microbiologia, tratamiento termico gerber

Productos Gerber, S.A. de C.V.

Captulo 1

MICROBIOLOGIA DE ALIMENTOS

I. Introduccin

A. Hechos histricos

A partir del descubrimiento de los microorganismos y de su participacin como causa de enfermedad (finales del siglo XIX), se establecieron las bases para la generacin de principios cientficos que permitiran prevenir la contaminacin, impedir la proliferacin, inactivar de manera segura los agentes patgenos microbianos en los alimentos y desarrollar tcnicas que permitan su deteccin.

B. Importancia

La microbiologa sanitaria del agua y los alimentos es una de las muchas especialidades en las que se desenvuelve la microbiologa, de ah que para ejercerla se requiere poseer conocimientos bsicos de la microbiologa.

Tres razones fundamentales justifican el estudio de los microorganismos en los alimentos: son causa de su deterioro, pueden provocar enfermedad en la poblacin y son utilizados para obtener variedades de alimentos.

En aos recientes se presenta un cambio muy marcado en la lista de agentes patgenos microbianos asociados al consumo de alimentos. Estos incluyen bacterias, virus y parsitos, de todos los cuales se dispone de registro de brotes. Entre los factores que propician esta nueva situacin hay que considerar cambios genticos que afectan la virulencia, adaptacin de los microorganismos y resistencia a los agentes antimicrobianos, cambios en los hbitos de alimentacin en muchas comunidades y pases, cambios en los sistemas de produccin y distribucin de los alimentos, incremento en la poblacin de los individuos hipersensibles, e incluso mejores tcnicas de laboratorio para detectar a esos microorganismos y poner de manifiesto sus atributos de patogenicidad.


II. Microorganismos de Inters

Los microorganismos de inters incluyen de manera convencional, bacterias, hongos, levaduras, protozoarios, virus, parsitos microscpicos y ciertas algas microscpicas.

Los microorganismos tienen acceso a los alimentos a travs de una diversidad de fuentes y mecanismos. En ellos, pueden simplemente sobrevivir sin dar lugar a modificaciones aparentes en sus caractersticas sensoriales. Eventualmente, cambios adversos subletales de la acidez, una alta o baja temperatura, la desecacin y otros, afectan su capacidad para proliferar en el alimento. Una vez que las condiciones se tornan favorables (por ejemplo, rehidratar leche en polvo, descongelar pescado), es posible, si los factores ecolgicos son propicios, la multiplicacin microbiana. Las consecuencias pueden ser el deterioro progresivo del alimento o un incremento en el riesgo a la salud consecutivo a su consumo.

A. Caractersticas Relevantes

Para comprender todos los eventos que son capaces de generar los microorganismos, es necesario considerar todas aquellas cualidades propias de los seres vivos.

Dimensiones

Heterogeneidad

Ubicuidad

Resistencia

Dinamicidad

Potencial metablico

Patogenicidad

Adaptabilidad

Plasticidad gentica

Cualidades que adquieren un significado singular en la microbiologa de los alimentos.

B. Tipos de Microorganismos

Nuestro inters reside en aquellos microorganismos con importancia en la industria de alimentos. La agrupacin en la siguiente descripcin es del todo convencional.

a. BACTERIAS

Las bacterias (bacilos) gram negativas por su capacidad patgena y deterioradora, tienen una importancia primordial. Se les agrupa primariamente como fermentadores y no fermentadores.

En el grupo de las bacterias gram positivas se encuentran cocos y bacilos; estos ltimos pueden o no ser esporulados.

Bacilos esporulados

Bacterias con muy amplia distribucin en la naturaleza a est grupo pertenecen gneros tanto aerobios con algunas especies anaerobias facultativas (Bacillus), anaerobios


(Clostridium)con especies patgenas, toxignicas, transmisibles por los alimentos. Es notable la termorresistencia de las esporas de algunas especies y cepas. Tienen papel destacado como deterioradores de alimentos especialmente asociados a su potencial fermentativo y putrefactivo. Incluyen especies psicrtrofas, mesfilas y termfilas. Algunos Bacillus muestran capacidad acidrica y desarrollan a pH cercanos a 3.8.

Bacilos no esporulados

Se pueden formar dos grupos, el de las bacterias lcticas, catalasa negativos y otro que es catalasa positivo (Staphylococcus, Micrococcus).

b. Hongos

Se encuentran extensamente distribuidos en la naturaleza. Algunos hongos durante su desarrollo forman estructuras que les confieren especial resistencia contra los efectos de agentes fsicos del medio (desecacin y alta temperatura). Sus requerimientos nutricionales son mnimos, con lmites de temperatura para su desarrollo de -6 a >70. Pueden crecer en ambientes con actividad de agua de hasta 0.64. Algunos hongos son termodricos, sus esporas muestran una menor termorresistencia que las bacterias, la mayora son aerbicos aunque pocos pueden tolerar bajos niveles de oxgeno. Su importancia en la microbiologa de alimentos consiste en la capacidad de algunas especies para formar en los alimentos toxinas poderosas (micotoxinas), su empleo en la maduracin de algunos productos y ser causa de alteraciones y descomposicin de los alimentos. Existen cepas productoras de antibiticos.

c. Levaduras

Organismos que pueden crecer tanto en presencia como ausencia de oxigeno, toleran condiciones de acidez (aunque menos que los hongos) crecen bien a pH entre 4.0 y 4.5. su actividad mnima de agua es de 0.88, prefieren ambientes con alta concentracin de sal o azcar lo que las califica como osmofilicas y finalmente no exhiben resistencia a las altas temperaturas.


III. Microbiologa en la Industria de Alimentos

A. Preservacin de Alimentos

Los intentos por preservar los alimentos contra el deterioro de alguna manera se han aplicado desde hace miles de aos. Generalmente los alimentos no se consumen tan pronto son recogidos de sus fuentes naturales. El proceso deteriorativo se acenta en funcin del tiempo transcurrido entre ambas acciones. Con diferente intensidad el problema se extiende a casi todos los alimentos: naturales, preparados, o procesados listos para consumirse.

Aunque las causas del deterioro pueden ser fsicas o puramente qumicas, la derivada de la actividad microbiana es notoriamente la ms prominente. La vulnerabilidad al deterioro vara segn la composicin del alimento.

Las repercusiones de la deficiente preservacin de los alimentos no se limitan al deterioro o prdida de la frescura, si bien estas son las que provocan una impresin mayor en los industriales y los consumidores mismos. Las consecuencias pueden manifestarse en la inocuidad, toda vez que la actividad microbiana se ve favorecida entre los microorganismos patgenos con potencial para proliferar en el alimento, o de la generacin de toxinas. La seleccin de las tcnicas de conservacin en consecuencia, debern considerar la restriccin de ambos tipos de microorganismos, deterioradores y patgenos.

La intervencin a travs de diversas tecnologas en la preservacin de los alimentos, se apoya en dos efectos primarios sobre los microorganismos: un retardo sobre su desarrollo (inhibicin) o su destruccin. La diferencia en ocasiones es slo cuestin de intensidad del tratamiento. Por otra parte, su eficacia suele variar con el tipo y abundancia de las poblaciones microbianas presentes y el alimento.

La preservacin de los alimentos a base de temperaturas elevadas es una forma muy segura, tanto por el efecto letal implicado, como por el control, que puede ejercerse sobre el proceso. Ese control permite aplicarlo de manera radical hasta conseguir una esterilidad microbiolgica, o tratamientos moderados que eviten cambios indeseables en las caractersticas sensoriales o nutritivas de los alimentos.

En la preservacin de los alimentos mediante el calor, algunos reciben el tratamiento una vez envasados. El control de la estabilidad del producto se apoya entonces en un tratamiento efectivo y la hermeticidad del recipiente Esta situacin ocurre tpicamente en los alimentos enlatados. Otras veces el alimento se esteriliza y as es envasado en un recipiente estril. La operacin resulta crtica para la estabilidad del producto. En este grupo se encuentran la leche ultrapasteurizada.

El concepto de alimento enlatado puede entenderse como aquel que se preserva mediante el calor en un recipiente hermticamente cerrado. Ambas condiciones son el principio de la autoconservacin del producto.

La base del procesamiento es la aplicacin de un tratamiento trmico calculado con precisin para darle estabilidad e inocuidad a un producto especfico, y una mnima afectacin negativa de sus caractersticas sensoriales. El inters de estos objetivos consiste en la eliminacin de los microorganismos patgenos y de aquellos que son capaces de proliferar en el producto durante su distribucin, almacenamiento y comercializacin. Es evidente que tal condicin (calificada de comercialmente estril), resulta compatible en un producto que contiene microorganismos viables pero sin


Por mucho tiempo se utiliz el llamado punto trmico mortal para medir la resistencia relativa al calor de los microorganismos. Una suspensin de este era calentada y peridicamente se transfera una asada de la suspensin a un caldo de cultivo apropiado y se incubaba. Se registraba el tubo en el cual ya no se observaba desarrollo, y se defina la temperatura correspondiente como el punto trmico mortal. Pronto result evidente la inconsistencia de tal medicin, pues era difcilmente reproducible debido a la diversidad de factores involucrados, y que se encontraban fuera de control. El ms significativo era que el tiempo requerido para la inactivacin total de todas las clulas presentes era dependiente no slo de la temperatura, sino de la concentracin de microorganismos en la suspencin de prueba. Una sola clula sobreviviente en la asada transferida al caldo conduca a la lectura final positiva del ensayo.

En el enfoque moderno, el clculo del tratamiento para destruir una cierta poblacin bacteriana se funda en la premisa de que la destruccin de un cultivo puro por efecto del calor hmedo a una temperatura constante sigue una cintica exponencial negativa: a intervalos iguales ocurre una reduccin de la misma magnitud en el nmero de bacterias. As la tasa de inactivacin resulta inversamente proporcional al tiempo en que ocurre la reduccin.

El valor D (tiempo de reduccin decimal) de un microorganismo se define como el tiempo necesario para que a una temperatura determinada, se reduzca 90% su poblacin en el material tratado. Es una expresin de la resistencia de un microorganismo al efecto de la temperatura. Se calcula mediante la frmula de Stumbo:

Dn= t / log a-log b,

Donde n es la temperatura del proceso, t el tiempo durante el cual se aplica esa temperatura, a nmero inicial de microorganismos, b nmero final de microorganismos

Tpicamente las grficas de sobrevivencia de los microorganismos al calor aparecen como lneas rectas. En ocasiones el trazo es distinto y aparecen lneas cncavas o convexas en el extremo de la recta. Se cree que estos trazos estn determinados por una distribucin no uniforme de clulas individuales con distinta termorresistencia; la grfica representara el comportamiento de poblaciones diferentes en ese carcter, dentro del mismo cultivo (Moatz, 1972). En el caso de las esporas eventualmente se aprecia un ligero incremento en el recuento de sobrevivientes. Es posible que el tratamiento trmico provoque cambios conformacionales en los inhibidores intrnsecos de la germinacin, o que el calor induzca a la espora a captar agua osmticamente como resultado del incremento de la solubilidad de compuestos como el dipicolinato de calcio en el centro de la espora y el incremento de humedad desencadene la germinacin (Mossel y col., 1995)


Valor D100 (min.) de algunas esporas de bacterias

De inters en los alimentos

Bacteria Valor D100

B. stearothermophilus 100-1600

D. nigrificans >480

C. thermosaccharolyticum 400

B. coagulans 20-300

B. cereus 3-200

C. sporogenes 80-100

C. botulinum A y B proteoltico 7-30

C. perfringens 0.3-18

B. thermoacidurans 2-3

C. botulinum E 0.01

La estimacin del valor D vara con las condiciones bajo las cuales se lleva a cabo la determinacin. Incluso el medio de cultivo o substrato utilizado en el recuento de los microorganismos sometidos al calentamiento puede modificar los valores finales.

