Universidad Técnica Federico Santa María

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL

Valparaíso, Chile

“COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS GENERAL Y DE BALL

PARA EL CÁLCULO DE PROCESOS DE ESTERILIZACIÓN COMERCIAL.”

Memoria de Título presentada por

María Teresa Ramos Barrientos

Como requisito para optar al título de

Ingeniero Civil Químico

Profesor Guía Dr. Ricardo Simpson Rivera

Profesor correferente

Dr. Cristian Ramírez Bustos

Noviembre, 2016

2

AGRADECIMIENTOS

A mis profesores guía y correferente Dr. Ricardo Simpson y Dr. Cristian Ramírez, por

su paciencia, disposición y guía durante todo el desarrollo del presente trabajo. A

Marlene Pinto y Helena Núñez, por su excelente disposición y por haber sido un gran

apoyo en el trabajo de laboratorio.

A mis padres, por darme la oportunidad de estudiar una carrera, por confiar en mí y

apoyar cada una de mis decisiones. Gracias por acompañarme y animarme durante mi

paso por la universidad, a pesar de la distancia siempre los sentí conmigo.

A mis hermanos José y Mireya, por todo el apoyo brindado durante todos estos años,

los quiero y admiro mucho.

A mis amigos Mariana, Juan, Angélica, Melissa, Yuri y Valeska, por darme la

oportunidad de formar parte de su vida, por compartir conmigo momentos

inolvidables, por cuidarme, entenderme y quererme.

A los tíos Lucy y José, por cuidarme como una hija, por apoyarme, ayudarme y hacer

más ameno este proceso.

A mi amor, gracias por ser tú, por hacerme feliz día a día, por ayudarme en todo y

siempre creer en mí, te amo Pepe.

3

RESUMEN

La esterilización térmica es uno de los procesos más utilizados para la conservación

de los alimentos. Su objetivo es lograr la esterilidad comercial, conservando en lo

posible las propiedades organolépticas del producto. Para garantizar la esterilidad

comercial, la letalidad de un proceso debe alcanzar como mínimo un valor de 2,52

minutos (𝑇𝑟𝑒𝑓=121,1 °C, D=0,21min). Para calcular la letalidad de un proceso térmico

se han utilizado históricamente dos métodos: El método General de Bigelow y el

método de la fórmula de Ball. En la época que fueron publicados, el método de Ball era

la mejor alternativa para la evaluación de los procesos térmicos, ya que el método

General involucraba un procedimiento de cálculo difícil de realizar con las

herramientas de la época. En la actualidad el método de Ball sigue siendo el método

más utilizado para llevar a cabo estos cálculos, a pesar de su probada inexactitud.

El objetivo de este estudio fue comparar la exactitud de ambos métodos en la

determinación del tiempo de operador de procesos de esterilización comercial

realizados a distintas temperaturas y a distintas tasas de calentamiento (𝑓ℎ) y la

capacidad de ambos métodos para predecir el tiempo de operador a temperaturas de

proceso distintas a las utilizadas en los datos analizados. Se evaluaron datos de

procesos simulados y experimentales. La exactitud se comparó calculando el error

porcentual en la estimación del tiempo de cada método. Además se determinó el

efecto de la sobreestimación del tiempo de operador sobre la calidad del alimento y la

productividad del proceso. Los resultados muestran que el cálculo del tiempo de

operador mediante el método de Ball pierde exactitud a temperaturas altas y valores

de hf altos. El método General predijo de forma más exacta el tiempo de operador en

todas las situaciones analizadas. Se concluye que la sobreestimación del tiempo de

operador con el Método de Ball no incide significativamente en la calidad del producto

ni en el consumo de energía. Sin embargo si en la productividad produciendo pérdidas

de hasta un 9%.

4

CONTENIDOS

RESUMEN........................................................................................................................................................................... 3

CONTENIDOS .................................................................................................................................................................... 4

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................................................................... 6

LISTA DE TABLAS ........................................................................................................................................................... 7

CAPÍTULO I -INTRODUCCIÓN............................................................................................................................... 8

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................... 9 1.

CAPÍTULO II - ANTECEDENTES GENERALES .................................................................................................. 11

ANTECEDENTES GENERALES ............................................................................................................................... 12 2.

2.1 PROCESO TÉRMICO .................................................................................................................................................. 12 2.2 PRINCIPIO DE LOS PROCESOS TÉRMICOS ........................................................................................................................ 12 2.3 CINÉTICA DE MUERTE Y CONCEPTO DE LETALIDAD ............................................................................................................ 14 2.4 PENETRACIÓN DE CALOR EN ALIMENTOS ....................................................................................................................... 20

2.4.1 Velocidad de penetración de calor ............................................................................................................ 20 2.4.2 Estudios de penetración de calor .............................................................................................................. 21 2.4.3 Curvas de penetración de calor ................................................................................................................. 22

2.5 SIMULACIÓN DE PROCESOS ........................................................................................................................................ 27 2.5.1 Software de optimización y simulación de procesos termicos OPT-PROx ................................................ 28

2.6 CÁLCULO DE PROCESOS TÉRMICOS ............................................................................................................................... 31 2.7 CÁLCULO DE PROCESOS TÉRMICOS CON EL MÉTODO GENERAL ........................................................................................... 32

2.7.1 Cálculo de procesos térmicos con el método general ............................................................................... 32 2.7.2 Extensión del Método General .................................................................................................................. 33 2.7.3 Cálculo del tiempo de proceso para una letalidad preestablecida ............................................................ 34 2.7.4 Cálculo de procesos térmicos en condiciones distintas a las registradas experimentalmente. ................. 35 2.7.5 Software Método General. ....................................................................................................................... 36

2.8 CÁLCULO DE PROCESOS TÉRMICOS CON EL MÉTODO DE BALL ............................................................................................. 37 2.8.1 Software Método de Ball .......................................................................................................................... 38

CAPÍTULO III - MATERIALES Y MÉTODOS ...................................................................................................... 40

MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................................................................................... 41 3.

3.1 CURVAS DE PENETRACIÓN DE CALOR OBTENIDAS MEDIANTE SIMULACIÓN .............................................................................. 42 3.1.1 Metodología etapa simulación ................................................................................................................. 43 3.1.2 Obtención de perfiles de temperatura simulados ..................................................................................... 43 3.1.3 Cálculo de Pt con los métodos General y de Ball ....................................................................................... 45 3.1.4 Cálculo de Pt a temperaturas distintas ..................................................................................................... 46 3.1.5 Cálculo de Fo y parámetros de calidad ...................................................................................................... 47 3.2 Curvas de penetración de calor obtenidas mediante procedimiento experimental ...................................... 48 3.2.1 Materia prima ........................................................................................................................................... 48 3.2.2 Envases ..................................................................................................................................................... 49 3.2.3 Sistema de sellado .................................................................................................................................... 50 3.2.4 Sensores de temperatura y adaptador de termopares ............................................................................. 51 3.2.5 Sistema de adquisición de datos ............................................................................................................... 52 3.2.6 Sistema de esterilización ........................................................................................................................... 53 3.2.7 Metodología etapa experimental ............................................................................................................. 55 3.2.8 Preparación de la muestra ........................................................................................................................ 55 3.2.9 Proceso térmico y obtención de datos ...................................................................................................... 57

5

3.2.10 Cálculo de Pt con los métodos General y de Ball ....................................................................................... 59 3.2.11 Cálculo de Pt a temperaturas distintas a las utilizadas en los procesos originales ................................... 59

CAPÍTULO IV - RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................................... 60

RESULTADOS ...................................................................................................................................................... 61 4.

4.1 RESULTADOS EVALUACIÓN DE DATOS SIMULADOS CON LOS MÉTODOS GENERAL Y DE BALL ....................................................... 61 4.1.1 Comparación del tiempo de operador Pt entre los métodos General y de Ball ......................................... 61 4.1.2 Comparación Cálculo del tiempo de operador Pt a distintas temperaturas .............................................. 63 4.1.3 Simulación de procesos utilizando el tiempo estimado con el método de Ball ......................................... 65

4.2 RESULTADOS ANÁLISIS DE DATOS EXPERIMENTALES .......................................................................................................... 70 4.2.1 Cálculo del tiempo de proceso con los métodos General y de Ball ............................................................ 70 4.2.2 Cálculo de Pt a temperaturas distintas a las utilizadas en los procesos originales ................................... 72

CAPÍTULO V - CONCLUSIONES........................................................................................................................... 74

CONCLUSIONES .................................................................................................................................................. 75 5.

