bien diseado y sistemtica para asegurar que un sistema

realiza de acuerdo con las especificaciones de diseo pre-definidas. La validacin del sistema de

control ha sido reconocida como fundamental en las industrias farmacuticas y de dispositivos

mdicos, donde las implicaciones en los productos para la seguridad de mal funcionamiento del

sistema de control son bastante evidentes. Se ha reconocido que la validacin del sistema de control

debera ser una parte de los procesos modernos de fabricacin de alimentos (NFPA, 1990). Sin

embargo, no est claro que lo que los fabricantes de alimentos a nivel de entender la importancia de

la validacin del sistema de control y que la validacin del sistema de control debe ser parte de un

programa de buenas prcticas de fabricacin. Para nuestro conocimiento actual, no existe

informacin publicada sobre las opiniones y prcticas de la industria de fabricacin de alimentos

con respecto al control de validacin del sistema.

II. Objetivos

Calibrar los sensores a emplear en las pruebas de distribucin de temperatura.

Aprender a usar sensores inalmbricos.

III. Fundamento Terico

3.1 Sensores de Temperatura

La medicin de la temperatura en un punto seleccionado del producto en el envase es de suma

importancia para la determinacin de proceso. Los sensores de temperatura son generalmente

termopares de varios tipos.

El sistema de termopares Ecklund (Ecklund personalizado termopares, Cape Coral, FL, EE.UU.) es

ampliamente utilizado, ya que cada termopar est diseado para colocar el elemento sensor en el

punto ms apropiado para el tamao del contenedor. Un tamao estndar es de 1,6 mm de dimetro,





hecho de cobre-constantano (copper/45% aleacin de nquel) tipo T. Para alambres de trabajo muy

precisas finas se utilizan para reducir los errores de conduccin.

Hay varios tipos de sistemas disponibles: (a) termopares moldeados de aislamiento de baquelita

rgida, que estn disponibles para adaptarse a los tamaos pueden especficas, (b) de acero

inoxidable termopares agujas, que son relativamente delgados y rgidos; (c) termopares flexibles

que se puede utilizar para medir la penetracin de calor en el centro de materiales en partculas, y

(d) los productos a medida termopares, de varilla rgida-en-tubo tipo, que puede hacerse a cualquier

longitud adecuada. El sistema permite que el termopar se inserta antes del llenado, con un montaje

no se proyectan con el plug-in de las instalaciones para los conductores.

Los termopares se puede conectar adecuadamente a cualquier de registro de datos del sistema o PC,

y programas especiales pueden ser introducidos para dar los parmetros de penetracin de calor, FH

y J, as como F0 valor. En Europa, mientras muchos laboratorios utilizan el sistema Ecklund, un

sistema alternativo, el calor Ellab sistema de penetracin, es ampliamente utilizado (Ellab A/S,

Copenhague, Dinamarca). Esto tiene termopares tipo T y tiene un sistema dedicado para los

parmetros de fn y j. El sistema utiliza recipientes autorroscantes que se colocan en una abertura en

el recipiente lleno y cerrado. Una empaquetadura con un accesorio de compresin permite la

ubicacin del sensor termopar en el punto apropiado (Eisner 1976).

El desarrollo histrico de la materia, que se ha movido rpidamente con el desarrollo de dispositivos

electrnicos y de hecho muchos dispositivos anteriores de la fecha, ha sido tratado por Charlett

(1955), Holdsworth (1974, 1983, 1985), May y Cossey (1989), y May y Withers (1993).

Durante muchos aos el principal problema era para medir la temperatura dentro de las latas estn

procesando en la coccin continua, por ejemplo, esterilizadores rotativos y cocinas hidrostticas.