Valores D reportados para algunas bacterias patgenas en alimentos

seleccionados

Bacteria Valor D Temperatura Alimento

Aeromonas hydrophila 0.14-0.19 2 carne de res

Campylobacter jejuni 0.19 0-5 pavo molido

Escherichia coli O157:H7 0.27 5 carne molida

Listeria monocytogenes 0.77 2-4 pollo

Salmonella 0.38-0.77 2 carne de pollo

Staphylococcus aureus 0.36 0 carne de pollo

Clostridium botulinum (esporas) 3.56 -30 pollo

Pueden obtenerse diferentes valores D para un microorganismo dado, o para un proceso particular de un alimento, determinando los sobrevivientes a diferentes temperaturas. Si en el eje vertical se grafican los valores D obtenidos y los tiempos correspondientes para cada temperatura en la escala decimal horizontal (papel semilog), se obtiene una recta conocida como lnea de tiempo de muerte trmica. La recproca de la pendiente de la recta de muerte trmica se conoce como valor Z . Representa el incremento de temperatura que permitir reducir diez veces el tiempo de muerte trmica. Este valor varia considerablemente entre los microorganismos. Es una expresin de la resistencia de un microorganismo a diferentes temperaturas.

Las curvas de resistencia trmica y los valores Z y D son esenciales en la industria para establecer las condiciones de procesamiento de un alimento y para conocer la resistencia relativa de diferentes microorganismos sobre una base nmerica.


El valor F es el tiempo necesario en minutos a una temperatura especifica (Tref) referido a un recipiente para propsitos de esterilizacin. Representa una medida de la capacidad de un proceso trmico para reducir el nmero de esporas o clulas vegetativas de un organismo por recipiente.

La mayora de las esporas bacterianas no germinan en jugos de frutas con valores de pH inferiores a 4.0 (Blocher and Busta, 1983). Ocasionalmente sin embargo, ciertos microorganismos esporulados participan en el deterioro de productos con pH de 3.7 o menor, tales como verduras (Splittstoesser y Churey, 1989) y duraznos o peras (Vaughn y col., 1952). La prevencin de estos incidentes se enfoca primariamente a acciones de sanidad y seleccin de materias primas, menos que a una intensificacin de los tratamientos trmicos.

Algunas esporas bacterianas se caracterizan por su acentuada resistencia al calor, que contrasta con la susceptibilidad de aquellas que se sitan en el otro extremo. Por ejemplo, el tiempo requerido para disminuir el 90% de la poblacin de las esporas con mayor termorresistencia de B. stearothermophilus mediante calentamiento a 100, es de 10,000 veces ms minutos, que el requerido por las esporas de C. botulinum E. Notablemente la termorresistencia de las esporas del tipo E de C. botulinum es mucho menor que la de los tipos A y B.

La destruccin de los microorganismos por el calor se encuentra afectada por una diversidad de factores, incluida la Aa el pH, la presencia de materia orgnica y el Eh. Por ejemplo la tasa de inactivacin de las esporas de C. botulinum es pH dependiente. Conforme su magnitud disminuye, la severidad del tratamiento trmico necesario es menor. Mientras para esterilizar maz (pH 6.45) se requieren 465 min. A 95 o 30 min. a 110, las peras (pH 3.75) deben tratarse slo por 75 min. a 95 o por 10 min. a 110. Tambin se ha observado que el incremento del contenido de grasa disminuye la concentracin de agua, lo cual afecta la transferencia de calor. Un calentamiento a 60 por 2-3 min. destruye al menos 5 log10 la concentracin de E. coli O157:H7 en carne de res, puerco, pavo y pollo.

Valor D de esporas de C. botulinum, segn pH

pH D (min.)

4.0 0.128 4.2 0.143 4.4 0.163 4.6 0.223 4.8 0.226 5.0 0.260 6.0 0.491 7.0 0.515

En los alimentos de baja acidez, es crucial asegurar la destruccin de C. botulinum pero el carcter logartmico de la muerte bacteriana por el calor excluye el clculo para 0 clulas sobrevivientes. Cuando la poblacin se ha reducido a una clula por g o mL (log10=0), la sobrevivencia en el siguiente ciclo es de 1 clula/10 g o mL, en el siguiente de 1/100 g o mL, etc. De manera arbitraria pero razonable, se introduce el concepto de valor 12-D, es decir, condiciones de tratamiento trmico que reduzcan una poblacin de 1012 a 100 esporas/g o mL. El margen de seguridad resultante es muy amplio; ese nmero inicial de esporas no existe en un alimento ya que virtualmente satura una masa o volumen de 1 g o 1 mL.


Las esporas de los hongos son menos resistentes al calor que las bacterianas; la diferencia tambin se advierte entre los tipos de esporas de los hongos. Las ascosporas muestran mayor termorresistencia que las conidias: las conidias de Aspergillus son destruidas a 60 en 10 min.en tanto que las ascosporas de Eurotium chevaleri siguen viables despus de 10 min. a 80 (Pitt y Christian, 1970). Xeromyces bisporus produce ascosporas con suficiente termorresistencia para sobrevivir el proceso de horneado de pasteles (con Aa de 0.75-0.76) y eventualmente causar deterioro (Hocking, 1988).


Captulo 2.

Conceptos Bsicos en el Procesamiento Trmico de Alimentos Envasados

I. Determinacin de los Procesos Trmicos

A. Introduccin e Historia

El desarrollo de la Industria Enlatadora, es ms un arte que una ciencia, las primeras investigaciones datan del siglo XIX. Nicolas Appert, un cocinero Francs fue galardonado con un premio en 1809 por el gobierno Francs por haber desarrollado, un nuevo procedimiento para conservar los alimentos, un mtodo que eventualmente fue conocido como enlatado. En 1810 Appert public el primer libro sobre enlatado LArt De Conserver, y en 1811 fue traducido al ingls y publicado en Inglaterra. Las publicaciones de Appert describen el procedimiento de enlatado de ms de 50 alimentos. (Jackson,1979)

Appert encontr un nuevo procedimiento efectivo para conservar alimentos, pero l nunca entendi porque los alimentos se conservaban. Esto correspondi al genio Luis Pasteur, otro Francs quien en 1864, descubri la relacin entre las tcnicas de esterilizacin sobre bases cientficas y fij las bases sobre las investigaciones de los mtodos de esterilizacin que eventualmente revolucionaron a la industria. (Lpez, 1987)

Peter Durand, en Inglaterra, registr una patente en 1810, Mtodo de conservacin de alimentos de origen animal, vegetal o otros artculos de productos perecederos.

El enlatado fue iniciado en Amrica por William Underwood en Boston en 1819. Frutas, pepinillos y condimentos fueron empacados en botes. Otro desarroll importante en los Estados Unidos durante el siglo XIX fue la introduccin de un bao de cloruro de calcio por Solomon en 1860 para obtener temperaturas ms altas para cocinar los productos enlatados que con un bao de agua hirviendo. (Jackson,1979)

En 1890, Prescott y Underwood quienes trabajaban en la Enlatadora Maine, establecieron la relacin entre las bacterias termfilas y el dao sobre maz enlatado. Trabajando independientemente durante esa misma poca, Rusell en Wisconsin y Barlow en Illinois descubrieron las causas del mismo tipo de dao en peras enlatadas. En los aos de 1910 y 1920 las caractersticas biolgicas y toxicolgicas del Clostridium botulinum fueron determinadas por algunos investigadores americanos. La importancia de controlar el Cl. botulinum en los alimentos enlatados empez a ser un control claro y bsico. A principios de 1920 en los E.U. Bigelow y Esty establecieron la relacin entre el pH de los alimentos y la resistencia trmica de esporas bacterianas, incluyendo las causas del dao. Su trabajo sirvi para clasificar los alimentos enlatados en alimentos cidos y alimentos poco cidos sobre la base de su pH. (Lpez, 1987)

En 1918 Weinzirl estableci el concepto de la esterilidad comercial en productos alimenticios enlatados, No son estriles, pero el alimento no contiene ningn microorganismo causante de algn dao para la salud.

En 1920 Bigelow y Ball desarrollaron el primer mtodo cientfico para calcular el valor mnimo de esterilizacin para un alimento enlatado esterilizado. Esto se conoci como un mtodo grfico. El Dr. Ball continu su trabajo en la misma rea de los laboratorios de la Asociacin Enlatadora Nacional y en 1923 formul un mtodo matemtico para la determinacin de los procesos de esterilizacin. En 1939 Olson desarroll un mtodo nomogrfico para la determinacin de los procesos.


Stumbo y Hicks en 1948, desarrollaron los procedimientos para calcular los procesos de esterilizacin basados sobre valores integrados de letalidad en el volumen de los contenidos del recipiente utilizando una microflora mezclada.

En 1957 Ball y Olson publicaron un nuevo libro clsico de procesamiento trmico el cual combina las investigaciones de Stumbo y de otros autores. Quince aos despus Hayakawa desarroll un avanzado mtodo matemtico el cual elimina relativamente los pequeos errores inherentes a los procedimientos matemticos desarrollados previamente.

En los ltimos 15 aos , Ball, Stumbo, Hayakawa, Teixeria, Zahradnik, Flambert, Griffin, Mason, Pflug y otros autores han mejorado la determinacin matemtica de los procesos trmicos as como los conceptos y sus aplicaciones. (Lpez,1987)

Los trabajos de los autores previamente mencionados se han apoyado en el uso de las computadoras para ser ms precisos y rpidos. Estos desarrollos han hecho posible un control preciso de los procesos trmicos para lograr la esterilizacin comercial, y el desarrollo del aseguramiento de los procedimientos y regulaciones gubernamentales ms all de asegurar la seguridad de los procesos. El mtodo grfico o de Bigelow y Ball y el mtodo original de la frmula de Ball, con algunas limitaciones y con modificaciones, son todava los procedimientos bsicos usados para los clculos de los procesos de esterilizacin en la industria enlatadora de alimentos.

B. Sistemas de esterilizacin desarrollados

Los principios de Appert fueron la inmersin en agua hirviendo en recipientes sellados conteniendo el alimento para conservarlo. No hubo un cambio en este mtodo hasta Solomon, en 1860, aadi cloruro de calcio en el agua en las cuales las latas eran procesadas, obteniendo como resultado un aumento de las temperaturas de proceso. Con ello se redujeron los casos muy serios de dao en productos poco cidos, como vegetales y carnes que eran procesadas con agua hirviendo. Esto trajo como resultado una mejor calidad en los productos.