REFERENCIAS .............................................................................................................................................................. 76

ANEXOS ...................................................................................................................................................................... 79

5.1 ERROR PORCENTUAL ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE OPERADOR CON EL MÉTODO DE BALL. .......................................................... 79 5.2 DISMINUCIÓN PORCENTUAL DE RETENCIÓN DE TIAMINA PROMEDIO EN EL ALIMENTO .............................................................. 80 5.3 AUMENTO PORCENTUAL DEL TIEMPO DE PROCESO........................................................................................................... 81 5.4 IMÁGENES DE SIMULACIÓN DE PROCESOS ...................................................................................................................... 82

6

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Curva de supervivencia térmica y valor D obtenido a 121°C ......................................................................... 15 Figura 2. Efecto de la temperatura en el valor D ............................................................................................................. 17 Figura 3. Perfil de temperatura del autoclave, punto frío y curva de letalidad ............................................................. 19 Figura 4 : Ubicación del punto crítico de calentamiento en envases cilíndricos ........................................................... 22 Figura 5. Curva típica obtenida de estudios de penetración de calor ............................................................................ 23 Figura 6. Curva de penetración de calor en escala semi-logarítmica ............................................................................. 24 Figura 7 Curva de enfriamiento en escala semi-logarítmica .......................................................................................... 26 Figura 8 Hoja simulación de procesos térmicos, Software OPT-PROx ................................................................................ 31 Figura 9 Imagen software Método General ........................................................................................................................ 36 Figura 10. Imagen Software Método de Ball ...................................................................................................................... 39 Figura 11 Esquema resumen metodología ..................................................................................................................... 41 Figura 12 Atún desmenuzado en agua ............................................................................................................................... 48 Figura 13 Envases de hojalata .......................................................................................................................................... 49 Figura 14 Máquina selladora ............................................................................................................................................ 50 Figura 15 Sensor y adaptador de Termopar .................................................................................................................... 51 Figura 16 Dispositivo de ajuste de termopar ..................................................................................................................... 51 Figura 17 Sistema de adquisición de datos ...................................................................................................................... 52 Figura 18 Autoclave........................................................................................................................................................... 54 Figura 19 Sistema auxiliar de alimentación de agua .......................................................................................................... 54 Figura 20 Sistema envase de hojalata con dispositivo de ajuste. ....................................................................................... 55 Figura 21 Atún drenado y compactado .............................................................................................................................. 56 Figura 22 Sellado ................................................................................................................................................................ 56 Figura 23 Sistema de adquisición de datos. ..................................................................................................................... 57 Figura 24 Error porcentual estimación del tiempo de operador Pt con el Método de Ball .......................................... 62 Figura 25 Errores porcentuales métodos general y de Ball (de 110°C a 130°C) ................................................................. 63 Figura 26 Errores porcentuales métodos general y de Ball (datos de 130°C a 110°C) ....................................................... 64 Figura 27 Efecto del valor fh y la temperatura de proceso en la retención de Tiamina promedio en el producto............. 66 Figura 28. Porcentaje de aumento en el tiempo total de proceso ...................................................................................... 67 Figura 29. Comparación del consumo de vapor para autoclaves aislados y no aislados .................................................... 68 Figura 30. Simulación proceso, envase cilíndrico 52mm x 38mm, fh 12 minutos, temperatura proceso 110°C ........ 82 Figura 31. Simulación proceso, envase cilíndrico 153mm x 152mm, fh 202 minutos, temperatura proceso 110°C . 83 Figura 32. Simulación proceso, envase cilíndrico 52mm x 38mm, fh12 minutos, temperatura proceso 130°C ......... 83 Figura 33. Simulación proceso, envase cilíndrico153mm x 152mm, fh 202 minutos, temperatura proceso 130°C... 83

7

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Clasificación de algunos productos según su pH ........................................................................................................................ 14 Tabla 2. Valores Z y D de algunos microorganismos .................................................................................................................................. 18 Tabla 3 Dimensiones de envase y difusividad térmica utilizados para formar el rango de fh. .............................................. 44 Tabla 4 : Condiciones generales de los procesos simulados................................................................................................................... 45 Tabla 5. Dimensiones de los envases utilizados en los experimentos ............................................................................................... 49 Tabla 6. Especificaciones de máquina selladora .......................................................................................................................................... 50 Tabla 7. Especificaciones autoclave .................................................................................................................................................................... 53 Tabla 8 Estimación tiempo de operador Método de General formato 73X 58,5mm .................................................................. 70 Tabla 9 Estimación tiempo de operador Método de Ball formato 73X 58,5mm ........................................................................... 70 Tabla 10 Estimación tiempo de operador Método General formato 73X 110,5mm .................................................................. 71 Tabla 11 Estimación tiempo de operador Método de Ball formato 73X 110,5mm ..................................................................... 71 Tabla 12. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método General formato 73X8,5mm .......... 72 Tabla 13. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método General formato 73X110,5mm .... 72 Tabla 14. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método de Ball formato 73X58,5mm ........ 73 Tabla 15. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método de Ball formato 73X110,5mm ..... 73 Tabla 16. Errores porcentuales estimación del tiempo de operador con Método de Ball ....................................................... 79 Tabla 17. Disminución porcentual de Tiamina en la superficie del alimento ................................................................................ 80 Tabla 18. Aumento porcentual del tiempo de proceso ............................................................................................................................. 81

8

CAPÍTULO I -INTRODUCCIÓN

9

INTRODUCCIÓN 1.

En la industria de alimentos, es muy importante inactivar los microorganismos

nocivos con el fin de reducir el riesgo para la salud de los consumidores y aumentar la

durabilidad de los productos [1]. La esterilización comercial es una de las técnicas de

conservación más utilizadas para este fin. Esta implica un régimen de calentamiento y

enfriamiento conocido como proceso [2]. Los procesos térmicos deben ser diseñados

seleccionando la combinación tiempo/temperatura adecuada para asegurar que se

cumpla el criterio de esterilidad comercial y se conserven las propiedades

organolépticas del alimento [3]. El criterio de esterilidad comercial para alimentos

envasados de baja acidez establece que se debe lograr como mínimo una reducción de

12 ciclos logarítmicos de la población inicial de la espora Clostridium Botulinum [4]. Lo

que equivale en términos de letalidad de un proceso a 3 minutos (𝑇𝑟𝑒𝑓 = 121,1°𝐶,

𝐷 = 0,21 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠)

La letalidad de un proceso mide el grado de inactivación microbiológica de una

población conocida de microorganismos [5]. En el establecimiento de un proceso

térmico se debe calcular el tiempo necesario a una temperatura específica con tal de

alcanzar un valor de letalidad objetivo.

Para calcular la letalidad de un proceso históricamente se han utilizado dos

procedimientos: El método General y el método de Ball. El método General es un

método gráfico [6] que por razones históricas rara vez se utilizó (dadas las

herramientas de cálculo de la época), ya que implicaba un tedioso procedimiento de

integración paso a paso que debía ser llevado a cabo manualmente. Por otro lado el

método de Ball [7] es un método semi-analítico que corresponde a una fórmula con

datos tabulados para el cálculo de la letalidad, estimada de forma exacta en el

calentamiento, pero inexacta en la etapa de enfriamiento [8]. A lo largo de los años

numerosos estudios han demostrado la inexactitud del método de Ball para el cálculo

10

de procesos térmicos [9], a pesar de ello sigue siendo uno de los métodos más

utilizado en la industria de alimentos debido principalmente a que se cree

considerablemente más versátil que el método General [10].

Por ello el objetivo principal de este estudio es comparar la exactitud en el cálculo del

“tiempo de operador”, de los métodos General y de Ball en procesos térmicos de

esterilización comercial aplicados a alimentos conductivos de baja acidez.

Los objetivos específicos que ayudan a cumplir el objetivo principal son:

Simular procesos térmicos con letalidad 𝐹𝑜 = 6 minutos variando la

temperatura de proceso y cubriendo todos los formatos de envases

(dimensiones) y tipos de alimentos (difusividad te rmica)

Calcular el tiempo de operador necesario para obtener una letalidad 𝐹𝑜 = 6

minutos de los procesos simulados utilizando los me todos General y de Ball y

luego comparar los resultados obtenidos con el tiempo de operador de los

procesos simulados

Comparar la versatilidad de ambos me todos, determinando su exactitud en la

prediccio n del tiempo de operador a una temperatura de proceso distinta a la

utilizada en los datos analizados.

Realizar de forma experimental un proceso de esterilizacio n comercial a un

alimento conductivo de baja acidez

Calcular el tiempo de operador de los procesos experimentales utilizando el

me todo General y de Ball y compararlos con los tiempos reales obtenidos en el

experimento.

11

CAPÍTULO II -

ANTECEDENTES GENERALES

12

ANTECEDENTES GENERALES 2.

2.1 Proceso térmico

En ingeniería un proceso es entendido como una sucesión de etapas que transforman

determinada materia prima en un producto. Sin embargo, en adelante, al hablar de

“procesos térmicos” estos deben ser comprendidos como las combinaciones de

tiempo y temperatura aplicados a determinado alimento [11]

2.2 Principio de los procesos térmicos

Existen diversos procesos que involucran la transferencia de calor hacía los alimentos,

entre ellos se pueden mencionar; la pasteurización, el escaldado, etc. De todos ellos, la

esterilización es el método más severo (normalmente entre 110-130 °C) [3] y consiste

en introducir los alimentos en contenedores herméticamente sellados y exponerlos a

altas temperaturas por un periodo determinado de tiempo con el objetivo de alcanzar

la esterilidad comercial.

La “esterilidad comercial” [12] corresponde al estado conseguido mediante la

aplicación de calor suficiente para inactivar los microorganismos contaminantes más

termo resistentes presentes en el alimento, a un nivel tal que no pongan en peligro la

salud de los consumidores. Este criterio se expresa en términos del tiempo de

reducción decimal (D) de un microorganismo patrón, seleccionado en base al tipo de

alimento tratado. Los procesos térmicos deben ser diseñados de forma tal que

cumplan como mínimo el criterio de esterilidad comercial

13

El tratamiento térmico necesario para lograr la esterilidad comercial, dependerá entre

otros factores del pH y del tipo y resistencia de los microorganismos o esporas

presentes en el alimento [13]

El pH es uno de los factores más importantes para determinar los requerimientos del

proceso, ya que el crecimiento y la actividad de los microorganismos dependen en

gran medida de éste. En el procesamiento térmico de alimentos enlatados se

considera con especial atención el control de la bacteria Clostridium Botulinum [14]

por ser un organismo altamente termo-resistente, anaeróbico, formador de esporas y

patógeno que produce la toxina mortal del botulismo. Estudios han demostrado que a

pH inferiores a 4,6, se inhibe completamente su crecimiento [15], de esto surge que

los alimento enlatados sean clasificados en alimentos ácidos (pH 4,6 o inferior) y

alimentos de baja acidez (pH mayor a 4,6). En la Tabla 1 se muestra la clasificación de

algunos productos alimenticios según su pH.