Diversos dispositivos, incluyendo la radiotelemetra se utilizaron, con xito limitado. Sin embargo,

ms recientemente, un dispositivo con el encapsulado de datos de registro de las instalaciones, la

unidad de bolas Datatrace, se ha convertido disponible (Datatrace Divisin, Mesa Medical Inc.,

Denver, CO, EE.UU.). Esto puede ser instalado en el interior de la lata para la penetracin de calor

interno o puede pasar por la olla a la medicin de la temperatura ambiental. La unidad consta de un

completamente autnomo en miniatura ordenador / sensor de temperatura. La versin Micropack

tiene un cuerpo cilndrico en 1,38 de dimetro y longitud variable 2,16 a 6,16 en, con una sonda de

1-5 en tiempo.





La temperatura es un termistor, con un rango de 10 a 150C El ordenador puede almacenar un

mximo de 1.000 lecturas y registros en las frecuencias entre 1 por segundo y 1 por da. El

rendimiento de esta unidad ha sido examinado a fondo y ha demostrado ser fiable para medir la

temperatura en los alimentos enlatados (May y Cossey 1989; mayo de 1991, 1992).

George y Richardson (2001) han descrito un sensor de temperatura no invasivo, que utiliza un

inductor-condensador pasivo electrnico de partculas (





Los errores no son importantes en las primeras etapas de calentamiento antes de que la temperatura

tenga un efecto letal significativo, sin embargo, son importantes durante el resto del procesamiento.

Es tambin importante observar que la conductividad trmica del hilo de cobre es 17 veces mayor

que la del constantano y, en consecuencia los errores de conduccin principales ocurrir con el

alambre de cobre.

Zang et al. (2002). han estudiado el efecto del tipo de termopar y receptculo de la FH-valor en un

paquete de pollo / salsa que muestra las caractersticas de la conduccin de alimentacin, en el ao

202 204 y 211 300 latas. Se usaron tres tipos de termopar, Flexible, con recipientes de acero

inoxidable, y con recipientes de plstico, este ltimo tiene dos termopares aguja de acero

inoxidable. El mayor valor de la JH-1.48 se observ para los recipientes de plstico, y la ms baja

para el fh recipiente de acero inoxidable. El ms alto fh de 22,4 min se observ para los

termmetros flexibles.

Ecklund (1956) investig los termopares que l haba diseado, y los compararon con un estndar

de termopar, en el supuesto de que ste era libre de error. l encontr que el error se asocia

principalmente con el factor j retraso e ide una tabla de factores de correccin que debe aplicarse

para el uso de sus termopares. Cowell et al. (1959) investig los errores de conduccin en los

termopares simples, utilizando tanto los resultados tericos y experimentales. Se encontr que haba

un error insignificante, con alambres muy delgados de un espesor de 40 swg (0.122 mm) de

dimetro en comparacin con cables ms gruesos 27-20 swg (Desde 0.42 hasta 0.91 mm). Tambin

se ha confirmado (1956) Ecklund de trabajo con respecto al efecto sobre el j-valor, sin embargo, se

encontr que la tasa de f calefaccin factor fue afectada tambin cuando ms gruesos cables se

utilizaron.

Para el trabajo de precisin, especialmente con la fase de enfriamiento, se recomienda que los

cables de baja conductividad trmica se utilicen, en lugar de cobre. Hosteler y Dutson (1977)

mostr una dependencia similar en el tamao del cable durante la coccin de las muestras de carne.

Beverloo y Weldring (1969) examinaron el efecto de los materiales de construccin del termopar y

el modo de reunin y se encontr que el efecto de los errores en el valor de F0-era muy baja. La

sobreestimacin de la temperatura durante el calentamiento se compens durante el enfriamiento.

Packer y Gamlen (1974) examin el retardo de transferencia de calor desde los alrededores al

elemento sensor en paquetes de calefaccin por conveccin. Se ide un anlisis matemtico para





determinar la magnitud del error. Un modelo de elementos finitos fue desarrollado por

Kanellopoulos y Povey (1991) y los resultados se compararon con los de un termopar tipo T con

cables de dimetro 0,56 mm (24 swg). Consideraron que la temperatura durante la fase de

calentamiento puede estar sobrestimada por 2 C y que las correcciones de refrigeracin para el

valor p no siempre fueron una remuneracin adecuada por la fase de enfriamiento.