En 1851, Chevalier-Appert aplicaron el principio de presin a latas procesadas y as fue inventada la retorta. En 1874 Shriver introdujo el autoclave en los E.U. Este hecho hizo posible la aplicacin de ms mtodos para productos enlatados con ms altas temperaturas. A principios de los aos de 1950 la FMC Corporation introdujo un autoclave de agitacin contina con sistema de enfriamiento.

Otro importante logro en la historia de los alimentos enlatados es el desarrollo de los procesos de enlatado aspticos. Algunos intentos fueron hechos esterilizando aspticamente productos lcteos enlatados en 1948, y usando altas temperaturas cortos tiempos (HTST) en procesos de esterilizacin. Estos intentos no fueron exitosos hasta que Martin, trabajando para Dole Engineering Company, desarroll equipo para la esterilizacin de latas y selladoras y un llenador asptico de producto dentro de la lata usando vapor sobrecalentado. Otro resultado importante en los sistemas de enlatado asptico fue el desarrollo en 1960 de los sistemas de ingeniera y contenedores de llenado asptico.

A principios de 1960 la firma Treta Pak introdujo el procesamiento asptico comercial y el sistema de empaquetamiento conocido con el nombre de la firma. (Lpez, 1987)


C. Objetivos de la Esterilizacin-Coccin

La esterilizacin persigue la estabilidad del alimento, no su esterilidad absoluta, la cual no es necesario ni procedente conseguir en la industria conservera, no slo por razones econmicas, sino tambin por la excesiva degradacin que experimentara la calidad sensorial del producto. De ah que se utilice el concepto de esterilizacin comercial para indicar el tratamiento trmico que recibe un alimento envasado para destruir todos los grmenes patgenos que pueden desarrollarse en las condiciones normales de almacenamiento y transporte; pudiendo quedar en condiciones de supervivencia algunos microorganismos que no alteren el producto ni sean causa de riesgo para el consumidor. (Rodrigo y col., 1980)

D. El desarrollo de nuevas tendencias alimentarias

Las crecientes exigencias legislativas y del consumidor sobre el valor nutritivo, ausencia de conservadores, etc., requieren la investigacin de la cintica de los fenmenos de degradacin de componentes sensoriales y nutritivos, con el fin de conocer su termolabilidad y poder obtener la mejor calidad. Los costos energticos, cada vez ms elevados, obligan a cuidadosos anlisis de los procesos, con el fin de seleccionar el ms econmico y disminuir las prdidas innecesarias. (Rodrigo y col, 1980)

Con el desarrollo de nuevas tendencias alimentarias (nuevos productos, platos preparados, comidas para colectividades, etc.), la mejora de la calidad de vida (mayores exigencias por parte del consumidor en cuanto a la calidad, ausencia de aditivos, etc.), la puesta a punto de nuevos sistemas y equipos de esterilizacin, la disponibilidad de nuevos tipos de envase y la creciente necesidad del ahorro energtico, son los factores ms destacados que obligan a los nuevos planteamientos en la industria conservera, fundamentalmente en cuanto a las tcnicas de esterilizacin aplicadas, dado que los baremos de esterilizacin convencionales disponibles en la actualidad son escasamente tiles para satisfacer las nuevas exigencias de esta industria. (Rodrigo y col, 1980)

E. La utilizacin de nuevos sistemas y equipos de esterilizacin

El conocimiento de los distintos sistemas de esterilizacin as como de los equipos que existen en el mercado, fundamentalmente en lo que respecta a su versatilidad, facilidad de manipulacin, mantenimiento, consumo energtico y otros aspectos (volumen, precio, rendimiento, etc.) permitirn al tcnico y al industrial disponer de la informacin suficiente para realizar la eleccin ms adecuada para satisfacer sus necesidades.

En la actualidad y aunque completamente obsoletos, es an muy frecuente en nuestro pas la utilizacin del autoclave esttico para conservas; sin embargo, en pases con tecnologa avanzada se usan normalmente los sistemas continuos y/o rotatorios, discontinuos rotatorios y los de envasado asptico.

La industria de alimentos est utilizando ya sistemas continuos y de envasado asptico para algunos productos y, sin lugar a duda, en un futuro inmediato tendr que utilizarlos tal como ocurre en los pases avanzados, junto con los sistemas rotatorios, continuos o no, para la conservacin de conservas vegetales, platos preparados, alimentos para colectividades, etc. con calidad y precios competitivos.

El desarrollo de nuevos envases tales como bolsas esterilizables (nylon-poliolefina, polister-poliolefina, polister-aluminio-poliolefina), bandejas mltiples o simples, grandes envases de plstico rgido o flexible y de hojalata etc tiene una gran repercusin sobre


las tcnicas de esterilizacin por su forma, volumen, etc. y por su distinta resistencia a los procesos trmicos con sobrepresin, por lo que es de suma importancia precisar exactamente para cada formato y material las condiciones correctas de tratamiento (sobrepresin, gradiente trmico, entre otros) con el objeto de evitar las prdidas consecuentes a un proceso inadecuado. (Rodrigo y col, 1980)

F. Mejoramiento de la Calidad

La industria conservera encuentra en la alimentacin colectiva un brillante porvenir, siempre que este en condiciones de ofrecer al consumidor productos en cantidad y calidad adecuadas a las exigencias del mercado, exigencias tanto mayores cuanto ms selectivo sea el pblico consumidor (alimentos infantiles, alimentos de rgimen para hospitales, platos tpicos en comedores industriales, etc.) cuanto mayores sean las limitaciones legales del pas (restricciones en el uso de conservadores y aditivos en general), y cuanto ms elevado sea el nivel de vida. Esas exigencias se pueden satisfacer en un gran nmero de casos y de forma ventajosa frente a otras tcnicas de conservacin (congelacin, refrigeracin, etc.) ofreciendo productos bien esterilizados que mantengan unas caractersticas sensoriales ptimas, que admitan su manipulacin posterior y con un buen nivel nutritivo, para lo cual es necesario disponer y aplicar una tecnologa adecuada. (Rodrigo y col., 1980)

G. Ahorro de energa

Otro aspecto que cada vez adquiere mayor importancia son los gastos de la industria en el consumo energtico. El industrial ha de estudiar muy detenidamente este aspecto para minimizarlo, no olvidando que la operacin de esterilizacin es una de las que ms energa consume, por lo que debe analizar detenidamente los equipos y tcnicas que, permitan el mayor ahorro energtico.

Para que la industria de conservas pueda alcanzar los objetivos antes expuestos es necesario desarrollar con bases cientficas una tecnologa de esterilizacin adecuada y adaptada a este sector industrial, que ponga a su disposicin baremos de esterilizacin ptimos ajustados a cada producto y envase.

Para ello se requiere conocer la evaluacin de las temperaturas en el interior del producto, investigar la cintica de degradacin trmica de las enzimas, microorganismos, propiedades sensoriales y valor nutritivo del alimento, seleccionar entre los modernos sistemas y equipos de esterilizacin el ms adecuado en cada caso y utilizar el mtodo ms apropiado para calcular los baremos. (Rodrigo y col., 1980)


II. Bases Cientficas

A. Definir los objetivos que se pretenden alcanzar

En cada caso habr que fijar el factor de reduccin de la contaminacin (n) que se desea obtener o el porcentaje de inactivacin enzimtica o de la retencin del factor de calidad (N) que se quiere alcanzar.

N n = log o Ecuacin (1)

Nm

NO = Contaminacin inicial o valor inicial del parmetro que se degrada.

Nm = Contaminacin o valor del parmetro al final del tratamiento.

La intensidad del tratamiento trmico ser funcin del factor de reduccin (n) que se

establezca para cada parmetro. Los valores de n que se aplican para microorganismos

son siempre mayores que los factores de calidad. Esto es lgico porque en el primer caso

se busca la mxima inactividad (seguridad) y en el segundo interesa en general

conservar la mejor calidad o bien alcanzar un determinado grado de coccin

preestablecido y definido de ser posible en forma objetiva.

Es importante, en el caso de microorganismos, partir de una materia prima con un nivel

de contaminacin (N0) mnimo y con una calidad inicial (sabor, contenido de vitamina,

textura, color, etc.) elevada para que el factor n sea lo ms bajo posible.

Para la seleccin de la especie de microorganismos ms adecuada para el

establecimiento de los baremos de esterilizacin. Rodrigo y col. (1982) establecen que

hay que tener en cuenta lo siguiente:

a) Que est presente o que pueda desarrollarse en el alimento.

b) Que el microorganismo sea patgeno o que sus metabolitos sean txicos.

c) Que sea el ms termorresistente.

d) Que pueda activarse a temperatura ambiente.

B. Identificacin de la cintica de destruccin o degradacin de los diferentes factores de referencia.

El calor afecta a los alimentos envasados, inactivando los microorganismos y enzimas presentes y alterando el valor nutritivo y la calidad sensorial. Para cuantificar estos efectos trmicos es necesario conocer la cintica del proceso y para ello hay que establecer, en principio, lo que se entiende por dao trmico y su cuantificacin. (Rodrigo y col., 1982)

Se admite que al incrementar la temperatura por encima de la ptima de crecimiento, el microorganismo se inactiva, sufre algn tipo de deterioro o muere. La imposibilidad de reproduccin de las esporas puede deberse a dos causas: incapacidad para iniciar la germinacin e incapacidad para duplicar molculas crticas. (Rodrigo y col., 1990)

En el caso de factores nutritivos o de calidad, basta aplicar por lo general, en el alimento en cuestin, un mtodo objetivo adecuado para cuantificar el dao por efecto trmico, tomando como referencia el valor instrumental obtenido, con el mismo mtodo en la materia prima sin tratar Conviene recordar que la mayor parte de datos bibliogrficos


referentes al efecto trmico sobre los factores de calidad, se han obtenido con soluciones patrones y no con el propio alimento. En el caso de microorganismos y enzimas, cuando se trata de delimitar un umbral para la inactivacin trmica, la informacin disponible hasta ahora demuestra que la inactivacin depende de muchas condiciones ambientales y, en consecuencia, se confirma de nuevo que deber estudiarse y cuantificarse en el mismo alimento que es objeto del clculo trmico.