En alimentos ácidos, la presencia de esporas C. Botulinum es de poca significancia.

Este hecho, y la baja resistencia térmica relativa de los principales microrganismos

contaminantes de este tipo de alimentos, hacen factible usar procesos térmicos

considerablemente menos severos, en comparación con los alimentos de baja acidez.

14

Tabla 1. Clasificación de algunos productos según su pH1

Grupo pH Ejemplos

1:Productos de baja acidez

>5 Productos cárnicos, productos marinos, leche, algunas sopas y

la mayoría de los vegetales

2: Productos medio ácidos

4,5-5,0 Carne y mezclas de vegetales, pasta, sopas y peras

3: Productos ácidos 3,7-4,5 Tomates, peras, higos,piña y

otras frutas

4: Productos altamente ácidos

<3,7 Pepinillos, pomelo, jugos cítricos y ruibarbo

2.3 Cinética de muerte y concepto de letalidad

Para determinar el efecto esterilizante del tratamiento térmico aplicado a un tipo de

producto alimenticio, es necesario tomar como referencia el microorganismo con

mayor resistencia térmica presente, de manera de asegurar su inactivación y con ella

la esterilidad de todo el producto [16]. Al mismo tiempo, se debe asegurar la retención

de los componentes nutricionales, de modo de mantener la calidad nutricional del

producto. Esto requiere el conocimiento de la cinética de muerte o degradación

bioquímica como una función del tiempo y la temperatura.

Tiempo de reducción decimal

La muerte de los microorganismos y la degradación de vitaminas, enzimas y factores

de calidad presentan una cinética de orden uno con respecto al tiempo. Esto implica

1 Fuente: Elaboración propia a partir de datos seleccionados desde referencia [11] (pp.91).

15

que la velocidad de destrucción microbiológica es proporcional al número de

microorganismos viables, como se muestra en la siguiente ecuación. Dónde N

corresponde al número de microorganismos viables en el tiempo t , 0N al número

inicial de microorganismos y 1k es la constante de reacción.

1

dNk N

dt (1)

1

dNk t

N (2)

1

0

lnN

k tN

(3)

Al graficar el logaritmo de la concentración de los microorganismos sobrevivientes en

el tiempo, se obtienen una línea recta.

Figura 1. Curva de supervivencia térmica y valor D obtenido a 121°C 2

2 Fuente: Elaboración propia a partir de datos seleccionados de referencia [13](pp. 76)

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

So

bre

viv

ien

tes

(UF

C/m

l)

Tiempo (min)

Valor D

16

La velocidad de destrucción microbiológica generalmente se define en términos del

tiempo de reducción decimal (valor D), que corresponde al tiempo de calentamiento

en minutos, a una temperatura dada, requerido para que la población inicial de

microorganismos se reduzca en un 90% (disminuya un ciclo logarítmico).

La ecuación (2) se puede reescribir tomando en cuenta el concepto de tiempo de

reducción decimal como:

0

0

10

0

ND

N

dNk dt

N (4)

ln10 kD (5)

2,303

kD

(6)

Dependencia del valor D con la temperatura

El valor D depende fuertemente de la temperatura, mientras más alta es la

temperatura, el valor de D es menor. El indicador de la sensibilidad a la temperatura

es definido como valor z, que corresponde al aumento de temperatura necesario para

que el valor de D se reduzca en un ciclo logarítmico. Su relación se expresa mediante

la siguiente ecuación. Donde 1D y 2D son los valores D a las temperaturas 1T y 2T

respectivamente.

2 1

1 2

( )

log( ) log( )

T Tz

D D

(7)

17

Figura 2. Efecto de la temperatura en el valor D3

El valor D a cualquier temperatura dada, se puede obtener reordenando la ecuación

(7) utilizando un valor de referencia refD a una temperatura de referencia

refT .

( )/

10 refT T z

refD D (8)

La razón refD

D es conocida como la tasa letal L ; Esta es una medida cuantitativa de la

tasa de inactivación de microorganismos a una temperatura dada.

/

10 refT T zrefDL

D

(9)

3 Fuente: Elaboración propia a partir de datos seleccionados de referencia [13] (pp. 79)

1

10

100

1000

100 105 110 115 120 125

Va

lor

D (

min

)

Temperatura (°C)

Valor z

18

Una propiedad importante de las tasas letales es que son aditivas, por lo que es

posible cuantificar el proceso sobre el rango de temperatura utilizado. La tasa letal

integrada se conoce como valor F [11].

A continuación se presenta una tabla que presenta los valores D y z de algunos

microorganismos.

Tabla 2. Valores Z y D de algunos microorganismos4

Microorganismo Valor D min

Temperatura de referencia °C

Valor z °C

Medio

Clostridium perfringens

5,30 60,0

6,74 Carne de Res molida

Clostridium botulinum

Listeria

monocytogenes

0,21

3,29

121,1

60,0

10,0

6,33

-

Carne grasa

Escherichia coli 1,97 60,0

4,67 Carne de Res molida

Bacillus

stearothermophilus 4,00 121,1 10,0 Vegetales y

leche

Clostridium sporogenes

0,8-1,5

121,1

8,8-11,1

Productos cárnicos

Levaduras 0,5-1,00 65,6 - Alimentos ácidos

4 Fuente: Elaboración propia a partir de datos seleccionados de referencia [17]

19

Valor de esterilización

El factor más importante en la esterilización del producto es poder cuantificar el

efecto del régimen de calefacción y enfriamiento para establecer si un proceso es

capaz de entregar un producto seguro. El método universalmente aceptado para

evaluar un proceso se basa en la curva de penetración de calor (perfil de temperatura

en el punto del alimento donde el calentamiento se produce más lentamente) y el uso

de las tasas letales.

Como las tasas letales son aditivas, la letalidad total se puede determinar convirtiendo

la curva de penetración de calor en una curva de tiempo-letalidad e integrando el área

bajo la curva [2]. Esto se ilustra en la figura 3.

Figura 3. Perfil de temperatura del autoclave, punto frío y curva de letalidad5

5 Fuente: Elaboración propia a partir de figura seleccionada de referencia [2] (pp.7)

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Te

mp

era

tura

( °C

)

Tiempo (min)

Temperatura autoclave °C Temperatura punto frío °C Valor F

20

La letalidad total para el proceso se conoce como el valor F y se puede determinar a

partir de la ecuación (10).

0

ref

t

z

TF Ldt (10)

Cuando la temperatura de referencia es 121,1°C, y el valor 10z °C tomando como

referencia el microorganismo Clostridium Botulinum, el valor F se designa como 0F .

2.4 Penetración de calor en alimentos

2.4.1 Velocidad de penetración de calor

La velocidad de penetración de calor se define como la cantidad de calor transferida

por unidad de tiempo al centro del alimento. En procesos de alimentos algunos de los

factores que influyen en esta velocidad son los siguientes:

Relación sólido/líquido: Si el alimento es más líquido la convección será el

mecanismo de transferencia de calor predominante y la penetración de calor

será más rápida, mientras que en alimentos más sólidos el mecanismo

dominante será la conducción y la velocidad de penetración de calor será

menor.

Tamaño y forma del envase: El calor tomará menos tiempo en llegar al centro

del alimento en envases pequeños, que en envases grandes. Además la

penetración de calor será más rápida en aquellos envases en los que la

superficie de exposición al fluido calefactor es mayor.

21

Material del envase: La penetración de calor es más rápida a través de

materiales metálicos que en materiales de vidrio o plásticos (conductividad

térmica).

2.4.2 Estudios de penetración de calor

Para determinar el comportamiento térmico de un producto alimenticio específico

durante su tratamiento, se realizan los estudios de penetración de calor. Que se

centran en obtener datos de tiempo-temperatura (curvas de penetración de calor) en

el punto crítico del alimento, donde el calentamiento se produce más lentamente,

(punto frío) de modo de verificar que se alcancen en él las condiciones de proceso y se

logre la esterilidad comercial.

En la industria estos estudios son necesarios cuando se establecen nuevas plantas o

líneas de proceso, se desarrollan nuevos productos y son especialmente útiles cuando

se utilizan nuevas tecnologías o se optimizan los procesos para satisfacer la creciente

demanda por alimentos con procesamientos mínimos.

De forma general los estudios consisten en registrar por medio de termopares y

sistemas de adquisición de datos, la temperatura en el punto crítico del alimento, bajo

condiciones controladas que representen el peor escenario de producción respecto al

tratamiento térmico y que resulten en el modo de calentamiento más lento del

producto.

Para realizar las mediciones en el producto, los sensores de temperatura se localizan

en el alimento dependiendo de su relación sólido/líquido. Por ejemplo en envases

cilíndricos cuyos productos presenten un perfil de calentamiento por conducción, la

termopar deberá ser localizada en el centro geométrico; mientras que en los

productos que se calientan por convección (líquidos, alimentos poco viscosos) el

22

punto más crítico se encontrará en el eje vertical aproximadamente a una décima de

altura del envase medido desde la base. Figura 4.

Figura 4 : Ubicación del punto crítico de calentamiento en envases cilíndricos6

Los estudios de penetración de calor requieren de un extensivo conocimiento e

identificación del equipamiento térmico, de los aparatos de medición de temperatura

y del flujo del medio de calentamiento y enfriamiento en el autoclave y la planta de

proceso. El Instituto de Especialistas en Procesamiento Térmico (conocido como

ITFPS por sus siglas en inglés) ha redactado protocolos que entrega las directrices

para realizar estos estudios de la manera adecuada (FTPS 1995,2014) [18]

2.4.3 Curvas de penetración de calor

Son obtenidas de los datos recolectados de las pruebas de penetración de calor. La

figura 5 muestra una curva típica de esterilización en autoclave, donde se pueden

observar las diferentes etapas del proceso:

6 Fuente: Imagen seleccionada de la referencia [19]

23

CUT (come up time) o tiempo de elevación de temperatura: Es el tiempo que

transcurre desde que ingresa el vapor en el autoclave hasta que alcanza la

temperatura de proceso.