El aspecto importante de este trabajo es la recomendacin de utilizar finos hilos del termopar de

baja conductividad trmica para el trabajo precisa la penetracin del calor por calentamiento de

conduccin y productos de refrigeracin. Por convencionales termopares tipo T, es necesario

considerar el efecto de los errores involucrados, y tener en cuenta tanto la calefaccin como de

refrigeracin y las fases de la hora de determinar la letalidad alcanzados.

3.3 La calibracin del termopar

Un aspecto importante de la medicin de temperatura es la calibracin de los termopares u otros

dispositivos de medicin de temperatura. Es esencial para el propsito de la determinacin de

proceso que los termopares sean regularmente verificados con un patrn rastreables. Esto requiere

una fuente de temperatura constante, por ejemplo una sal fundida o agua hirviendo, y un

termmetro calibrado para un estandar nacional. Cossey y Richardson (1991) han descrito el uso de

un bloque de temperatura constante para la calibracin de indicadores de temperatura maestros, y

Dobie (1993) discute los mtodos de calibracin. Las directrices de la ASTM (ASTM 1988) debe

ser consultado para procedimientos exactos.

3.4 Mtodos de Validacin

Las siguientes listas indican algunos de los factores que deben ser considerados en un estudio de

validacin del proceso, aunque las listas no pretenden ser exhaustivas.

Estos factores han sido extrados de publicaciones como la Campden BRI (1977, 1997a, 2008), Bee

and Park (1978), NFPA (1985) y IFTPS (1995).

a. Producto

Los cambios en la formulacin, incluyendo la variacin del peso de los ingredientes que

podran dar lugar a aumento de la viscosidad, por ejemplo, altos niveles de almidn.

Llenar peso y en particular el sobrellenado% de los componentes clave, por ejemplo

contenido de slidos.





Temperatura inicial y los efectos de los retrasos en la obtencin contenedores instrumentos

en la retorta.

La consistencia o viscosidad de los componentes lquidos, tanto antes como despus del

procesamiento.

Tamao, la forma y el peso de componentes slidos, tanto antes como despus del

procesamiento, para determinar la partcula crtico.

Potencial para la estera y la aglutinacin de los slidos, por ejemplo, championes en

rodajas tienden a pegarse entre s formando grandes grupos.

Los mtodos de preparacin, POR EJEMPLO, escaldado que puede afectar a la densidad de

las partculas.

La rehidratacin de los componentes secos, por ejemplo, arroz seco que se calienta ms

lentamente que la forma hidratada y tambin absorben agua del lquido.

Modo calefaccin para la seleccin de las posiciones de la sonda en el contenedor, si el

producto se calienta por conveccin, conduccin, mixto o calefaccin rota.

b. Envase contenedor

Tipo de material, incluyendo latas, frascos de vidrio, bolsas y envases de plstico semi-

rgido.

Las posibilidades de anidacin con contenedores de bajo perfil, por ejemplo, latas de

sardinas.

Vaco y espacio de cabeza que afectan a la transferencia de calor a travs de la superficie

superior, y los gases residuales con recipientes flexibles.

Orientacin los contenedores se cargan en la retorta, por ejemplo simetra de rotacin.

c. Autoclave o sistema de procesamiento

Modo de calentamiento y enfriamiento, y cmo afecta en el punto de retorta en fro se

encuentra, por ejemplo, de vapor, vapor / aire, inmersin en agua, el agua lluvia.

Ventilacin horario, si el vapor.

Perfil de sobrepresin y cmo esto afecta el volumen de gas dentro de un paquete flexible.

Retorta vienen tiempo de preparacin, que debe ser tan corto como sea posible para

minimizar la cantidad de calor absorbido por el producto durante esta fase.

Bastidores y divisin sistemas de que permiten a los contenedores recibir soporte, pero

reducen la porosidad de los medios para pasar a travs.





Las condiciones de rotacin.