La influencia de los factores externos (nmero de microorganismos, pH del medio, contenido en NaCl, aceite, azcar, etc.) sobre la termorresistencia de microorganismos es ms conocida. Hoy se sabe perfectamente el dao trmico en gran nmero de especies microbianas y, aunque en muchos casos los resultados de los distintos investigadores no son coincidentes, indican que aplicando una tcnica de anlisis microbiolgico uniforme y normalizada se conseguiran mayores coincidencias. (Rodrigo y col., 1982)


III. Leyes de Destruccin de Microorganismos

A. Primera Ley de destruccin de microorganismos.

En cuanto a la cintica de degradacin, se sabe que en el caso de los microorganismos y de algunos factores de calidad siguen una ley exponencial de primer orden, similar a la de destruccin de un producto qumico. En el caso de factores de calidad debera hablarse ms bien de una respuesta al calor que, en primera aproximacin, puede calificarse de primer orden. Y a este respecto, cabe sealar que Rodrigo y col (1982), al estudiar la cintica de destruccin de la textura de alubias blancas durante la coccin, observan un comportamiento logartmico y dedujeron un valor de Z = 32C, midiendo la textura por cizallamiento en la mquina Instron. Valor que est muy prximo a Z = 25 C de Michiels en 1973 usando un mtodo de puncin individual. Pero tambin observaron una clara desviacin del comportamiento logartmico, medido por cizallamiento y por puncin, cuando las condiciones de tratamiento son intensas. (Rodrigo y col, 1982)

De forma general y siendo N el nmero de microorganismos o el factor de calidad que se degrada, la ecuacin de primer orden sera:

dN = kN

d N dN

= k d NN0 0

N = Cantidad de microorganismos presentes en el producto alimenticio = Tiempo

Segn Rodrigo y Col (1980), a partir de la ecuacin anterior se llega a la siguiente ecuacin:

ln N 0

= k N

2.303log N 0

= k N

=

2.303log

N 0 k N

Para el caso especfico en el cual la reduccin de microorganismos sea de

NN = 0 , es decir, bajar la carga microbiana en un 90 %.

10 2.303

= log10 k

= 2.303

= DTk

Tiempo de reduccin de microorganismos 10 veces


N = DT log

0

N

N 0FT = DT log Ecuacin (2)Nm

Que se conoce como Ley de sobrevivencia o primera ley de la cintica, cuya representacin en papel semilogartmico es una recta con una pendiente 1/DT. En est ecuacin:

FT = Tiempo de tratamiento a temperatura constante para reducir el N0 a Nm hasta un

valor determinado.

DT = Tiempo de la reduccin decimal a la temperatura T.

Por definicin, DT es el tiempo de calentamiento a temperatura constante (T), necesario para reducir o degradar a la dcima parte el nmero de microorganismos el factor de calidad.

El carcter exponencial de esta ley indica que tericamente no puede llegarse a una destruccin total de microorganismos aunque el tiempo del tratamiento sea muy largo. Lo que se hace en el caso de microorganismos es fijar un factor de reduccin n que equivale, a una probabilidad de supervivencia tan baja que no suponga un riesgo para el consumidor. (Rodrigo y col, 1982)

Este mismo criterio, aplicado a un factor de calidad, significa que se fija un valor final del parmetro en cuestin que no llegue a afectar desfavorablemente a la calidad del producto. (Rodrigo y col, 1980)

B. Definicin de la cintica de destruccin trmica de microorganismos y de la degradacin de calidad

El exponente n del factor de reduccin para otros microorganismos o para los factores de calidad se establece en cada caso teniendo en cuenta una serie de cuestiones tales como los niveles normales de contaminacin, la peligrosidad del microorganismo, la termorresistencia o la degradacin trmica de la calidad.

Como se observa en la tabla 1 algunos parmetros cinticos de la destruccin o degradacin por el calor, de microorganismos y factores termolbiles, en alimentos poco cidos el proceso es ms severo a temperaturas de 121C. El microorganismo mesfilo C. esporgenes es el que presenta un valor ms alto de D0 y F0 de 1.5 y 5 minutos respectivamente. En el caso de alimentos muy cidos o cidos los valores de D y F son menores que los que presentan los alimentos poco cidos, en algunos microorganismos la temperatura de referencia es menor a los 121C, por ejemplo para los Lactobacilos el valor de D a 65C oscila entre 0.5 y 6 min. Los valores de Z para estos alimentos son menores a 10C. Como se observa en el caso del maz dulce la enzima ms importante es la peroxidasa los valores de Z son de 11 a 52C y el valor de F0 es de 5.1 min. En cambio para las dems enzimas los valores de F0 son muy pequeos.

El valor ms alto de F0 como se observa en la tabla es cuando el factor es la textura; en el caso de las alubias alcanzando un valor de F0 de 12.8 min. Para el caso de las espinacas la degradacin de clorofilas a y b presentan valores de F0 muy pequeos, pero


valores de Z muy altos. Por ltimo en el caso de la vitamina B1 el valor de FO es de 5.6 min. y teniendo un valor de Z de 25C, igual al que presenta la textura en las alubias.

Los factores que afectan a la retencin de un nutriente en un alimento envasado y esterilizado son: estabilidad del nutriente frente al calor, solubilidad, sensibilidad a la luz, concentracin de oxgeno, pH o acidez del alimento, interacciones entre los distintos nutrientes o interacciones entre stos y el envase.

El efecto trmico sobre los nutrientes tiene lugar fundamentalmente en las operaciones de escaldado, pasterizacin y esterilizacin. En el escaldado las prdidas se producen casi exclusivamente por solubilidad, oxidacin y daos mecnicos. En la pasterizacin se producen pocas prdidas en productos cidos o acidificados por la mayor estabilidad que les confiere el propio medio cido y por las temperaturas relativamente bajas aplicadas en est operacin. Las prdidas ms importantes se producen por oxidacin, razn por la cual se recomienda desairear los fluidos antes de pasteurizarlos. En est operacin intervienen el tiempo y la temperatura de tratamiento, la forma de penetracin del calor y la cintica de degradacin del nutriente en cuestin, no hay muchos datos sobre la degradacin que sufren los nutrientes en los alimentos durante la esterilizacin. La mayor parte de resultados se refieren a las vitaminas o se han obtenido en soluciones patrones. (Rodrigo y col., 1980)

C. Segunda ley de destruccin de los microorganismos

La curva del TDT o segunda ley de la cintica de microorganismos relaciona los logaritmos del tiempo de destruccin trmica (TDT) o del tiempo de reduccin decimal (DT) con la temperatura. Matemticamente se representa por las siguientes ecuaciones:

log DT = mT + b

m = pendiente b = intercepto

Relacin lineal

TDT Lnea recta, con una pendiente e intercepto diferente

log DT1 log DT 2 =

T2 T1 log10 Z

log DT1 log DT 2 =

log10 ? pendienteT2 T1 Z

T1 = 121C

log DT1

=

T2 T1 ? DT1 = 10 T2 Z

T1

DT 2 Z DT 2 T2 121

D121 = DT2 10 Z

T2 121

D121 n = DT n10 Z


ln N 0

= k N

F121 FT 2 = T2 121 10 Z

Definicin de la cintica de destruccin trmica de m.o. y de la degradacin de calidad Segunda ley de la destruccin trmica.

121 T2

FT 2 = F12110 Z

Ecuacin (3)

Z = Nmero de grados requeridos para que la velocidad de destruccin trmica aumente o disminuya diez veces.

F121 = Minutos necesarios para destruir un nmero prefijado de microorganismos a 121

C. Cuando la Z del microorganismo es igual a 10 C o 18 F al F121 se le denomina F0.

Diversos investigadores han propuesto el uso de los parmetros semiempricos:

constante de la velocidad de reaccin (K) y la energa de activacin de Arrhenius (Ea)

como sustitutos de los valores F y Z respectivamente.

En algunos casos se utiliza el parmetro Q10 como medida de la variacin del valor DT o F

con la temperatura. Su relacin con Z es:

Q10 1log = 10 Z

Q10 ? Cambio en la cintica que se reduce 10 veces. Cambio que provoca la reduccin decimal a incrementar o aumentar 10 C. (Rodrigo y col, 1982)


Captulo 3

Conceptos de Transferencia de Calor

I. Conceptos Bsicos

A. Definicin de Calor

El calor es una forma de energa transmitida hacia un sistema, o desde ste, como resultado de una diferencia entre la temperatura del sistema y la de sus alrededores. El calor fluye naturalmente de un cuerpo con mayor temperatura hacia uno con menor temperatura. (McKelvey & Grotch, 1980)

B. Tipos de Calor

Calor sensible: asociado a un cambio de temperatura.

Calor latente: asociado a un cambio de estado del material ms que a un cambio de temperatura (e.g., las cristalizacin del agua al hielo).

C. Unidades de Calor

La unidad estndar de calor en el sistema ingls es BTU (Unidad de Temperatura Britnica, siglas en ingls). Un BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 lb masa de agua a 60F, en un grado Fahrenheit. En tanto que la unidad mtrica correspondiente, la kilocalora (kcal), representa la energa trmica necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua a 14.5C, en un grado Celsius.

1 BTU = 0.252 kcal

(McKelvey & Grotch, 1980)


II. Leyes Bsicas de Transferencia de Calor

A. Mecanismos, parmetros y factores que influyen en la penetracin de calor

La transferencia de calor se define como la transmisin de energa desde una regin a otra debida al gradiente trmico que existe entre ambas regiones. Se reconocen tres modos de transferencia de calor: conduccin, conveccin y radiacin. Los dos primeros son los principales mecanismos que intervienen en el calentamiento de las conservas.

La transmisin por conduccin tiene lugar por intercambio de energa cintica entre las molculas, sin desplazamiento de las mismas. Este mecanismo es tpico cuando se esterilizan conservas en autoclave, constituidas por alimentos slidos o muy viscosos: maz tipo crema, comida para perros, jamn cocido, mermelada, productos vegetales, crnicos o marinos con salsa espesa, sopas concentradas, etc.

En el calentamiento por conveccin la energa se transporta por una combinacin de conduccin de energa almacenada y mezcla, debida esta ltima a las diferencias de densidades que se producen en el fluido por el gradiente trmico entre las paredes y las zonas interiores. Presentan este mecanismo las conservas de zumos con poca pulpa o que no tienen tendencia a gelificar, los productos envasados con agua, salmuera o almbar ligero, caldos o sopas poco viscosos, leche evaporada, etc.

En la prctica, la mayor parte de conservas presentan una participacin conjunta de conduccin y conveccin, que puede aproximarse en teora a uno u otro sistema segn la naturaleza del producto y las condiciones de trabajo en la esterilizacin.

Representando en grfica semilogartmica la penetracin de calor, los alimentos tpicamente convectivos, vendra dada por una recta con mucha pendiente y los alimentos conductivos por una recta con un tramo al principio y con menos pendiente.