Tiempo de operador Pt: Es el tiempo en el cual el producto se encuentra

expuesto a la temperatura de proceso

Tiempo de enfriamiento: Es el tiempo que demora el producto en enfriarse

hasta una temperatura aproximada de 35°C.

Figura 5. Curva típica obtenida de estudios de penetración de calor

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Te

mp

era

tura

[°C

]

Tiempo [min]

Temperatura autoclave °C

Temperatura centro térmico °C

CUT TIEMPO DE OPERADOR Pt

TIEMPO DE ENFRIAMIENTO

24

Otra forma de presentar los datos de penetración de calor es graficando el logaritmo

de la diferencia de temperaturas de operación del autoclave (RT ) y del punto frío del

alimento (T ) (esto es ( )RLog T T ) en el tiempo. La figura 6 muestra los datos

correspondientes a la etapa de calentamiento.

Figura 6. Curva de penetración de calor en escala semi-logarítmica7

De este gráfico pueden ser obtenidos dos parámetros de penetración de calor

relevantes:

hf : Índice de velocidad de calentamiento. Corresponde al tiempo requerido

para que la porción recta de la curva de calentamiento (Figura 6) atraviese un

ciclo logarítmico. Mientras mayor sea este valor, el calentamiento se producirá

de forma más lenta.

7 Elaboración propia a partir de la referencia [13] (pp.87)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 5 10 15 20 25

Lo

g(T

R-T

)

Tiempo (min)

Log(TR-TA)

Log(TR-T0)

fh

25

Este parámetro también puede ser estimado de forma analítica para alimentos

conductivos en envases cilíndricos, mediante la siguiente ecuación.

2 2

2 2

2,303

2,4048

4

hf

a b

(11)

Donde es la difusividad térmica del alimento, a es el radio del envase

cilíndrico y b es la semi altura del envase [11]. En la ecuación (11) se observa

la dependencia del valor hf con las dimensiones del envase y la difusividad

térmica del alimento.

hj : Es el factor de desfase. Mide el retraso en el establecimiento de una tasa de

calentamiento uniforme. Se calcula de la siguiente forma.

0

R Ah

R

T Tj

T T

(12)

Donde AT es la temperatura obtenida por la intersección entre la extrapolación

de la curva de calentamiento y el eje vertical y 0T es la temperatura inicial del

alimento.

Los datos de la etapa de enfriamiento también pueden ser representados como se hizo

en la figura 6, pero cambiando la temperatura de operación del autoclave ( RT ), por la

temperatura del agua de enfriamiento ( wT ).

26

Figura 7 Curva de enfriamiento en escala semi-logarítmica8

De este gráfico se obtienen los parámetros de penetración de calor correspondientes a

la etapa de enfriamiento cf y cj .

0

'

'

w Ac

w

T Tj

T T

(13)

Donde 'AT es la temperatura obtenida por la intersección entre la extrapolación de la

curva de enfriamiento y el eje vertical y 0 'T es la temperatura del alimento al inicio de

la etapa de enfriamiento.

8 Elaboración propia a partir de la referencia [13] (pp.88)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2 4 6 8

Lo

g(T

-Tw

)

Tiempo (min)

fc

Log(TA-T

w)

Log(T’0-T

w)

27

2.5 Simulación de procesos

Los avances en el desarrollo matemático y computacional, han apoyado en los últimos

años al entendimiento de muchos procesos de transformación de alimentos. En el

caso de los tratamientos térmicos, las nuevas orientaciones en mejora de calidad y

reducción de gastos energéticos han motivado a empresas y centros de investigación

al desarrollo de estudios detallados de los fenómenos que controlan la transferencia

de calor, la destrucción de los microorganismos y a manejar en forma efectiva los

cambios de calidad de los productos.

La simulación del comportamiento térmico del producto es útil cuando se quiere

predecir el valor esterilizador que alcanza un determinado tratamiento, o cuando se

quiere conocer cuál debería ser el tiempo necesario de aplicación de una temperatura

para alcanzar la letalidad buscada.

La simulación ofrece mayor precisión y la reducción de pruebas experimentales,

disminuyendo con ello los costos de investigación y el tiempo que éste implica.

La simulación de diversos escenarios y condiciones de proceso, ha permitido además,

la optimización de los recursos energéticos y la calidad del producto, reduciendo así

los costos de producción y el ofrecimiento de productos seguros al consumidor.

28

2.5.1 Software de optimización y simulación de procesos termicos OPT-PROx

Es un software desarrollado por A. Abakarov y M. Nuñez [20] para llevar a cabo la

optimización basada en el procesamiento variable de la temperatura de proceso (RT )

y en la técnica de optimización global. Utiliza un algoritmo de búsqueda aleatoria

adaptativa, junto con el enfoque de las funciones de penalización, y el método de

diferencias finitas con aproximación de spline cúbica para la simulación y

optimización de procesos térmicos de alimentos. El programa ha sido probado con

éxito en problemas reales de procesamiento térmico, minimizando el tiempo total de

procesos utilizando como restricción la letalidad del proceso y la retención superficial

y promedio de parámetros de calidad del producto.

Restricciones

El software utiliza como restricciones para la optimización de los procesos térmicos,

la letalidad final alcanzada en el alimento, la retención de calidad promedio y la

retención superficial.

Para calcular la letalidad final requerida, el software utiliza la siguiente ecuación:

( )

0

0

( ) 10

reff

f

T Tt

zF t dt

(14)

Donde T es la temperatura en el punto frío o punto crítico del alimento, refT es la

temperatura de referencia y fz es la resistencia térmica del microorganismo.

29

Para calcular la retención de calidad promedio el software utiliza la siguiente

ecuación:

( )

0 0

1 ln10( ) exp 10

refcfT

c

T TtV

z

av f T

T refc

C t dt dVV D

(15)

Donde refcT es la temperatura de referencia,

cz y refcD son los parámetros cinéticos de

degradación de nutrientes.

Para calcular la retención superficial el software utiliza la siguiente ecuación:

0

ln10( ) exp 10

refsf

s

T Tt

z

f

refs

S t dtD

(16)

Donde refsT es la temperatura de referencia, sz y

refsD son los parámetros cinéticos de

degradación de nutrientes.

Para simular, la interfaz gráfica del software contiene una hoja de trabajo (Figura 4).

Donde pueden ser ingresadas las siguientes especificaciones:

Geometría del envase: Soporta geometrías esféricas, cilíndricas y rectangulares

Dimensiones del envase, diámetro y altura m

Difusividad térmica del alimento 𝑚2/𝑠

30

Temperatura inicial en el autoclave °C

Temperatura inicial en el punto frío del alimento °C

Rango de Temperatura de proceso °C

Rango de CUT min

Rango de Temperatura en el autoclave al finalizar el CUT °C

Rango de duración del enfriamiento del autoclave °C

Rango de Temperatura de agua de enfriamiento °C

Temperatura de referencia y valor Z del microorganismo patrón

Temperatura de referencia, valor Z y D del factor de calidad seleccionado

Rango de tiempo de operador min

Rango de letalidad acumulada del proceso min

31

Figura 8 Hoja simulación de procesos térmicos, Software OPT-PROx

De la simulación se obtienen datos de proceso ordenados en 3 columnas,

correspondientes a: tiempo, temperatura de autoclave ( RT ) y temperatura en el punto

frío.

2.6 Cálculo de procesos térmicos

El cálculo de procesos térmicos tiene como propósito determinar el tiempo de

tratamiento (ciclo de calentamiento y enfriamiento) apropiado, bajo un conjunto dado

de condiciones de proceso, para lograr una letalidad estipulada, o alternativamente,

estimar la letalidad de un proceso dado.

32

El grado deseado de letalidad (𝐹𝑜) en términos de tiempo equivalente a una

temperatura de referencia dada, generalmente esta preestablecido para distintos

tipos de alimentos, y los procesos están diseñados para entregar un mínimo de este

valor en el centro térmico.

Los principales métodos utilizados para el cálculo de procesos térmicos, derivan de

dos principales: el método General y el método de Ball. El método General integra los

efectos letales mediante un procedimiento de integración gráfica o numérica basado

en los datos de tiempo-temperatura obtenidos de pruebas en alimentos procesados en

condiciones de reales de procesos comerciales.

Por otra parte, el método de Ball y los métodos derivados de él (Hayakawa [21],

Stumbo [22]) hacen uso de parámetros obtenidos de los datos de penetración de calor

junto con diferentes procedimientos matemáticos para integrar los efectos letales.

2.7 Cálculo de procesos térmicos con el Método General

2.7.1 Cálculo de procesos térmicos con el método general

El método General descrito por Bigelow en 1920 sentó las bases para el desarrollo de

las técnicas para el cálculo de procesos térmicos. El método General original consistía

en una integración grafica de la tasa letal del perfil de temperatura obtenido en el

punto frío del producto para calcular el valor de la letalidad del proceso. Para obtener

un valor de letalidad preestablecido, el tiempo de proceso se incrementaba o acortaba

según fuera necesario iterando hasta obtener el valor de letalidad objetivo. Este

procedimiento gráfico resultaba muy tedioso y debido a esto el método ha pasado por

algunas modificaciones.

33

Una de ellas fue propuesta por Patashnik [23] que empleo una técnica de integración

numérica para calcular la letalidad del proceso, multiplicando la tasa letal (L) por un

intervalo de tiempo y luego sumando los valores de letalidad para obtener la letalidad

acumulada durante todo el proceso (calentamiento y enfriamiento). Ecuación (10)

El método General es el método más exacto [13] para determinar el valor de letalidad

de un proceso de calentamiento. En el método General se utilizan directamente los

datos de tiempo-temperatura obtenidos del proceso térmico. Este hecho permite que

se pueda aplicar a cualquier situación de proceso (modo de transferencia de calor), y

tipo de producto (propiedades del producto o dimensiones y forma del envase).