La combinacin de condiciones para llegar a las mejores condiciones debe ser determinada por una

persona competente, a veces referida como una autoridad en proceso trmico (especficamente un

trmino FDA de EE.UU.). No es recomendable "estrs" cada condicin en su lmite de variacin, de

lo contrario los recipientes utilizados para las mediciones del proceso se calientan tan lentamente

que toda la produccin ser un sistema enormemente sobre-cocinada.

Un equilibrio entre el peor de los casos tericos y lo que es probable que suceda en la prctica tiene

que ser obtenido. Aqu es donde la habilidad del individuo tiene su valor.

Figura 1: carrete a escala piloto y simulador espiral.

El mtodo recomendado por IFTPS (1995) y Bee and Park (1978) (1978) es utilizar el maste

indicador de temperatura en el autoclave (MTI), la cual deber ser calibrado a no menos de

intervalos de seis meses. Vale la pena sealar que las nuevas versiones de los sistemas de

Ellab Tracksense se demandan para mantener la calibracin de fbrica de 12 meses y se

entregan con un certificado de calibracin.

El uso del tiempo y temperatura para validar los procesos trmicos es probable que siga

siendo el mtodo ms ampliamente utilizado. Los avances en la tecnologa del microchip

estn proporcionando ms potencia de cmputo para analizar estos resultados y aumentar la

precisin en la definicin de los valores del proceso calculados. Los procesos histricos de

enlatado se evaluaron utilizando las tasas mortales en pasos de tiempo de un minuto, debido

a las capacidades de los registradores de datos en ese momento, pero los valores modernos

de proceso puede estimarse a partir de las mediciones de temperatura tomadas en mucho las

frecuencias reducidas, por ejemplo cada segundo. Las capacidades de almacenamiento de

datos aumentaron tambin permite sondas de temperatura mayores para ser utilizados en

cada prueba TD o HP, con registradores de mltiples unidas entre s en el software. Con

estos sistemas, es posible superar el nmero de sondas de trabajo sugeridos para definir una

prueba de HP (3 x 3 o 2 x 10).





IV. Materiales y Mtodos

4.1 Materiales

Bao Maria

Sensores inalmbricos

Termmetro de Mercurio

Sistema de Medicin de Temperatura (Software, interface, computadora)

4.2 Mtodos

1) Se preparar un soporte donde todos los sensores sern colocadas a la misma: distancia,

para que no diferencia en la localizacin.

2) Programar las lecturas cada minuto.

3) Proceder al calentamiento del bao maria tomando tiempos constantes de 5 minutos a

temperaturas diferentes, por ejemplo: 65, 70, 75, 80, 85C. 4) Anotar la temperatura del

termmetro de mercurio durante cada minuto en que la temperatura permanece constante.

Figura 2: imgenes del proceso operativo





V. RESULTADOS Y DISCUSIONES

Se tom los datos de Temperatura desde los 60 hasta los 85C, los sensores de temperatura (Data

trace) deberan ser calibrados con un termmetro certificado, sin embargo no se cont con

mencionado equipo.

Al tener mayor sensibilidad el Data trace (0.1C) se tom como referencia para la calibracin del

termmetro de Mercurio y el del bao Mara.

5.1 Anlisis del Registro de Temperatura de los Sensores

Se analiz estadsticamente (Diseo Completamente al azar con 3 bloques sensor 1,2 y 3 con un p

> 0.05) el registro de temperaturas de lo cual se determin que el sensor 1 y 2 son homogneos

respecto a la medicin de temperatura tal como se muestra en los cuadros 1 y 2

Cuadro 1: Mtodo: 95.0 porcentaje LSD

BLOQUE Casos Media LS Sigma LS Grupos

Homogneos

3 36 71.7944 0.0385895 X

1 36 72.1028 0.0385895 X

2 36 72.1806 0.0385895 X

Cuadro 2: Contraste LSD

Contraste Sig. Diferencia +/- Lmites

1 - 2 -0.0777778 0.108273

1 - 3 * 0.308333 0.108273

2 - 3 * 0.386111 0.108273

* indica una diferencia significativa.