La inversa de la pendiente se denomina fh y se define como el nmero de minutos necesarios para que la curva atraviese un ciclo logartmico. El grado de curvatura durante el perodo de ascenso de la temperatura se cuantifica por el factor de inercia jh. (Rodrigo y col, 1980)

La velocidad de penetracin de calor en un alimento durante la esterilizacin depende de los siguientes factores:

a) Tamao y forma del envase

Al aumentar la distancia entre el centro y la pared del envase o al reducir la relacin superficie/volumen, la velocidad de penetracin disminuye. Este efecto es ms importante en alimentos que transmiten el calor por conduccin que los que lo hacen por conveccin.

b) Naturaleza del envase

Los envases metlicos transmiten el calor a travs de la pared ms rpidamente que los de vidrio. Esta diferencia es ms importante cuanto mayor es la conductividad del alimento.

c) Gradientes de temperatura

La velocidad de penetracin de calor depende de la diferencia de temperaturas entre el entorno (autoclave) y el producto (gradiente de temperaturas) y no de los valores

____


absolutos de cada una de stas. No obstante, hasta llegar a la estabilizacin, las temperaturas son mayores en los envases cerrados a temperaturas ms altas. Si el tiempo de subida de temperatura en relacin con el tiempo total de esterilizacin es corto (calentamiento convectivo) el efecto de la temperatura inicial es pequeo. Por el contrario en alimentos que se calientan por conduccin, en los que el tiempo de subida ocupa la mayor parte o incluso el total del tratamiento trmico, la influencia de la temperatura inicial puede ser muy grande.

d) Caractersticas y Naturaleza del producto

La penetracin de calor disminuye cuando la viscosidad de la fase lquida aumenta (soluciones con almidones, gelatina, gomas, etc.) o cuando la fase slida es de mayor tamao, ms compacta o de mayor textura.

e) Agitacin del envase

En productos con viscosidades medias, la agitacin favorece los movimientos de conveccin y acelera la penetracin de calor. El tipo y velocidad de rotacin as como el espacio de cabeza influyen tambin en la velocidad de penetracin de calor.

f) Relacin slido / lquido

Al aumentar la relacin slido / lquido s dificulta la penetracin de calor. Para controlar la eficacia de la esterilizacin en conservas de baja acidez la Food & Drug regula ste factor.

(Rodrigo,1981)

B. Calentamiento por Conveccin

La transferencia de calor puede describirse aplicando la ecuacin general del balance trmico y haciendo uso de un coeficiente global de transferencia de calor U. La ecuacin se describe entonces:

Balance de energa:

=0 ? T = T0

mCp(T-T0)=UA TL

m = Masa del producto (Kg)

Cp = Calor especfico del producto (Kcal/Kg C)

T = Temperatura del producto al tiempo

U = Coeficiente de transferencia de calor (Kcal/hrm2C)

A = rea de transferencia (m2)

T = Fuerza impulsora

_____ T0 T

TL = T0ln T


T0 = RT T0 = RT IT

IT = T0

g = 1.82

j

T = Temperatura al tiempo = tiempo de aplicacin del calor

mCp (T IT ) = UA (RT IT ) (RT T )

RT ITln

RT T

1 0.427fh( 2 + 2 ) re (le / 2)

fh = 1 0.427

+ rn2 (ln/ 2)2

RT IT UAln

=

RT T

mCp

RT IT UAlog

=

RT T

2.303mCp

y = m x

RT T UAlog =

RT IT 2.303mCp

UA 1pendiente = =

2.303mCp fh

2.303mCpfh =

UA

Dado que m= densidad ( ) * volumen (V) se llega a que:

Esto significa que si se determina experimentalmente el valor de fh para un tamao de envase determinado, la ecuacin anterior permite calcular fh para cualquier otro formato.


Para la prediccin de la evolucin de temperaturas en el interior de alimentos enlatados sometidos a un medio calefactor cuya temperatura vara a lo largo del proceso (caso de esterilizadores continuos), Hayakawa en 1971 desarrollo un procedimiento numrico basado en frmulas experimentales, deducidas por el mismo autor, y que es aplicable a envases de cualquier formato y a diferentes tipos de alimentos. (Rodrigo y col, 1982)

C. Calentamiento por Conduccin

La transmisin de calor por conduccin en botes de conserva tiene lugar siempre en estado no estacionario, es decir, que la temperatura en un punto del alimento es funcin de su posicin geomtrica y del tiempo transcurrido. La ecuacin general que describe la transmisin de calor (variacin de temperaturas) por conduccin, en rgimen no estacionario, en las tres dimensiones de un sistema cartesiano de coordenadas y a travs de un elemento volumtrico de dimensiones dx , dy , dz en un slido isotrpico es la siguiente:

2 2 2u 1 u+

+

u u

=

t2 2 2x y z

T TM TM

siendo u = La temperatura reducida o cannica =

TO

= difusividad trmica t= tiempo TO= La temperatura inicial del producto T = La temperatura en un punto del producto en cada momento TM =Temperatura del medio calefactor.

(Rodrigo y col., 1982)


Captulo 4

Mtodos Empleados en el Clculo de Procesos Trmicos

I. Clculo de baremos de esterilizacin

Cuando los alimentos esterilizados se encuentran en recipientes cerrados, los cambios de la temperatura interna del producto con respecto al tiempo de calentamiento se puede evaluar, la letalidad de estos procesos trmicos utilizando el mtodo general, este mtodo es una integracin grfica de la curva tiempo-letalidad, por mtodos de la frmula, los cuales utilizan valores tabulares previamente calculados de los parmetros en una ecuacin que requiere el tiempo de proceso o el proceso de letalidad.

Los problemas en el clculo de los procesos trmicos involucran dos tipos: (I) La determinacin del tiempo de proceso y temperatura para designar la letalidad del proceso o (II) La evaluacin del tiempo de proceso y temperatura. Estos son referidos por algunos autores como problemas tipo I y tipo II. (Toledo, 1991)


II. Mtodo General o de Bigelow

La letalidad de un proceso es calculado por una integracin grfica o el valor de letalidad usando la informacin tiempo-temperatura de un proceso.

t

z 0F = tL dt

0

La ecuacin anterior puede ser usada para determinar la letalidad del proceso. Sin embargo, D no es constante, y el valor de esterilizacin expresado como el nmero de reducciones decimales de un microorganismo ser integrado sobre el tiempo de proceso, usando los valores de D a diferentes temperaturas en el proceso.

Si un proceso programado es determinado, las curvas de calentamiento y enfriamiento son usadas para determinar la curva de letalidad, la cual es grficamente integrada para obtener un valor de F0. La letalidad del proceso debe ser igual al valor especificado por F0. Si el valor de letalidad excede lo especificado, el tiempo de calentamiento debe ser reducido, una curva de enfriamiento paralela a la original es trazada reduciendo el tiempo de calentamiento, y as el rea es recalculada.

Para resolver numricamente el Mtodo General se puede seguir alguna de las siguientes reglas o mtodos numricos como son:

A. Regla de Simpson:

Area =

3

(Y0 + 4Y1 + 2Y2 + 4Y3 + ... + 2Yn 2 + 4Yn 1 + Yn )

Y = Letalidad =Tiempo

B. Regla Trapezoidal

b b a = f (X1 ) + 2 f (X 2 ) + 2 f (X 3 ) + f (X n )2n a

X = Letalidad b = Tiempo final a = Tiempo inicial n = Nmero de puntos

C. Patashnick

Area = [Y1 + Y2 + ... + Yn 1 ] Y = Letalidad


=Tiempo

Como consecuencia o como resultado del anlisis de miles de curvas de tratamiento trmico, se ha llegado a la conclusin de que la curva de enfriamiento contribuye con cerca de una tercera parte del total de la letalidad del proceso.

Este mtodo fue originalmente propuesto por Bigelow en 1920 teniendo un amplio uso durante varios aos. El uso de este mtodo grfico se ha descontinuado debido a que es laborioso, sin embargo, fue la base para el desarrollo de muchas otras alternativas en el clculo de tiempo de proceso en productos enlatados. Es una forma de ver grficamente una serie de datos de destruccin de esporas y de penetracin de calor lo que permite entenderlos ms fcilmente que un mtodo matemtico, el cual requiere una interpretacin ms precisa de la transferencia de calor. Sin embargo, el mtodo de frmula (matemtico) actualmente es usado por su rapidez de clculo.

Este mtodo presenta algunas ventajas respecto al equipo utilizado ya que slo se requiere: termopares, potencimetro y un autoclave. Puede considerarse como opcional el uso de un planmetro. Adems es un mtodo confiable para evaluar valores absolutos de esterilidad, as como en el estudio de curvas de penetracin trmica donde se presentan formas de transmisin de calor (curvas no lineales).

Entre las desventajas se encuentran el hecho de que se tiene que repetir todo el procedimiento en caso de que se desee cambiar tamao de lata, o que se cambie el valor de la temperatura inicial o se use una temperatura de proceso diferente. (Merson y Valle, 1981)


III. Mtodos de la Frmula

Los mtodos de la frmula son basados en valores tabulados para expresar la letalidad

como el parmetro fh/U. Estos valores fueron previamente calculados para varias

condiciones de calentamiento y enfriamiento cuando la diferencia de la temperatura de

terminacin del proceso es expresada como el parmetro g. Los dos mtodos ms

importantes son los mtodos de Stumbo en 1973 y Hayakawa en 1970.

Las tablas de Stumbo para fh/U vs g combinan la letalidad del calentamiento y

enfriamiento. La principal consideracin usada en la determinacin de la letalidad es que

fh=fc. Cuando esta condicin no se cumple, Stumbo recomienda usar el mtodo general.

Hayakawa en 1970 presenta la letalidad de las fases de calentamiento y enfriamiento del

proceso en tablas separadas, por lo tanto permite la aplicacin de su mtodo incluso bajo

diferentes velocidades de calentamiento y enfriamiento. Los valores tabulados de

Hayakawa permiten sustituir diferentes valores de z, simplificando el clculo de valores

de FZ0 para diferentes valores de z.

El valor de g es obtenido de las tablas, usando un valor especifico de F0 y el valor de z,

las tablas de Stumbo son simples de usar para la determinacin de los procesos

trmicos.

Las tablas de Hayakawa requieren un procedimiento iterativo involucrando la

aproximacin de un valor de g, calculando el F0 y repitiendo los clculos usados con un

nuevo valor de g hasta calcular el valor de F0 especificado.

Los siguientes parmetros son usados en los mtodos de la frmula:

U=F0Fi= Tiempo a TR equivalente de F0

de donde:

TR = Temperatura del medio de calentamiento o autoclave F i = el nmero de minutos necesarios para destruir un microorganismo a la temperatura del autoclave cuando F (a una temperatura de referencia) es igual a uno.

A. Procedimiento de Ball

C.O. Ball, en su artculo Thermal Process for Canned Food (National Research Council Bulletin 7, No. 37 [1923]), propuso un mtodo de frmula que permitira la extrapolacin del tiempo de proceso de la lectura de un termopar una vez que los datos de tiempo y temperatura haban sido obtenidos por una medicin directa. El Mtodo de Frmula de Ball es el procedimiento de clculo de procesos ms utilizado hoy en da en E.U. Sin embargo, el riesgo, las limitaciones y la teora del mtodo de clculo no son comprendidas con facilidad por muchos en la comunidad de procesos trmicos.

Las suposiciones bsicas en el Mtodo de Ball son resultado de trminos definidos empricamente en el mtodo que permiten una estimacin del tiempo de proceso y el valor de esterilizacin. Desafortunadamente, estas suposiciones sobreestiman el valor de letalidad, y aunque se hagan de manera conservadora, no definen el valor preciso de la letalidad obtenida por el proceso. El Mtodo de Ball utiliza factores de calentamiento y de enfriamiento para predecir el punto fro o la zona donde la penetracin de calor es ms lenta.