2.7.2 Extensión del Método General

Procedimiento que permite una aplicación más amplia del método general [24]. Es

decir, que además de su aplicación común de calcular la letalidad o el tiempo para

lograr una letalidad designada de un set de datos de penetración de calor, también

puede ser utilizado para calcular el tiempo de proceso y la letalidad para condiciones

de proceso diferentes a las de las pruebas originales de penetración de calor.

Para calcular la letalidad de un set de datos de penetración de calor (experimentales o

simulados), el método utiliza un procedimiento de integración numérica (Gauss,

Simpson, trapezoidal, etc.) Este método además integra conceptos de transferencia de

calor, que derivan en relaciones adimensionales que permiten generar datos de

proceso a partir de los datos ya existentes.

34

2.7.3 Cálculo del tiempo de proceso para una letalidad preestablecida

Para obtener el tiempo de proceso necesario para lograr un valor de letalidad

requerido (rF ), el método primero calcula la letalidad del proceso existente (

pF ) y

luego según sea el caso evalúa 3 posibles escenarios: 1) (pF ) (

rF ); 2) (pF ) (

rF ) y

3) (pF ) ( rF )

En el primer escenario (pF ) ( rF ) el tiempo de proceso debe ser acortado hasta

lograr que (pF ) ( rF ), esto se lleva a cabo acortando el tiempo de operador tP

(desplazando el perfil de enfriamiento hacía la izquierda) y luego según sea la

distribución de temperaturas lograda hasta ese punto del proceso, se asume el mismo

perfil de enfriamiento o se generan nuevos datos de temperatura para esta etapa,

utilizando una razón adimensional de temperaturas derivada de modelos de

transferencia de calor.

, ,

0 0

' '

' '

r c p r c p

r r

T T T Tconstante

T T T T

(17)

Y para la fase de enfriamiento:

, ,

0 0

' '

' '

w c p w c p

w w

T T T Tconstante

T T T T

(18)

,c pT Corresponde a la temperatura en el punto frío del alimento.

35

El tercer escenario es más complicado en el sentido de que deben ser generados datos

de temperatura de proceso hasta que (pF ) (

rF ), para ello se incrementa el tiempo de

operador tP y por tanto el perfil de enfriamiento se desplaza hacia la derecha. Para

ello se usa la razón adimensional de temperaturas para generar más datos de proceso,

pero teniendo consideración la distribución de temperatura en el punto del proceso y

la inercia térmica.

2.7.4 Cálculo de procesos térmicos en condiciones distintas a las registradas experimentalmente.

Para calcular la letalidad o el tiempo de proceso dada una letalidad objetivo para

condiciones distintas, que pueden ser, Temperatura de proceso, temperatura inicial

del producto o la temperatura del agua de enfriamiento se debe genera un nuevo

perfil de proceso (tiempo-temperatura) y de él, evaluar el valor de letalidad u obtener

el tiempo de proceso.

Para lograr esto se utiliza nuevamente la razón adimensional de temperaturas, pero

para sobrepasar el obstáculo que implica la evaluación de una temperatura de

autoclave constante, es que se divide en 3 situaciones:

1) Temperatura durante el CUT; se asume de forma lineal T a bt

2) Temperatura durante el tiempo de operador; se asume constante e igual a T

operación

3) Temperatura durante el enfriamiento: Temperatura constante e igual a la

temperatura de enfriamiento ( wT )

36

Luego la fórmula debe ser utilizada teniendo en consideración la inercia térmica

implicada en pasar desde una temperatura de proceso mayor a una menor o viceversa

2.7.5 Software Método General.

Para el cálculo de procesos térmicos basado en el método de General mejorado, fue

implementado un software llamado “Bigelow’s General Method” y puede ser utilizado

de forma muy sencilla.

Los datos de penetración de calor experimentales o simulados, pueden ser cargados

desde un archivo Excel y de ellos se puede extraer el valor de letalidad, calcular el

tiempo de proceso seteando un valor de letalidad y además realizar los cálculos para

condiciones de proceso diferentes al proceso cargado.

Figura 9 Imagen software Método General

37

Este software entrega una gran flexibilidad para el cálculo de procesos térmicos y es

una excelente opción para ser usado en aplicaciones para investigación, estudio o en

la industria.

2.8 Cálculo de procesos térmicos con el Método de Ball

El método fórmula de Ball es uno de los procedimientos más utilizado para el cálculo

de procesos térmicos. Los atributos de este método son: 1) puede determinar el

tiempo de proceso para una letalidad preestablecida; 2) Puede ser utilizado para

calcular la letalidad de un proceso; 3) debido a que utiliza datos de la curva de

penetración de calor de forma paramétrica (valores f y j ) nuevos procesos para el

mismo producto y en diferentes dimensiones de envase (cilíndricos) pueden ser

calculados directamente utilizando procedimientos de conversión de parámetros; y 4)

nuevos procesos pueden ser directamente calculados si se cambian la temperatura

del medio calefactor ( rT ) o la temperatura inicial del producto ( 0T ).

El método de Ball se basa en la siguiente ecuación derivada de la curva de penetración

de calor.

0( )

log( )

h rB h

r

j T Tt f

T T

(19)

Donde Bt es el tiempo de proceso ( 0,42B tt CUT P ), hf y hj son los parámetros

de la curva de penetración de calor, 0T es la temperatura inicial del alimento, ( rT ) la

temperatura del medio calefactor.

38

Para el cálculo de la letalidad, Ball divide el proceso en dos. La letalidad total del

proceso va a ser la suma de la letalidad lograda en el calentamiento (hF ) más la

letalidad alcanzada durante el enfriamiento ( cF ). [25]

T h cF F F (20)

Para el cálculo de la letalidad en el enfriamiento, el método separa en dos partes la

curva. En el periodo inicial del enfriamiento, Ball ajusta los datos experimentales a

una hipérbola en coordenadas cartesianas. En la porción logarítmica de la curva de

enfriamiento Ball asume que el valor f el enfriamiento es igual al valor f del

calentamiento. [26] Los supuestos provocan un mal ajuste en la etapa de enfriamiento,

que resulta en una sub estimación de la letalidad del proceso y una sobre estimación

del tiempo de proceso.

2.8.1 Software Método de Ball

PEvaluator [27] es un software desarrollado para realizar el cálculo de procesos

térmicos con el método de Ball. Los datos de proceso a ser evaluados pueden ser

importados desde una planilla Excel.

El software estima los parámetros de las curvas de penetración de calor 𝑓ℎ y 𝑗ℎ

mediante regresión lineal de los datos de penetración de calor analizados.

39

Figura 10. Imagen Software Método de Ball

El software además presenta la opción de calcular el tiempo de operador necesario

para obtener un valor dado de letalidad del proceso, igualmente puede realizar este

cálculo cambiando las condiciones de operación, correspondientes a la temperatura

de proceso y temperatura inicial de alimento.

40

CAPÍTULO III -

MATERIALES Y MÉTODOS

41

MATERIALES Y MÉTODOS 3.

Para realizar la comparación de los métodos General y de Ball en el cálculo de

procesos térmicos se evaluaron procesos simulados y experimentales, por tanto el

estudio fue dividido en dos partes, tal como se muestra en la figura 7.

Figura 11 Esquema resumen metodología

42

Se buscó comparar la capacidad de ambos métodos en la estimación del tiempo de

operador Pt de procesos simulados evaluados y la estimación del tiempo de operador

para condiciones de operación distintas a las analizadas en el proceso original.

3.1 Curvas de penetración de calor obtenidas mediante simulación

A continuación se mencionarán los softwares empleados en la simulación y evaluación

de los procesos.

Software de simulación

Para realizar la simulación de procesos y obtener las curvas de calentamiento, se

utilizó el software OPT-PROx9 .

Software método General

Para evaluar las curvas de penetración de calor obtenidas de simulación con el

método General mejorado, se utilizó el software Bigelow´s General Method10.

Software método de Ball

Para evaluar las curvas de penetración de calor obtenidas de simulación con el

método de Ball, Se utilizó el software PEvaluator11.

9 Referencia [11] (pp.270)

10 Referencia [11] (pp. 274)

11 Referencia [11] (pp.272)

43

3.1.1 Metodología etapa simulación

La metodología en la parte de simulación contempla 2 fases, la primera es la

generación de datos de procesos correspondientes a curvas de penetración de calor y

luego la evaluación de estos datos con los softwares de los métodos General y de Ball

3.1.2 Obtención de perfiles de temperatura simulados

En la generación de las curvas de penetración de calor, se procuró abarcar todas las

situaciones de procesamiento hallados en la industria. Para ello se realizó un diseño

de experimentos donde se escogieron dos variables: El valor 𝑓ℎ y la temperatura de

proceso.

Estas variables fueron escogidas porque inciden en el calentamiento y enfriamiento

del alimento, y pueden representar la mejor (𝑓ℎ pequeño y Temperatura alta) y peor

(𝑓ℎ grande y temperatura baja) condición de evaluación de los métodos de cálculo de

procesos térmicos estudiados.

Rango de 𝒇𝒉 seleccionado

El valor 𝑓ℎ involucra teóricamente las dimensiones del envase y la difusividad térmica

del alimento. En el caso de los alimentos conductivos varía aproximadamente entre

[12-200] min. Para la simulación de los procesos se escogieron 9 valores de 𝑓ℎ dentro

de este rango. [28]

Para conformar el rango de 𝑓ℎ se utilizaron dimensiones de envases encontradas en

literatura y se varió arbitrariamente la difusividad térmica del alimento dentro del

rango [1,00 ∙ 10−7 − 2,00 ∙ 10−7] 𝑚2/𝑠 [29]

44

Tabla 3 Dimensiones de envase y difusividad térmica utilizados para formar el rango de fh.