El asterisco que se encuentra al lado de los 2 pares indica que estos pares muestran diferencias

estadsticamente significativas con un nivel del 95.0% de confianza de esto se puede deducir que el

sensor 3 probablemente este des-calibrado tal como se puede observar en la diferencia en las

lecturas (figura 4)





Figura 3: distribucin de temperatura segn bloque (sensor)

Figura 4: lectura de temperaturas de los data trace

Despus del anlisis estadstico, se decidi trabajar solo con los bloques 1 y 2, el cual se

muestra en el cuadro 3

Dispersin por Cdigo de Nivel

59

64

69

74

79

84

Tem

pera

tura

BLOQUE

1 2 3





Cuadro 3: Temperaturas promedios de los sensores

Punto: Casos Temperaturas

promedio ()

1 12 60.0833

2 12 65.0667

3 12 70.0583

4 12 74.875

5 12 79.475

6 12 83.2917

5.2 Anlisis del registro de Temperatura del bao Maria y el Termmetro de

Mercurio.

Se determin un anlisis de regresin para cada termmetro, mediante lo cual se obtuvo lo

siguiente:

5.2.1 Termmetro de Mercurio

Se determin un R-cuadrada = 99.7799 por ciento en las temperaturas medidas. El coeficiente de

correlacin es igual a 0.998899, indicando una relacin relativamente fuerte entre las variables

(figura 5).

(

)

Figura 5: temperatura del termmetro Hg vs temperatura del sensor

El error estndar del estimado indica que la desviacin estndar de los residuos es 0.38, por lo que

este sera el lmite del modelo seguido por la temperatura, es necesario recalcar que este modelo

solo es vlido entre 60 y 83C.

Grfico del Modelo Ajustado

TermHg = 0.501867 + 0.992042*TempSensor

60 64 68 72 76 80 84

TempSensor

60

64

68

72

76

80

84

Term

Hg





Luego en trminos prcticos si es que queremos pasteurizar a 80C utilizando el termmetro de

mercurio:

( ( ))

Por lo que si el termmetro de mercurio marca 80C, entonces la medida es correcta.

5.2.2 Termmetro del Bao Maria

Se determin un R-cuadrada = 99.6826 por ciento en las temperaturas medidas. El coeficiente de

correlacin es igual a = 0.998412, indicando una relacin relativamente fuerte entre las variables

(figura 5).

(

)

El error estndar del estimado indica que la desviacin estndar de los residuos es 0.49, por lo que

este sera el lmite del modelo seguido por la temperatura, es necesario recalcar que este modelo

solo es vlido entre 60 y 83C.

Luego en trminos prcticos si es que queremos pasteurizar a 80C utilizando el termmetro del

bao maria:

( ( ))

Por lo que si el termmetro de mercurio marca 80C, entonces la medida debera ser ajustada a

81C ya que el lmite del modelo est en 0.49C

Grfico del Modelo Ajustado

TermBano = -3.8128 + 1.05709*TempSensor

60 64 68 72 76 80 84

TempSensor

59

64

69

74

79

84

89

Term

Bano





Sin embargo es bueno acotar que en el anlisis estadstico se encontr una desviacin a la

temperatura de 83C ya que en la ltimo minuto aumento a en ms de 2C, esto podra deberse a

que se pierde regularidad en el aumento de temperatura, por lo que se sugiere calibrar el equipo a un

rango mayor de temperaturas.

Cossey y Richardson (1991), Campden BRI (1977, 1997a, 2008), Bee and Park (1978), NFPA

(1985) y IFTPS (1995) recomiendan la calibracin en base a un master, sin embargo en nuestro

caso no contamos con tal herramienta, por lo que tomamos como master el equipo con mayor

sensibilidad que viene a ser el data-trace.

Datatrace MPRF utilizado como master tiene una sensibilidad de 0.1C y viene de fbrica

con certificacin ATEX (for intrinsic safety) y FCC Class B digital device (Part 15

compliant) por lo que s estn funcionando correctamente es una herramienta de gran

fiabilidad.