Las siguientes suposiciones son hechas para el clculo de un proceso por este mtodo:

1. jc = 1.41 2. fc = fh (pendiente de un calentamiento linear logartmico = pendiente de

un enfriamiento linear logartmico) 3. Tr Tw o m+g = 180F (vapor) o 130F (agua) 4. 42% de correccin para el CUT (Come Up Time) en el clculo del valor

de jh 5. No hay ms calentamiento de producto una vez que el enfriamiento

inicia 6. Temperatura de la Autoclave constante

Las suposiciones anteriores hacen que el Mtodo de Ball sea flexible ms no preciso, los mayores errores en la letalidad ocurren durante el enfriamiento. En el caso de productos conductivos, en muchas ocasiones, existe un aumento hasta del 100% en el valor de la letalidad calculada para el proceso establecido, lo cual es inaceptable para la calidad del producto.

(Basic Termal Processing Course)

B. Procedimiento de Stumbo

Stumbo ha tabulado fh/U vs g con jc como un parmetro. Jc fuertemente influye a la contribucin de la zona de enfriamiento del proceso para la letalidad total. En general los valores de jc son ms altos que los valores de j. En ausencia del valor de jc, j puede ser usado y el error sera en relacin al tiempo de proceso ms largo o lado de seguridad relativo al dao causado por los microorganismos. Las tablas condensadas de fh/U vs g para valores de z entre 14 y 22 y para 60 a 90 son mostradas en las Tablas 9.12 y 9.13 del libro de Toledo (1991). La tabla 9.12 es usada para la inactivacin microbiana, y la tabla 9.13 es usada para la degradacin de un nutriente. Es posible realizar interpolaciones entre los valores en la tabla y otros valores de z. (Toledo,1991) (Stumbo,1966).

Los procedimientos de Stumbo involucran la evaluacin de la letalidad sobre un segmento individual en la curva de calentamiento. Si las tablas de fh/U vs g fueron desarrolladas incluyendo la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso, una correccin necesita ser hecha para la letalidad que contribuye el enfriamiento para el primer segmento lineal de la curva de calentamiento, el cual no existe. El parmetro r fue usado para expresar la fraccin del total del proceso de letalidad.

El mtodo de Stumbo considera las siguientes relaciones para su anlisis:

Correccin para el primer segmento lineal que termina en gbh:

fhU1 = r ( fh /U ) gbh

r= funcin de correccin de Stumbo, depende del valor de g.

Para el segundo segmento lineal que empieza en gbh y termina en g


f fU 2 =

2 r 2

( fh /U ) g ( fh /U ) gbh

f fh fUTOTAL =

2 + r 2 ( fh /U ) g ( fh /U ) gbh

C. Procedimiento de Hayakawa

En el procedimiento de Hayakawa para el anlisis del proceso de tratamiento trmico se basa en analizar por separado la zona de calentamiento con respecto a la zona de enfriamiento para lograr este anlisis, Hayakawa desarrolla tablas para las dos zonas. Las tablas son basadas sobre un valor de Z de 20 F. Los parmetros g/Ks, con Ks =z/20, son tabulados contra U/fh. El ltimo es el recproco de fh/U de Stumbo.

Las tablas de Hayakawa son mostradas en la Tabla 9.14 del libro de Toledo (1991) para la letalidad de la parte de calentamiento del proceso y en las Tablas 9.15, 9.16, 9.17, 9.18 y 9.19 del libro de Toledo (1991) para la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso. De las tablas 9.15 a 9.19 la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso, jc es el parmetro utilizado.

U en las tablas de letalidad para la curva de enfriamiento es el equivalente al tiempo de calentamiento a Tg. Por lo tanto, esto debe ser convertido de U a Tr antes de empezar aadir el valor de U obtenido de la tabla 9.14 para el calentamiento.

La conversin de U a Tg en U a Tr es usando la siguiente ecuacin:

U = U (10)-g/z

Tr = Temperatura del medio de calentamiento o autoclave.

T g = Diferencia en grados Farenheit, entre la temperatura del autoclave y la mxima

temperatura alcanzada en el punto que se analiza.

Donde U es el proceso U =F0Fi o el equivalente al tiempo de calentamiento a 250 F. U

es U obtenida de las tablas 9.15 a 9.19, el equivalente al tiempo de calentamiento a Tg

para la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso. (Toledo, 1991) (Hayakawa, 1981)

Los procedimientos de Hayakawa involucran el uso de las tablas de letalidad para

determinar el valor de U en cada segmento de la curva de calentamiento. Sin embargo,

est integracin de la letalidad en las tablas de U son llevadas para empezar el proceso,

la letalidad bajo el segundo segmento lineal debe ser corregido.

a) Si slo se tuviese un punto de inflexin la informacin que se tiene: j, I, fh, gbh, f2 y g. Empleando los valores de gbh/KS, g/KS para la seccin de calentamiento. Se obtienen dos valores de U/fh.

U U UU = fh + f 2

fh gbh

fh g

fh gbh

b) Si se tuviese ms de un punto de quiebre:


U U U U UU = fh + f 2

+ f3

fh gbh

fh gbh2

fh gbh1

fh g

fh gbh2

Para la zona de enfriamiento se utiliza la siguiente expresin:

U ' = U '

f f c

2

g ' zU enf . = U 10

U' = Efecto letal del proceso en tiempo en que el alimento alcanza la TMAX del producto.

U = Tiempo equivalente a la temperatura del medio de calentamiento.


IV. Curvas de Calentamiento quebradas

Las curvas de calentamiento quebradas exhiben un punto de quiebre o inflexin en la velocidad de calentamiento de algn punto del proceso trmico. Por lo tanto, dos o ms lneas son formadas cuando las curva de penetracin de calor es trazada sobre un papel semilogartmico. Este tipo de comportamiento ocurre cuando el producto en la parte interna de la lata sufre un cambio fsico que altera las caractersticas de transferencia de calor. La diferencia entre la temperatura de la retorta y el primer punto de interseccin es denominada como gbh. El resto de los parmetros de la curva de calentamiento son los mismos que en una curva simple de calentamiento. (Toledo, 1991)


Captulo 5

Clculo de Procesos Trmicos

I. Evaluacin de Parmetros de Diseo

A. Evaluacin del factor de reduccin de la contaminacin (n) o el porcentaje de inactivacin enzimtica o la retencin del factor de calidad (N).

Para el diseo de un proceso trmico hay que fijar el factor de reduccin de la contaminacin (n) que se desea obtener o el porcentaje de inactivacin enzimtica o la retencin del factor de calidad (N) que se quiera alcanzar.

Para este procedimiento se emplea la Ecuacin (1)

B. Clculo del valor D, para una temperatura determinada a partir del clculo de la correlacin log. de microorganismos sobrevivientes contra tiempo.

Para el desarrollo del clculo del valor D se tomo cmo base el siguiente ejemplo de destruccin trmica de un microorganismo, considerando que N0=10,000, con la temperatura de operacin de 240F.

Tiempo de Calentamiento

(min)

Promedio del Nmero de Colonias por

muestra (N) Log N Log N/N0

0 10,000 4 0 10 90 1.95 -2.045 14 12 1.08 -2.920 18 2 0.30 -3.690 22 0.33 -0.48 -4.480 28 0 36 0

Manualmente y a partir de la correlacin de Log N vs. Tiempo se obtiene:

Correlacin=-0.99986 Intercepto= 3.9866

Pendiente =-0.204

1

D240F = = 4.9min

0.204

(Welti, 1997)

C. Clculo del valor DT a partir de datos de muerte y sobrevivencia

El clculo del valor D a partir de la informacin cuantitativa se determina con la siguiente i


UDT = loga logb

Donde :

U = Tiempo mximo de sobrevivencia del microorganismo.

a = carga mxima del microorganismo en la experiencia.

b = carga mnima que tendr resultados sobrevivencia al tiempo U.

D. Determinacin del clculo del valor Z

El valor Z se determina de la curva de destruccin trmica de microorganismos (T.D.T.) y representa el intervalo de temperatura necesario para aumentar o disminuir 10 veces el tiempo de destruccin trmica. (Rodrigo y col, 1982)

Para calcular el valor Z se requieren una serie de valores D a diferentes temperaturas, estos valores D son calculados como se mencionaron anteriormente.

Para evaluar el valor de Z se tomo como base el siguiente ejemplo:

T (F) DT (min) Log DT 230 19.65 1.29 235 10.47 1.02 240 4.92 0.69 245 2.56 0.41 250 1.23 0.089

Manualmente y a partir de la correlacin de log D contra Temperatura (F) se obtiene:

Correlacin= -0.999 Pendiente= -0.06024 Intercepto = 15.1574

1 z = = 16.6 F

0.06024

(Welti, 1997)


E. Casos prcticos

1. El valor de F a 121 C equivalente a 99.999 % de inactivacin de una espora de C. botulinum es de 1.2 minutos. Calcule el valor D0 para este microorganismo.

2. Calcule el F0 basado sobre el concepto 12 D usando el valor de D0 del C. botulinum del ejemplo anterior.

3. En un incidente de contaminacin de un alimento enlatado se encontr el D121 del microorganismo contaminante que fue aislado de 1.35 min. Se desea que la probabilidad de contaminacin de este microorganismo sea de 1 en 100,000. Se sabe que la carga inicial de esporas es del orden de 10 por lata. Calcule el F0 para este proceso?. Si ese mismo alimento se inocula con el microorganismo FS1518 para alcanzar un nivel de 4 x 105 esporas en cada lata, cada lata tiene 200 g de producto. Cul sera el conteo de esas mismas esporas, si recibe un proceso similar para la reduccin del primer microorganismo contaminante. El valor de D0,FS1518=2.7 minutos.

4. El valor de esterilizacin de un proceso ha sido calculado para un F0 de 2.88 minutos. Si cada lata contiene 10 esporas de un microorganismo teniendo un D0 de 1.5 minutos, Calcule la probabilidad de contaminacin del microorganismo.

5. La carga inicial de un producto enlatado es de 100, y el D0 de la espora es de 1.5 minutos. Calcule el valor de F0 para el proceso trmico tal que la probabilidad de contaminacin es de 1 en 100,000. Si bajo las mismas condiciones el C. botulinum tipo B tiene una D0 de 0.2 minutos, Calcule el valor de F0 que satisfaga al proceso en 12 D para C. botulinum.

6. Un proceso fue calculado tal que la probabilidad de contaminacin de un microorganismo con un valor de D0 (1.0 minuto) es de 1 en 100,000 de una carga inicial de esporas de 100. Para verificar este proceso, un inoculo es cultivado. Calcule el nivel de inoculacin de un organismo teniendo un valor de D0 de 1.5 minutos, el cual deber ser usado en 100 latas en las cuales la contaminacin es de 5 latas, equivalentes en la letalidad del proceso calculado.

7. Evale matemticamente en valor de D con la siguiente informacin:

N Tiempo (min) 10,000 0

90 10 12 14 2 18

0.33 22

8. Calcule el valor de Z apoyndose en una grfica de papel semilogartmico, con la siguiente informacin:

T (F) DT (min) 230 19.65 235 10.47 240 4.92 245 2.56 250 1.23


9. Basndose en la siguiente informacin evale el valor de Z tanto para las curvas de sobrevivencia como de muerte apoyndose en una grfica de papel semilogartmico.