Diámetro m Altura m 𝛼 𝑚2/𝑠 𝑓ℎ min

0,052 0,038 2,00 ∙ 10−7 12,47 0,065 0,053 1,34 ∙ 10−7 31,87 0,073 0,115 1,25 ∙ 10−7 60,36 0,083 0,106 1,00 ∙ 10−7 90,61 0,099 0,119 1,14 ∙ 10−7 110,13 0,104 0,117 1,15 ∙ 10−7 136,02 0,127 0,140 1,32 ∙ 10−7 150,06 0,151 0,178 1,69 ∙ 10−7 171,28 0,153 0,152 1,34 ∙ 10−7 202,38

Rango de temperaturas

Las temperaturas en los procesos de esterilización comercial de alimentos oscilan

entre [110-130]°C. [3]. Para realizar las simulaciones se escogieron las siguientes

temperaturas de proceso: 110, 114, 118,121, 124, 127 y 130°C.

Simulación de procesos

Para generar los datos de procesos térmicos con el software de simulación OPT-PROx,

se utilizaron para todos los procesos, los datos siguientes datos de entrada

45

Tabla 4 : Condiciones generales de los procesos simulados

Condiciones proceso simulado

Temperatura inicial punto frío del alimento °C 45 Temperatura inicial autoclave °C 20 Come up time CUT min 10 Duración enfriamiento autoclave min 0 Temperatura del agua de enfriamiento min 25 Temperatura final punto frío del alimento °C 60 Temperatura de referencia microorganismo patrón °C (C.B) 121,1 Valor Z de referencia microorganismo patrón °C (C.B) 10 Valor Z de referencia (Tiamina) min 30 Valor D de referencia (Tiamina) min 250 Temperatura de referencia (Tiamina) °C 121,1 𝐹𝑜 min 6

Los datos de entrada particulares a cada proceso corresponden a las temperaturas de

operación y valores hf (dimensiones de envase y difusividad térmica) descritos

anteriormente, dando como resultado 63 procesos.

Los datos de cada proceso fueron entregados por el programa en formato texto,

ordenados en 3 columnas correspondientes a; Tiempo de proceso en minutos,

Temperatura de autoclave °C y Temperatura en el punto frío del alimento °C. Estos

datos luego fueron traspasados a una planilla Excel donde pudieron ser analizados por

los softwares para la evaluación de los procesos con los métodos General y de Ball.

3.1.3 Cálculo de Pt con los métodos General y de Ball

Una vez obtenidos los datos de penetración de calor de los 63 procesos, el siguiente

paso fue evaluarlos con los programas del método General y de Ball.

46

Para evaluarlos se cargaron los datos de los 63 proceso en cada software y se utilizó

la opción de los programas implementada para determinar el tiempo de operador (Pt)

necesario para lograr una letalidad objetivo, la cual se fijó en 𝐹𝑜 = 6 min.

Una vez obtenidos los tiempos de operador (Pt) de todos los procesos analizados,

estos se ordenaron en tablas para luego ser contrastados con el tiempo de operador

(Pt) de los procesos simulados.

Para realizar la comparación, se recurrió al cálculo el error porcentual entre los

tiempos de operador de los procesos simulados y los tiempos de operador predichos

por los dos métodos estudiados.

3.1.4 Cálculo de Pt a temperaturas distintas

En esta parte se buscó comparar la capacidad de los métodos General y de Ball de

predecir un tiempo de operador a una temperatura de proceso distinta a la utilizada

en el perfil original analizado.

Para ello se consideraron dos casos: En el primer caso se tomaron los datos de

procesos simulados a una temperatura de 110 °C y se cargaron en los software de los

métodos General y de Ball. Luego se utilizó una de las funciones de los programas que

permitió calcular el tiempo de operador para un nuevo proceso realizado a una

temperatura de 130 °C fijando una letalidad objetivo 𝐹𝑜 = 6 min. El segundo caso se

llevó a cabo de la misma manera, pero a la inversa, es decir se tomaron datos

simulados a 130 °C y se predijo el tiempo de operador para un proceso realizado a

110 °C.

47

Los tiempos de operador entregados por los métodos para los procesos a 110°C y

130°C se compararon con los datos simulados a las mismas temperaturas. La

comparación se realizó mediante el cálculo del error porcentual.

3.1.5 Cálculo de Fo y parámetros de calidad

En esta fase se intenta demostrar cómo afecta una mala predicción del tiempo de

operador, en las propiedades de calidad del producto.

Para ello se tomaron los tiempos de operador predichos por los métodos General y de

Ball (ajustados para obtener una letalidad igual a 6 min) y se ingresaron al software

de simulación. De esta simulación se obtuvo el valor de letalidad alcanzado con los

tiempos predichos y el valor de los parámetros de calidad incluidos en el software,

correspondientes al promedio de retención en la superficie de un factor de calidad

determinado, en este caso Tiamina.

Los valores de letalidad y retención en la superficie son comparados con los

obtenidos de los procesos simulados de letalidad 𝐹𝑜 = 6 min.

48

3.2 Curvas de penetración de calor obtenidas mediante

procedimiento experimental

3.2.1 Materia prima

El alimento seleccionado, para realizar los procesos de esterilización comercial y

obtener las curvas de penetración de calor, fue atún desmenuzado en agua marca

“Acuenta”. Producto de baja acidez (pH >4,6) y fácil de compactar para asemejarlo

con un alimento sólido homogénea (transferencia de calor por conducción).

Figura 12 Atún desmenuzado en agua

49

3.2.2 Envases

Los envases cilíndricos de hojalata utilizados para colocar el atún y llevar a cabo el

proceso térmico fueron proporcionados por la empresa Auxiliar Conservera. Se

manipularon dos formatos de envase de igual diámetro pero de distinta altura, con el

fin de evaluar dos condiciones de calentamiento distintas (valores de 𝑓ℎ diferentes).

Tabla 5. Dimensiones de los envases utilizados en los experimentos

Modelo Diámetro mm Altura mm Capacidad ml

¼ Kg 73 58,5 212 ½ Kg 73 110,5 425

Figura 13 Envases de hojalata

50

3.2.3 Sistema de sellado

Para cerrar herméticamente los envases de hojalata, se utilizó una marca TITUS

SCHOCH TISCHO con las siguientes especificaciones

Tabla 6. Especificaciones de máquina selladora

Fabricante TITUS SCHOCH TISCHO Modelo Peso Conexión Dimensiones Dimensiones envase admitidas

DV 5 R 28 kg

400V/50 Hz 400[mm] ancho x 1400 mm alto

Desde 63 a 113 mm

Figura 14 Máquina selladora

51

3.2.4 Sensores de temperatura y adaptador de termopares

Se utilizaron Termopares de Cobre Constantán (tipo T, Cu-Cu-Ni) para medir las

temperaturas en el punto frío del alimento y en el interior del autoclave durante las

pruebas de penetración de calor.

Figura 15 Sensor y adaptador de Termopar

Para unir las termopar al envase de hojalata, se utilizó un dispositivo de acople que

consistió en una tuerca de adaptación, una tuerca de ajuste y una golilla de goma. Que

junto

Figura 16 Dispositivo de ajuste de termopar

52

3.2.5 Sistema de adquisición de datos

Para registrar la temperatura del alimento y autoclave durante el proceso de

esterilización, se conectaron los termopares a un módulo de adquisición de datos

OMEGA modelo OMB-DAQ 2161, Norwalk, Estados Unidos.

Especificaciones: Entrada analógica de 24 bits para voltaje o temperatura, ocho líneas

de E/S digital y dos contadores, 4 canales de salida analógica con 16 bits de

resolución, +/- 10V de rango de salida, velocidad de actualización total de 1000 Hz,

con conexión USB

Figura 17 Sistema de adquisición de datos

Para la captura de datos se requirió la ejecución de un programa que permitió

visualizar los datos en tiempo real en una planilla Excel.

53

3.2.6 Sistema de esterilización

Para realizar el proceso de esterilización de atún, se utilizó un autoclave vertical tipo

Batch sin agitación, con un sistema de medición de presión (manómetro USG rango 0-

6 kg/𝑐𝑚2) y temperatura (TRERICE rango 0- 160°C) adherido. Como fluido calefactor

se empleó vapor saturado suministrado por una caldera ubicada a un costado del

laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad.

Tabla 7. Especificaciones autoclave

Marca LOVELESS Modelo Presión máxima Temperatura máxima Distribuidor de vapor Purgas Válvula de venteo Sistema de tuberías de vapor Entradas de aire Cañería de condensado

177 40 bar 140 °C

Cruceta con 23 orificios ( ∅=2,5 mm) 2 de ∅=2 mm

∅=34 mm Cañerías de ∅=35,5 mm (externo)

Dos de ∅=14 mm y ∅=43 mm Cañerías de ∅=29 mm (externo)

Para realizar la etapa de enfriamiento del proceso se utilizó un sistema auxiliar de

alimentación de agua a alta presión que incluyó una bomba centrifuga y un tambor

para la acumulación de agua.

54

Figura 18 Autoclave

Figura 19 Sistema auxiliar de alimentación de agua

55

3.2.7 Metodología etapa experimental

La metodología en la parte experimental contempló 2 fases, la primera consistió en

obtener curvas de penetración de calor de dos procesos de esterilización aplicados a

atún en dos formatos de envase distintos. Los procesos se realizaron a temperaturas

de operación de 115°C y 126°C.