VI. CONCLUSIONES

Se puede validar el proceso de con la dependencia del producto, el envase y el sistema de

procesamiento y para el caso especfico de sensores de temperatura se utiliza un master

(calibrado).

Los avances en la tecnologa del microchip estn proporcionando ms potencia de

en el almacenamiento de datos lo cual nos permite aumentar la precisin en la

validacin y calibracin de equipos

El termmetro de mercurio se encontr que reportaba medidas muy cercanas a las

reales, sin embargo el bao maria se desviaba un poco a temperaturas de 85C.

Los modelos encontrados en las temperaturas solo son vlidos en el rango de 60 a

85C.

VII. RECOMENDACIONES

Validar el proceso utilizando un equipo validado o certificado y con una precisin mayor a

la de los equipos a calibrar.

Se recomienda utilizar agitacin en el momento de la calibracin de temperatura.





VIII. BIBLIOGRAFIA

Beverloo, W. A., & Weldring, J. A. G. (1969). Temperature measurements in cans and the consequences of errors for the process calculation. Lebensm.- Wiss. u. -

Technol., 2, 914.

Cossey, R., & Richardson, P. S. (1991). The use of constant temperature blocks for the calibration of master temperature indicators. Technical Memorandum No. 613,

Chipping Campden, Glos.,UK: Campden & Chorleywood Food Research

Association.

Campden BRI (1992) Food pasteurisation treatments. Technical Manual No. 27. Campden BRI, Chipping Campden UK.

Campden BRI (2006) Pasteurisation: A food industry practical guide, 2nd edn. Guideline No. 51. Campden BRI, Chipping Campden UK.

Charlett, S. M. (1955). Heat penetration into canned foods. Food Manufacture, 30(6), 229 232, 245.

Dobie, P. A. P. (1993). Calibration: DIY or ISO? Food Manufacture, 68(4), 2829.

Eisner, M. (1976). Ellab-temperature measuring system. Ind. Obst-u. Gemseverwert., 61(13), 339341.

Holdsworth, S. D. (1974). Instrumentation developments for heat processing. Food Manufacture,

49(11), 3538, 58.

Holdsworth, S. D. (1983). Developments in the control of sterilizing retorts. Process Biochem., 18(5), 2428.

Holdsworth, S. D. (1985). Developments in the control of sterilizing retorts for packaging food. Packaging, 56, 1317.

Hosteler, R. L., & Dutson, T. R. (1977). Effect of thermocouple wire size on the cooking times of meat samples. J. Food Sci., 42(3), 845846.

Kanellopoulos, G., & Povey, M. J.W. (1991). A finite element model for conduction errors in thermocouples during thermal sterilization of conduction-

heating foods. Int. J. Food Sci. Technol., 26, 409421.

Marra, F., Romano, V. (2003). A mathematical model to study the influence of wireless temperature sensor during the assessment of canned food sterilization. J.

Food Eng 59(2/3), 245252.





May, N., & Withers, P. M. (1993). Data acquisition units for thermal process evaluation. Food Technol. Europe, 9799.

NFPA (1985) Guidelines for Thermal Process Development for Foods Packaged in Flexible Containers. NFPA, Washington DC.

Packer, G. J. K., & Gamlen, J. L. R. (1974). Calculation of temperature measurement errors

in thermocouples in convection heating cans. J. Food Sci., 39, 739743.

Shaw G. H. (2004). The use of data loggers to validate thermal process. In P. Richardson (Ed.), Improving the thermal processing of food (pp. 353364). Cambridge: Woodhead/Publishing.

Withers, P. M. (1991). A can rotation counter for use in reel and spiral sterilizers. Technical Memorandum No. 604. Chipping Campden, Glos., UK: Campden &

Chorleywood Food Research Association.

Withers, P. & Richardson, P. S. (1992). Measurement of can rotation during continuousrotary processes and its influence on process value. In Food engineering

in a computer climate, Symposium Series No. 126 (pp. 191197). Rugby, UK: Institution of Chemical Engineers.

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