T ( F) DS (min) Dm (min) 230 80 110 235 45 60 240 22 28 245 11 14 250 5.5 7.5

s = Sobrevivencia m = Muerte


II. Obtencin de los Parmetros de Penetracin de Calor

A. Evaluacin de la curva de penetracin de calor (fh,j.fc,jc)

Para el clculo de los valores de penetracin de calor, se deben considerar la evolucin de la temperatura del producto en funcin del tiempo de proceso para una temperatura de tratamiento determinada.

Representando en grfica semilogartmica la penetracin de calor, en alimentos tpicamente convectivos, vendra dada por una recta con mucha pendiente y en alimentos conductivos por una recta con un tramo curvo al principio y con menos pendiente. (Rodrigo y col, 1982).

La inversa de la pendiente se denomina fh y se define como el nmero de minutos necesarios para que la curva atraviese un ciclo logartmico. El grado de curvatura durante el perodo de ascenso de la temperatura se cuantifica por el factor de inercia jh.

En este caso es importante considerar que se van evaluar varios termopares colocados a diferentes posiciones del envase, por que es importante la determinacin del valor de fh para cada uno de las temperaturas de cada termopar.

El criterio de cual curva se va analizar va ser el que tenga el valor ms alto de fh.

Es muy importante mencionar si la curva no queda descrita por una lnea o lneas rectas nicamente el anlisis para este caso ser mediante el empleo del Mtodo General o de Bigelow.

B. Clculo de los valores fh, j y g en la zona de calentamiento para el caso de una curva lineal.

Para evaluar los parmetros de la curva de penetracin se utilizan los siguientes datos de penetracin de calor:

Medidas o Puntos

Tiempo(min) Temperatura (F)

1 0 128 Z O N A

CA LEN TA

MIEN TO

2 3 128 3 5 139 4 10 188 5 15 209 6 20 229 7 25 238 8 30 242 9 35 245

10 40 243 11 45 240 12 50 235 13 55 185 14 60 145 15 65 120 16 70 104

El l b i l i i l i


Del ejemplo anterior se seleccionan los puntos para el clculo del valor fh en la zona de

calentamiento.

Por ejemplo:

RT=250F (Temperatura del medio de calentamiento)

Tiempo (min)

Temperatura (F)

RT-T Log (RT-T)

0 128 122 2.08 3 128 122 2.08 5 139 111 2.04 10 188 62 1.79 15 209 41 1.61 20 229 21 1.32 25 238 12 1.07 30 242 8 0.90 35 245 5 0.69

Manualmente y a partir de la correlacin de log(RT-T) contra Tiempo, se obtiene los siguientes parmetros:

CORRELACION=-0.9984 INTERCEPTO=2.24

PENDIENTE=-0.044

1 1f h = = = 22.31min Pendiente 0.044

(Welti, 1997)

Para el clculo del factor de inercia (j), se determina con la siguiente expresin:

RT I 'T ' j = Ecuacin (5.1)

RT IT de donde:

IT= Temperatura inicial extrapolada

I ' T ' = RT 10 INTERCEPTO (5.2)

I ' T ' = 250 F 102.24 = 76.22 F

Sustituyendo el valor de la ecuacin (5.2) en la ecuacin (5.1)

250 76.22j = = 1.42

250 128

Clculo del valor g


g=RT-Tmax..................(5.3)

donde:

RT= Temperatura del medio de calentamiento Tmax= Temperatura mxima

C. Clculo de los valores de fc y jc para la zona de enfriamiento

Con base en el ejemplo de la pgina 358 del libro de Toledo (1991), se determinarn los parmetros jc y fc para un producto enlatado el cual presenta los siguientes datos cuando es procesado a una temperatura de autoclave de 250F. Toma 3 minutos en la introduccin de vapor. La temperatura del medio de enfriamiento fue de 60 F.

Tiempo (min) T(F) 0 180 5 190

10 210 15 225 20 235 25 241 30 245 35 235 40 175 45 130 50 101

Los parmetros que se obtienen del libro de Toledo son fc=22 min y jc =1.8, prcticamente son muy parecidos a los valores obtenidos por el programa.

D. Clculo de los valores fh, j, f2, gbh, g2 en el caso de que la curva sea quebrada

Para evaluar los parmetros de una curva de penetracin de calor cuando se trata de una curva quebrada se tomo como base el siguiente ejemplo teniendo las siguientes condiciones:

Temperatura de la Autoclave = RT=240F Temperatura Inicia = IT=70F Tiempo de ajuste = CUT=6 min

Puntos o Medidas

Tiempo (min) T(F) RT-T Log (RT-T)

1 0 70 170 2.23 2 2 75 165 2.21 3 4 100 140 2.14 4 6 140 100 2.00 5 8 177 63 1.79 6 10 198 42 1 62


7 12 214 26 1.41 8 14 223 17 1.23 9 16 228.5 11.5 1.06 10 18 230.5 9.5 0.97 11 20 232 8.0 0.90 12 22 233.5 6.5 0.81 13 24 234.5 5.5 0.74 14 26 235.5 4.5 0.65 15 28 236.5 3.5 0.544 16 30 236.5 3.5 0.544 17 35 238 2.0 0.301

En este caso el operario tendr que seleccionar los mejores puntos para el ajuste del valor de fh para la primera recta y posteriormente determinar los puntos de mejor ajuste para la segunda recta y calcular el valor de f2.

En el caso del ejemplo anterior los puntos de ajuste son del punto 1 hasta el 9. Se descartaron los puntos 1 y 2 para un mejor ajuste.

Manualmente y a partir de las siguientes correlaciones se obtienen los siguientes parmetros:


PENDIENTE=-0.0921

1f h = = 10.85min

0.0921

Clculo del valor de gbh

gbh = RT - Tmax= 240-228.5 = 11.5 F

A partir de los puntos 10 a 17 se generan los siguientes parmetros para el calculo de f2:


PENDIENTE=-0.03899

1f 2 = = 25.64min

0.03899

Clculo del valor de g

g=RT-Tmax= 240 - 238 = 2F

(Welti, 1997)


E. Casos prcticos

1. Se tiene una lata 308 x 113 de filetes de pescado en salmuera y son procesados en una autoclave a 240 F (RT), evale por medio de una grfica semilogaritmica y matemticamente los valores de fh y j para los siguientes puntos:

Tiempo (min) T (F) RT-T Log (RT-T) 0 75.2 3 84.2 6 107.6 9 127.4

12 149.0 15 170.6 18 185.0 21 201.2 24 210.2 27 215.6 30 221.0 33 226.4 36 228.2 39 231.8 42 233.6 45 234.1 48 235.4 51 236.1 54 237.2 60 237.9 63 238.6 66 239.0

2. Determine los parmetros de penetracin de calor de j, fh , fc y jc para un alimento enlatado el cual fue procesado a una temperatura de autoclave de 250 F . El valor de CUT fue de 3 minutos y la temperatura de medio de enfriamiento fue de 60 F.

Tiempo Temperatura (min.) (F)

0 180 5 190 10 210 15 225 20 235 25 241 30 245 35 235 40 175 45 130 50 101

3. Se procesa una comida en un contenedor polimrico de 8x10x1.5 en una retorta horizontal. Empleando el Mtodo de Ball, determinar el valor de BB para un IT=60F, RT=250F y F0=6.0 minutos. Los datos de penetracin de calor son los siguientes:


III. Clculo de los Valores de Esterilizacin Mediante el Uso del Mtodo General o Mtodo de Bigelow

A. Determinacin de la velocidad de Muerte

Para determinar la velocidad de muerte o de letalidad es necesario construir una nueva

curva de TMT basndose en el valor Z para determinar la pendiente y el Freq obtenido

anteriormente. (Valle, 1983)

Para validar el mtodo general se tom como base el siguiente ejemplo:

Se desea saber si el tratamiento trmico aplicado a una lata de ejotes ha sido el

adecuado para su esterilizacin. Z=18F

Tamao de lata = 603 x 700 (No. 10)

Come-up Time =10.5 min (CUT)

Temperatura de la retorta = 250F (RT)

a. Calcular la velocidad letal por medio de la siguiente ecuacin:

T 250

F0 = L = 10 Z d

Tiempo (min)

Temperatura (F)

Velocidad letal (L)

(min) 0 60 1 60 2 59 3 60 4 70 5 85 6 108 7 133 8 156 9 175 10 192 11 207 0.004 12 215.5 0.012 13 225 0.041 14 230.5 0.082 15 234.5 0.138 16 238.25 0.222 17 240 0.278 18 241.5 0.337 19 243.25 0.422 20 243.75 0.450 21 244.75 0.511 22 245.25 0.545 23 245.75 0.581 25 246.25 0.619 27 246.75 0.660

22 245 25


29 247 0.681 30.5 247 0.681 31 247 0.681 32 246.75 0.660 33 233.5 0.121 34 217.5 0.016 35 203 0.002

Para predecir el rea bajo la curva se emplea la regla del trapezio:

b b a = f (X1 ) + 2 f (X 2 ) + 2 f (X 3 ) + f (X n )2n a

Sustituyendo los valores:

35 35 11 = (0.004 ) + 2(0.012 ) + 2(0.041 ) + .... + (0.002 )

2x2211

L=8.445 min

B. Casos prcticos

1. Se tiene una lata de 603 x 700 para ejotes enlatados, el valor de Z para este producto es de 18 F, el tiempo de retencin es de 10.5 min(CUT) y la temperatura de autoclave es de 250 F (RT). Evale la letalidad del proceso empleando el Mtodo General. Los datos de penetracin de calor son los siguientes:

Tiempo (min) Temperatura ( F) Velocidad Letal 0 60 1 60 2 59 3 60 4 70 5 85 6 108 7 133 8 156 9 175 10 192 11 207 12 215.5 13 225 14 230.5 15 234.5 16 238.25 17 240 18 241.5 19 243.25 20 243.75 21 244.75


23 245.75 25 246.25 27 246.75 29 247

30.5 247 31 247 32 246.75 33 233.5 34 217.5 35 203 36 189

2. Evaluar la letalidad del proceso para un pescado en salmuera enlatado en un bote de 308 x 113 a una Temperatura de Autoclave (RT) DE 240 F, con valor de Z de 18 F, empleando el Mtodo General, se sabe que el F0 de este proceso es de 4.0 min. Determine si fue adecuado el proceso trmico empleado. Los datos de penetracin de Calor son los siguientes:

Tiempo (min) Temperatura (F) 0 75.2 3 84.2 6 107.6 9 127.4

12 149.0 15 170.6 18 185.0 21 201.2 24 210.2 27 215.6 30 221.0 33 226.4 36 228.2 39 231.8 42 233.6 45 234.1 48 235.4 51 236.1 54 237.2 57 237.7 60 237.9 63 238.6 66 239.0 69 239.0 72 239.0 75 236.3 78 231.8 81 224.6 84 188.6


IV. Mtodo de la Frmula

A. Clculo del Valor de F0 por medio del Mtodo matemtico desarrollado por Ball y mejorado por Stumbo

El mtodo de Stumbo considera las siguientes relaciones para su anlisis:

Correccin para el primer segmento lineal que termina en gbh:

fhU1 = r ( fh /U ) gbh

r = funcin de correccin de Stumbo, depende del valor de g.