Luego se realizó la evaluación de los datos obtenidos con los softwares del método

General y de Ball.

3.2.8 Preparación de la muestra

Antes que todo, fue necesario preparar los envases de hojalata a utilizar, adhiriendo a

ellos el dispositivo de ajuste de termopares para poder ingresar el termopar dentro

del alimento manteniendo hermético el envase. Los termopares fueron posicionados

en el punto frío del alimento que en alimentos conductivos corresponde a su centro

geométrico. Luego se examinó la impermeabilidad del sistema agregándole agua fría y

caliente y verificando que no se generarán filtraciones.

Figura 20 Sistema envase de hojalata con dispositivo de ajuste.

56

La preparación de la muestra de alimento consistió en formar una pasta de atún,

drenando todo el líquido contenido en la conserva y compactándolo.

Figura 21 Atún drenado y compactado

Una vez formada la pasta, se introdujo en los envases de hojalata. Luego los envases

fueron llevados a una maquina selladora, donde se consiguió un cierre hermético.

Figura 22 Sellado

57

3.2.9 Proceso térmico y obtención de datos

Antes de empezar el proceso de esterilización, se configuro el sistema de adquisición

de datos para registrar los datos de temperatura de todos los termopares en un

intervalo de 10 segundos. El software de captura de datos implementado como

complemento en el programa Excel se configuró de modo que calculara el valor de 𝐹𝑜

en línea.

Figura 23 Sistema de adquisición de datos.

Al sistema de adquisición de datos se conectaron 4 termopares: 2 para registrar la

temperatura en el interior del autoclave y 2 para registrar la temperatura en el punto

frío del alimento, esto se realizó de la misma forma para los 4 procesos realizados.

Una vez instalados las latas y los termopares dentro del autoclave, se cerró y se dio

inicio al proceso. Para los procesos realizados a una temperatura de 115°C se utilizó

una presión de 0,8 bar, mientras que para los procesos realizados a una temperatura

de 126°C se usó una presión de 1,6 bar.

58

Etapas del proceso de esterilización

CUT

Antes de dar inicio al proceso, se verificó que la válvula de salida de

condensado y la válvula de venteo estuviesen abiertas. Luego lentamente se

dio paso al vapor y se observó el aumento de la temperatura en el interior del

autoclave hasta que alcanzó los 100°C. Luego se procedió a cerrar las válvulas

de salida de condensado y venteo respetivamente, aumentando

progresivamente la presión en el interior del autoclave hasta que se alcanzará

la temperatura de proceso (115°C o 126°C según fuera el caso).

Proceso a temperatura constante

En esta etapa se controló la presión de forma manual de tal forma de mantener

una temperatura de proceso constante durante el tiempo necesario para que el

valor de 𝐹𝑜 visualizado en línea alcanzara un valor cercano a 6 min.

Enfriamiento

Para dar inicio al enfriamiento primero se cerró la válvula de entrada de vapor,

luego lentamente se abrió la válvula de venteo, para finalmente abrir la válvula

de entrada de agua y encender la bomba de alimentación. Esta etapa se

prolongó hasta que la temperatura en el centro del alimento alcanzó como

mínimo una temperatura de 35°C.

59

3.2.10 Cálculo de Pt con los métodos General y de Ball

Los datos experimentales obtenidos del proceso térmico se evaluaron con los métodos

General y de Ball para obtener el tiempo de operador. Luego los tiempos de operador

predichos por ambos métodos se compararon con el tiempo obtenido de forma

experimental, mediante diferencias y error porcentual.

3.2.11 Cálculo de Pt a temperaturas distintas a las utilizadas en los procesos originales

Para realizar esto, se evalúan los datos obtenidos en el proceso realizado a 115°C y se

estima el tiempo de operador del proceso realizado a 126°C, y luego viceversa.

Posteriormente se comparan los resultados de la estimación con los tiempos

obtenidos experimentalmente para cada caso mediante diferencias y error porcentual.

60

CAPÍTULO IV -

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

61

RESULTADOS 4.

A continuación se presentan los resultados obtenidos de la evaluación de los datos

simulados y experimentales mediante los métodos General y de Ball

4.1 Resultados evaluación de datos simulados con los Métodos General y de Ball

4.1.1 Comparación del tiempo de operador Pt entre los métodos General y de Ball

Al comparar los tiempos de operador estimados con el Método General con los

tiempos de operador de los procesos simulados, no se hallaron diferencias, es decir,

en todos los casos (63 procesos) el tiempo de operador simulado resulto igual al

tiempo de operador calculado con el Método General. Esta similitud se debe a que el

software utilizado para simular los datos de proceso utiliza el mismo algoritmo para el

cálculo de la letalidad utilizado en el Método General.

En el caso del Método de Ball, el error en la estimación del tiempo de operador

aumenta a medida que aumentan la temperatura de proceso y el valor de hf , tal

como se observa en la Figura 24. El error en la estimación del tiempo de operador es

atribuido a errores en el cálculo de la letalidad en la etapa de enfriamiento [27].

Mientras mayor es la temperatura de proceso utilizada, mayor es la temperatura que

se alcanza en el punto frío del alimento, lo que provoca que la letalidad de la etapa de

enfriamiento aporte en mayor medida a la letalidad total del proceso. Algo similar

ocurre para valores altos de hf que representan una mayor inercia térmica, que

62

resulta en que el alimento demore más tiempo en enfriarse y por tanto, mayor será el

aporte del enfriamiento en el proceso total.

El peor escenario observado corresponde a un valor hf de 202 minutos y una

temperatura de 130°C, donde el error alcanza un valor del 26%. Mientras que en el

mejor escenario (temperatura 110°C y hf 12 minutos) se obtiene un 3% de error.

Figura 24 Error porcentual estimación del tiempo de operador Pt con el Método de Ball

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200

Err

or

po

rce

ntu

al

fh minutos

T 110°C T 114°C T 118°C T 121°C T 124°C T 127°C T 130°C

63

En la figura 24 se observan puntos que no siguen la tendencia. Para un valor hf de

136 minutos se observa un error menor en comparación con los puntos adyacentes.

Esto se debe a que el área por unidad de volumen en este envase es mayor a la de los

puntos adyacentes, por tanto la transferencia de calor ocurre de forma más rápida y la

letalidad calculada en la etapa de enfriamiento aporta en menor porcentaje a la

letalidad total.

4.1.2 Comparación Cálculo del tiempo de operador Pt a distintas temperaturas

A continuación se presenta el error porcentual en la estimación del tiempo de

operador, con los Métodos General y de Ball, para un proceso realizado a 130°C a

partir de datos de penetración de calor a realizados a 110°C.

Figura 25 Errores porcentuales métodos general y de Ball (de 110°C a 130°C)

0

5

10

15

20

0 50 100 150 200

% e

rro

r

fh minutos

Error porcentual método de Ball Error porcentual método General

64

Los errores porcentuales predichos con el método de Ball alcanzan en el peor

escenario un valor del 19%, aumentado a medida que aumenta el valor de hf .

Por otra parte los errores obtenidos con el método General oscilan en torno al 7%, un

valor considerablemente menor.

Se puede apreciar que el método General permite predecir con mayor exactitud el

tiempo de operador al cambiar esta condición de proceso distinta a la evaluada en el

proceso original.

A continuación se presentan los resultados obtenidos de la predicción del tiempo de

operador a una temperatura de 110°C analizando datos de proceso a 130°C

Figura 26 Errores porcentuales métodos general y de Ball (datos de 130°C a 110°C)

0

5

10

15

0 50 100 150 200

% E

rro

r

fh minutos

Error porcentual método de Ball Error porcentual método General

65

Cuando se toman como base para el análisis datos a una temperatura de 130°C y se

predicen para una temperatura menor de 110°C los errores porcentuales de ambos

métodos van en aumento.

Este aumento en el caso del método de Ball llega hasta un valor de 9% mientras que el

método General alcanza un valor de 6%.

En todos los casos analizados el método General mostró una mayor capacidad para la

estimación del tiempo de operador de procesos térmicos, superando en exactitud al

método de Ball.

4.1.3 Simulación de procesos utilizando el tiempo estimado con el método de Ball

El Método de Ball sobreestima el tiempo de operador, al utilizar este tiempo para

realizar los procesos térmicos, se procesa más tiempo del necesario, lo que trae como

consecuencias la disminución innecesaria de la calidad del producto, pérdidas de

energía y bajas de productividad.

Para evaluar los efectos de una mala estimación del tiempo de operador, se generaron

datos de procesos mediante simulación, utilizando el tiempo estimado con el Método

de Ball.

Para evaluar la pérdida de calidad del producto, se comparó la retención de Tiamina

en la superficie del alimento obtenida del proceso simulado original, con el proceso

simulado utilizando el tiempo estimado con el Método de Ball.

A continuación se presenta un gráfico que muestra la disminución del porcentaje de

retención de Tiamina en la superficie del alimento.

66

Figura 27 Efecto del valor fh y la temperatura de proceso en la retención de Tiamina promedio en el producto

En la Figura 27 se aprecia que a una temperatura de 110°C la disminución porcentual

promedio no supera el 4,5% para el mayor valor de 𝑓ℎ. Mientras que en el peor

escenario (temperatura de 130°C y un valor de 𝑓ℎ de 200 min la retención en la

superficie disminuye casi en un 11%.

La figura 28 muestra el porcentaje de aumento en el tiempo de proceso al utilizar el

tiempo de operador estimado con el método de Ball. El tiempo aumenta a medida que

aumenta la temperatura de proceso y el valor de hf . En el peor escenario se muestra

un aumento del 11% en el tiempo total de proceso, lo que equivale a 36 minutos

extras de proceso.