El valor de r se determina de la siguiente manera:

r = 0.002307(loggbh )5

0.0071456(loggbh )4

0.026104(loggbh )3

0.05549(loggbh )2

0.080565(loggbh ) + 0.90085

(Vinters y col,1975)

Para el segundo segmento lineal que empieza en gbh y termina en g

f 2 f2U 2 = r ( fh /U ) g ( fh /U ) gbh

f 2 fh f 2UTOTAL = + r ( fh /U ) g ( fh /U ) gbh

U = F0 X Fi

RT 250

Fi = 10 Z

UF0 = Fi

Para l clculo del valor de F0 empleando el Mtodo de Stumbo es muy importante el uso de las tablas de Stumbo para encontrar los valores de fh/U en funcin de un valor de g, con una z especfica y un valor de jc.


B. Expresiones para el Clculo del tiempo de tratamiento trmico (BB) por medio del mtodo de Stumbo.

Para calcular el tiempo del proceso trmico (BB, tB), dependiendo si se trata de una curva simple de calentamiento se proceder al clculo mediante el empleo de las siguientes expresiones ( Ecuaciones 5.4):

1. j

2. fh 3.F0 4.RT

5. IT

6.I = RT-IT 7.j*I 8.log (j*I) 9.Fi

fh =

fh 10. U F0 xFi 11. log g (De la fig 4 o usando la tabla fh/U)

12. log (j*I)-log g

13.BB= fh(log (j*I) -log g)

En el caso que se trate de una curva quebrada, el clculo del valor BB ser empleando las siguientes expresiones (Ecuaciones 5.5) :

1. j______fh____________f2____________Xbh__________F0__________ 2.RT___________ IT__________ I= RT-IT_______________ 3.j*I 4.log (j*I) 5.Xbh

fh 6.log gbh= log (j*I)- Xbh

fh = 7. fh/Ubh (De la Figura 4 o Usando la tabla de log gbh) 8. rbh (De Figura 5 o Usando la tabla 6 de log gbh) 9. Fi 10. F0 x Fi 11. ( f2 -fh)

12.

bh

hbh

U fh

ffr )( 2

13.

bh

bh i

h

U fh

fhfrF F

fU

fh

)( 2 0

2 2

+

=

14. log gh2 (De la Figura 4 o Usando la tabla fh/Uh2)

15. 0.07 ( 2

1 f f c

)


16. correcin log gh2= log gh2 -0.07 (1 f c

f2 )

17. fh( log (j*I)) 18. ( f2-fh)log gbh 19. f2(log gh2) use gh2 del paso 16 20. [ ] )(log ()*log( 2B fhfIjfhB += bhg 2f (log gh2 ))

(Welti, 1997)

B.1 Clculo del valor de F0 empleando el Mtodo de Stumbo

Por ejemplo se tiene un estudio de penetracin de calor los cuales se obtuvieron los siguientes valores:

Z=16 F g=5.53 JC=1.33 RT=248 F gbh=12 F fh=27.5 min f2= 60.5 min

a) Clculo de F0 a partir del mtodo de Stumbo

Como el mtodo de Stumbo se basa en el valor g y gbh cuando se trata de una curva quebrada el procedimiento de clculo es el siguiente:

Para un valor de g =5.53 y una z= 16F, tenemos que extrapolar estos valores en la Tabla 9.12 (Toledo,1991) fh/U vs. g

g1. Para fh/U= 5.0, Z=14F , g=4.02, = 1.32

j Asumiendo que el valor de j es diferente a 1, se obtiene un factor de correccin para g

g = JC + (JC 1) g

j

g = 1.33 + (1.33 1)(1.32) = 4.4532

g = 1.59

2. Para fh/U =5.0 , z= 18 F, g =5.40 , j

g = 5.40 + (0.33)(1.59) =5.9247

b) Correlacin de valores para z= 16 F. De los valores obtenidos se realiza una correlacin para el valor de z

Z gjc=1.33 14 4.4532 16 5.1889 18 5.9247


3. Se obtienen nuevamente valores de fh/U , pero ahora para fh/U = 6.0

ga) fh/U= 6.0 , z= 14 F , g=4.63 , = 1.56

j

g= 4.63 + (0.33) 1.56 = 5.1448

g = 1.82

b) fh/U = 6.0 , z = 18 F , g= 6.25 , j

g= 6.25 + (0.33) (1.82) =6.85

Z gjc=1.33 14 5.1448 16 5.9959 18 6.8500

4. Con los valores obtenidos para z =16F ,se obtiene el valor de (fh/U) en funcin de g.

gU

fh

gjc=1.33

5.0 5.1889 5.42 5.5300 6.0 5.9959

fh

= 5.42 U

g

5. Nuevamente se realiza el mismo procedimiento anterior, pero en est ocasin es en funcin del valor de gbh= 12F. Para una Z = 16F, fh/U=15

ga) fh/U = 15 , Z= 14F , g= 8.29 , =2.68 j

g= 8.29 + 0.33 (2.68 ) =9.1744

g

b) fh/U = 15 , Z = 18 F , g= 10.88 , j =3.57

g = 10.88 + 0.33 (3.57) =12.0581

Z gjc=1.33 14 9.1744 16 10.6162 18 12.0581


6. Nuevamente se realiza el mismo procedimiento anterior, pero en est ocasin es en funcin del valor de gbh= 12F. Para una Z = 16F, fh/U=20

ga) fh/U = 20 , Z= 14 F , g =9.63 , = 2.96

j g = 9.63 + (0.33) (2.96) = 10.6068

g

b) fh/U = 20 , Z= 18F , g = 12.40, j =4.28

g = 12.40 + (0.33) (4.28) = 13.8124

Z gjc=1.33 14 10.6068 16 12.2096 18 13.8124

7. Con los valores obtenidos para z =16F ,se obtiene el valor de (fh/U) en funcin de gbh

gbhU

fh

gbh=1.33

15.0 10.6162 19.34 12.0000 20.0 12.2096

fh

=19.34 U

gbh

A partir de la figura 9.15 (TOLEDO,1991) Factor correctivo de g vs r, se calcula este ltimo trmino en funcin de gbh = 12 de donde r = 0.7

Se aplica la expresin de Stumbo:

UTOTAL = f 2 + r

fh f 2 =

60.5 + (0.7)

27.5 60.5

= 9.96 ( fh /U ) g ( fh /U ) gbh 5.42 19.34

Tenemos la siguiente expresin:

U = F0 X Fi

RT 250

240 250

Fi = 10 Z

= 10 16 =1.33


U 9.96F0 = = = 7.46min Fi 1.33

C. Determinacin del Valor de F0 por medio del Mtodo desarrollado por Hayakawa.

Para los mismos valores del ejemplo anterior tenemos:

z 16KS = = = 0.8 20 20 g 5.53

= = 6.912 KS 0.8

gbh 12 = = 15.00

KS 0.8

1) Clculo para la zona de Calentamiento

De la tabla 9.14 (TOLEDO,1991) g/Ks vs U/fh

Tenemos para g/Ks:

SK g

fh

U

7.000 0.1335 6.912 0.1362 6.000 0.1652

Para gbh/Ks

U gbh

fhKS

15.00 0.03119

Aplicando la expresin de Hayakawa para la zona de calentamiento tenemos:

U U UU = fh + f 2

fh gbh

fh g

fh gbh

U = 27.5(0.03119) + 60.5[(0.1362) (0.03119)]= 7.21CAL . 1. Clculo de la zona de enfriamiento

IC = 182.44

IC 182.44

= = 228.05

KS 0.8

JC = 1.33


De la tabla 9.17 (TOLEDO,1991) se obtiene la siguiente correlacin de g/Ks vs U/fc

ICa) Para = 225 KS

fc

U JC

0.06604 1.20 0.080847 1.33 0.08882 1.40

ICb) Para = 230 KS

fc

U JC

0.06530 1.20 0.079938 1.33 0.08782 1.40

c) Se obtiene la siguiente correlacin con los valores anteriores

CI U

SK fc 225 0.080847

228.05 0.08029 230 0.079938

U'/fc= 0.08029

Aplicando la expresin de Hayakawa para la zona de enfriamiento

U ' = U '

f2 = (0.08029)(605) = 4.85 f c g 5.56

' U enf . = U 10 z = 4.85x10 16 = 2.17

UTOTAL = U CAL. + U ENF. = 7.21 + 2.17 = 9.38

Tenemos la siguiente expresin:

U = F0 X Fi

ln N0

= k N


1 f c (Ajuste ms fino)f 2

C.1 Clculo de BB por de medio del Mtodo de Hayakawa

Cuando no hay punto de quiebre en la curva de calentamiento, un valor de BB puede ser estimado con las siguientes expresiones:

1. Calculo del valor de Uh/f, r por la ecuacin (7.10)

1r = 0.75FP10(250 T ) / Z / f

2. Con el valor calculado de r se buscan en las tablas de Hayakawa (1970) para encontrar el valor de g/Ks

3. Valor estimado de BB por la siguiente ecuacin (7.10.1)

B = f log [(jI / K ) ( / g / K )]B 10 0 S s Cuando hay un punto de inflexin sobre la curva de calentamiento y cuando la fase de calentamiento del proceso trmico termina despus de este punto, el valor de BB puede ser estimado a travs de los siguientes pasos:

1. Clculo del valor de Uh/f, r, por la ecuacin (7.10.2)

r = {0.75F 10(250 T1 ) / Z r (f f )}/ f2P 1 1 2 2. Con el valor calculado de r se buscan en las tablas de Hayakawa (1970) para

encontrar el valor de g/Ks. 3. Valor estimado de BB por la ecuacin (7.10.3)

BB = f2 log10 {(g1 /Ks ) /(g /KS )}+ t1 (Hayakawa,1974)

D. Casos prcticos

1. Determine el valor de tB, BB, B. Con la siguiente informacin:

Z= 18 F F18250=4 Min ( F0) RT= 240 F Tc = 70 F IT = 75.2 F IT=95.0 F fh = 28 min

2. Determine el valor de tB, BB, B. Con la siguiente informacin:

Z= 18 F F18250=3.5 Min ( F0)


RT= 240 F Tc = 65 F IT = 120 F j = 1.34 fh = 5.3 min

3. Empleando el Mtodo de Stumbo evale el valor F0 para el siguiente proceso, basndose en los siguientes valores obtenidos del proceso trmico:

fh= fc = 22 min TC= 70 F jh = 1.4 BB = 28.2 min jc = 1.8 Z = 18 F RT = 251 F IT = 160 F

4. Empleando el Mtodo de Stumbo evale el valor F0 para el siguiente proceso, basndose en los siguientes valores obtenidos del proceso trmico para una curva quebrada:

fh= 27.5 min TC= 60 F f2 = 60.5 min BB = 50.0 min j = jc = 1.33 Z = 18 F RT = 24

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