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200

dis

min

uci

ón

% d

e r

ete

nci

ón

fh min

110[°C] 114[°C] 118[°C] 121[°C] 124[°C] 127[°C] 130[°C]

67

Figura 28. Porcentaje de aumento en el tiempo total de proceso

Al operar más tiempo del necesario se consume mayor energía y la productividad del

proceso disminuye.

Sin embargo el consumo de energía atribuido a una mala estimación del tiempo de

operador, no aumenta significativamente, ya que en los procesos Batch de

esterilización comercial, los consumos máximos se producen en los primeros minutos

[30], que corresponde al tiempo que tarda el autoclave en llegar a la temperatura de

proceso. El ahorro de unos minutos, una vez pasado este periodo inicial, no disminuye

de forma significativa el consumo total de energía. La figura 29 muestra una curva

típica de consumo de energía, y en ella se puede apreciar que para tiempos superiores

a 10 minutos el consumo de energía es bajo y casi constante.

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

0 50 100 150 200 250

% a

um

en

to d

e t

iem

po

de

pro

ceso

fh minutos

T 110°C T 114°C T 118°C T 121°C T 124°C T 127°C T 130°C

68

Figura 29. Comparación del consumo de vapor para autoclaves aislados y no aislados12

El aumento del tiempo de proceso afecta más significativamente la productividad ya

que se producirán menos Batchs por día en comparación a la capacidad total de la

planta. La siguiente expresión permite el cálculo del número de unidades producidas

en una jornada en la planta procesadora.

A cB

t

c o d

N N HN

t t t

(21)

12

Fuente: Imagen seleccionada desde referencia [29]

69

Donde AN corresponde al número de autoclaves existentes en la planta, para efectos

del cálculo de la productividad se asume que todos tienen las mismas características.

cBN Corresponde al número de unidades producidas en cada autoclave. H Representa

el tiempo de operación de la planta durante una jornada. ct Es el tiempo de carga del

autoclave. ot Corresponde al tiempo de operación del autoclave. dt Es el tiempo de

descarga del autoclave.

Como se puede observar en la ecuación (21) un aumento en el tiempo de operación

del autoclave, disminuye la productividad de la planta. En el peor de los casos bajo

estudio ( hf grande, temperatura alta) la productividad disminuye en un 9%.

70

4.2 Resultados análisis de datos experimentales

4.2.1 Cálculo del tiempo de proceso con los métodos General y de Ball

A continuación se presenta el error porcentual en la estimación del tiempo de

operador con los Métodos general y de Ball de los procesos obtenidos de forma

experimental.

Tabla 8 Estimación tiempo de operador Método de General formato 73X 58,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt General

min

% error

115°C 5,27 58,20 58,33 0% 126°C 4,13 33,16 33,16 0%

Tabla 9 Estimación tiempo de operador Método de Ball formato 73X 58,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt Ball min

% error

115°C 5,27 58,20 64,88 11% 126°C 4,13 33,16 37,84 14%

71

Tabla 10 Estimación tiempo de operador Método General formato 73X 110,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt General

min

% error

115°C 6,58 70,50 70,49 0% 126[°C] 3,54 45 44,83 0%

Tabla 11 Estimación tiempo de operador Método de Ball formato 73X 110,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt Ball min

% error

115°C 6,58 70,5 81,27 15% 126°C 3,54 45 52,20 18%

Se puede observar que el método General estimo de forma muy exacta el tiempo de

operador de todos los procesos, independiente de la temperatura de operación y de

las dimensiones de envase utilizado. Por otro lado el método de Ball presento

inexactitudes en todos los cálculos.

Los errores obtenidos con el método de Ball aumentan a medida que aumenta la

temperatura y el tamaño del envase. Sin embargo la diferencia no es tan marcada,

esto se debe principalmente a que las dimensiones de los envases fueron muy

similares.

72

4.2.2 Cálculo de Pt a temperaturas distintas a las utilizadas en los procesos originales

A continuación se presentan los resultados obtenidos al calcular el tiempo de

operador para condiciones de temperatura diferentes a las utilizadas en los perfiles

experimentales analizados.

Método General

Tabla 12. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método General formato 73X8,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt General

min

% error

115°C 5,27 58,20 58,50 1,00% 126°C 4,13 33,16 33,50 0,51%

Tabla 13. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método General formato 73X110,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt General

min

% error

115°C 6,58 70,5 70,6 0% 126°C 3,54 45 44,99 0%

Se observa que el método General no presenta problemas para estimar el tiempo de

operador cambiando las condiciones del proceso original analizado, las desviaciones

observadas son mínimas.

73

Método de Ball

Tabla 14. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método de Ball formato 73X58,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt Ball min

% error

115°C 5,27 58,20 66,95 15% 126°C 4,13 33,16 34,82 5%

Tabla 15. Estimación tiempo de operador a temperatura distinta con el Método de Ball formato 73X110,5mm

Temperaturas °C

𝐹𝑜 experimental

min

Pt Experimental

min

Pt Ball min

% error

115°C 6,58 70,5 92,95 24% 126°C 3,54 45 48,82 8%

El método de Ball presenta desviaciones al momento de estimar el tiempo de

operador para una condición de temperatura distinta a la utilizada en los datos de

proceso analizados. El error es mayor cuando se estima el tiempo de operador en el

envase de altura 110,5mm y cuando se analizan datos de procesos a 126°C para

estimar el tiempo de operador a una temperatura de 115°C. Esto se debe a que en

estas condiciones la letalidad estimada mediante el método de Ball tiene un mayor

aporte de la etapa de enfriamiento.

Lo que se puede extraer de todos los experimentos, es que el método General predijo

de forma muy exacta el tiempo de operador en todas las condiciones de

procesamiento analizadas.

74

CAPÍTULO V - CONCLUSIONES

75

CONCLUSIONES 5.

El Método General presentó mayor exactitud en la estimación del tiempo de operador

en todas las situaciones analizadas en este estudio, incluso en la predicción de los

tiempos de operador de procesos realizados a una temperatura distinta a la utilizada

en los datos de penetración de calor analizados.

En el peor caso analizado, el Método de Ball presenta errores cercanos al 26% en la

estimación del tiempo de operador, lo que resulta en una pérdida innecesaria de

calidad (hasta en un 11% en el peor de los casos) del producto tratado y una pérdida

de productividad de hasta un 9% aproximadamente.

En base a la comparación efectuada, se concluye que el Método General es el

procedimiento más adecuado para el cálculo de procesos térmicos (letalidad-tiempo

de proceso).

76

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79

ANEXOS

5.1 Error porcentual estimación del tiempo de operador con el método de Ball.

Tabla 16. Errores porcentuales estimación del tiempo de operador con Método de Ball

𝑓ℎ

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

110

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

114

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

118

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

121

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

124

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

127

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

130

12 3,0% 5,7% 7,7% 9,1% 12,3% 15,0% 17%

30 4,5% 7,8% 10,4% 12,6% 14,2% 16,4% 18%

60

90

110

136

150

171

202

5,4%

6,8%

7,9%

6,1%

8,4%

9,5%

9,7%

8,5%

9,1%

9,8%

6,9%

10,7%

10,9%

11,6%

9,4%

11,3%

12,1%

7,1%

13,6%

13,7%

14,1%

11,9%

13,4%

14,8%

8,3%

15,8%

16,2%

17,0%

13,%

15,9%

16,5%

10,36%

16,9%

17,5%

18,1%

16,1%

17,7%

18,9%

12,0%

20,5%

21,0%

22,6%

18%

21%

22%

15%

23%

24%

26%

80

5.2 Disminución porcentual de retención de Tiamina promedio en el alimento

Tabla 17. Disminución porcentual de Tiamina en la superficie del alimento

𝑓ℎ

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

110

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

114

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

118

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

121

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

124

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

127

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

130

12 0,5% 0,8% 0,9%% 1,3% 1,4% 2,0% 2,4%

30 1,2% 1,8% 2,5% 3,0% 3,6% 4,1% 5,0%

60

90

110

136

150

171

202

1,8%

2,6%

3,1%

2,9%

3,7%

3,9%

4,4%

2,6%

3,7%

4,2%

4,0%

5,1%

5,2%

5,8%

3,4%

4,8%

5,4%

5,1%

6,4%

6,6%

7,2%

4,2%

5,6%

6,4%

5,9%

7,4%

7,5%

8,2%

4,9%

6,6%

7,3%

6,7%

8,4%

8,5%

9,1%

5,7%

7,5%

8,2%

7,5%

9,3%

9,4%

10,1%

6,3%

8,3%

9,1%

8,3%

10,2%

10,2%

10,9%

81

5.3 Aumento porcentual del tiempo de proceso

Tabla 18. Aumento porcentual del tiempo de proceso

𝑓ℎ

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

110

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

114

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

118

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

121

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

124

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

127

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜

130

12 2% 3% 4% 4% 5% 5% 5%

30 3% 4% 5% 6% 7% 7% 8%

60

90

110

136

150

171

202

4%

5%

5%

2%

6%

6%

6%

6%

7%

7%

3%

8%

8%

8%

6%

7%

7%

3%

8%

8%

8%

6%

7%

8%

3%

9%

8%

9%

7%

8%

8%

4%

9%

9%

10%

7%

8%

9%

4%

10%

10%

10%

8%

9%

10%

5%

10%

10%

11%

82

5.4 Imágenes de simulación de procesos

Figura 30. Simulación proceso, envase cilíndrico 52mm x 38mm, fh 12 minutos, temperatura proceso 110°C

83

Figura 31. Simulación proceso, envase cilíndrico 153mm x 152mm, fh 202 minutos, temperatura proceso 110°C

84

Figura 32. Simulación proceso, envase cilíndrico 52mm x 38mm, fh12 minutos, temperatura proceso 130°C

85

Figura 33. Simulación proceso, envase cilíndrico153mm x 152mm, fh 202 minutos, temperatura proceso 130°C