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Summary

En la actualidad, la competencia en la industria alimentaria es muy elevada y cualquier empresa
que no ofrezca la calidad en sus productos está condenada al fracaso. El consumidor exige cada vez más y la industria
se mantiene en pie ofreciendo lo que se le pide: calidad, seguridad e inoc...

Description

Esterilización

Tecnología de los Alimentos 4º Ingeniero Químico – 2004/05

Tema 8

Esterilización

Objetivos •

Definir la operación de esterilización como un método térmico de estabilización

•

Profundizar en el conocimiento de la cinética de la muerte térmica de microorganismos.

•

Estudiar los parámetros que definen la intensidad de la esterilización comparándola con la pasteurización.

•

Estudiar el efecto de la esterilización en la destrucción térmica de componentes nuritivos

•

Conocer los fundamentos del diseño de la esterilización..

•

Conocer la aplicabilidad de la esterilización en la industria agroalimentaria.

•

Conocer el equipo en el que se lleva a cabo la esterilización.

Esterilización

Tecnología de los Alimentos 4º Ingeniero Químico – 2004/05

Índice del tema 1 2

DEFINICIÓN DE LA ESTERILIZACIÓN ....................................................................................3 LA CINÉTICA DE LA MUERTE TÉRMICA DE MICROORGANISMOS REVISITADA .......................3 2.1 Desviaciones de la cinética logarítmica....................................................................4 1.2.1.1 1.2.1.2

3 4 5

6

Desviación tipo Humprey (caso 2): existencia de fase de premuerte. .............................. 5 desviación tipo Hakanawa (caso 3): Presencia de estirpes mezcladas. ............................ 6

2.2 Concepto probabilístico de la muerte térmica. .........................................................8 2.3 Probabilidad de fallo de una esterilización...............................................................9 CÁLCULO DE UN CICLO DE ESTERILIZACIÓN BASADO EN LA PROBABILIDAD DE FALLO. ....10 CINÉTICA DE LA DESTRUCCIÓN DE COMPONENTES NUTRITIVOS . .......................................12 DISEÑO DE UN PROCESO DE ESTERILIZACIÓN ....................................................................15 5.1 Calculo de una esterilización en ciclo ideal............................................................15 5.2 Esterilización con conservación de componentes nutricionales (ciclo ideal). ........16 5.3 Calculo de una esterilización en ciclo real .............................................................18 5.4 Esterilización por inyección de vapor .....................................................................20 5.5 Esterilización en tanque agitado encamisado .........................................................21 5.6 Esterilización en cambiador de calor......................................................................23 5.7 Esterilización de alimentos envasados ....................................................................23 5.8 Esterilización de graneles particulados ..................................................................24 5.9 Otros métodos de transferencia de calor usados en la esterilización de alimentos 26 EQUIPOS UTILIZADOS EN LA ESTERILIZACIÓN DE ALIMENTOS ...........................................26

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Esterilización

1

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Definición de la esterilización

La esterilización es un método de estabilización cuyo fundamento es provocar una elevación de la temperatura que provoca la destrucción de los agentes de deterioro, enzimas y especialmente, microorganismos como bacterias, hongos y levaduras. También destruye virus que son agentes infecciosos, aunque no deterioren el alimento. A diferencia de la pasteurización, la esterilización es un tratamiento térmico enérgico porque que tiene como objetivo la destrucción total de todos los microorganismos presentes en el alimento tratado. La esterilización se lleva a cabo a temperaturas elevadas, de al menos 100ºC, normalmente superiores, y su severidad es de varios órdenes superior a la pasteurización. Comparada con la pasteurización, la esterilización produce alimentos con tiempos de vida muy superiores, que llegan a muchos meses e incluso a años. Por otra parte, la calidad organoléptica de los productos esterilizados es peor. En muchas ocasiones el empleo de condiciones de esterilización produce graves deterioros y pérdidas de nutrientes, si no se es muy cuidadoso. En la práctica el diseño de la esterilización conlleva diseñar tanto para producir la muerte térmica deseada como para preservar los nutrientes más susceptibles En resumen, la esterilización es: •

Tratamiento térmico enérgico

•

Por encima de 100ºC

•

Produce la destrucción total de microorganismos

•

Intenta preservar los nutrientes

•

Produce alimentos de muy larga vida

(La preservación de nutrientes no se cuida en la pasteurización porque este procedimiento, por su naturaleza suave, no es destructivo para los nutrientes) (Nota: Lo de la “destrucción total de microorganismos” no es totalmente exacto, siempre queda cierta probabilidad de que quede alguno vivo, pero esto se ve con precisión más adelante) Sin embargo, hay que resaltar que el diseño de la esterilización presenta características diferenciadas de la pasteurización. No es simplemente calentar más y más tiempo, sino además preservar los nutrientes y resolver los problemas de transmisión del calor derivados de los calentamientos rápidos e intensos que requiere la operación.

2

La cinética de la muerte térmica de microorganismos revisitada

Como se ha visto en el tema de pasteurización, la muerte térmica de microorganismos se ajusta muy a menudo a una cinética de primer orden,

−

dN = kd ⋅ N dt

N = N o ⋅ e − kd ⋅t 3

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N

Ln(N)

Esta cinética hace que se produzca un descenso exponencial del número de microorganismos, mostrado en la figura a continuación, y líneas rectas cuando se representa en una grafica semilogarítmica

t

t

Sin embargo, esta definición de la muerte térmica es insuficiente, ya que pueden aparecer desviaciones de la cinética estudiada y porque N, el “número de microorganismos viables”, pierde su significado cuando la población se hace muy pequeña. 2.1

Desviaciones de la cinética logarítmica

Para ciertos microorganismos, el descenso de población viable por muerte térmica se desvía de la cinética logarítmica según los dos casos generales mostrados en la figura que aparece a continuación

N`0 N0

Log(N/N0 )

N”0

2 1 3 t

1.- Cinética logarítmica normal. 2.- En el tipo 2, propuesto por Humprey (1965), La destrucción de microorganismos comienza con una velocidad específica mínima que se acelera al avanzar el proceso (el trozo 4

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curvo inicial) hasta que se estabiliza en un valor que se mantiene durante todo el resto del proceso. 2.- La velocidad de muerte es más rápida al principio y se acelera en el transcurso del proceso de esterilización. Esta desviación se puede atribuir a la presencia de cepas mezcladas con diferente resistencia térmica. A continuación se proponen modelos para tratar estas desviaciones. 1.2.1.1

Desviación tipo Humprey (caso 2): existencia de fase de premuerte.

La desviación estudiada se puede explicar suponiendo que el organismo pasa por una fase de “premuerte” antes de su completa desactivación. El proceso de la muerte podría describirse, por tanto, mediante el siguiente mecanismo de reacción: k1 k2 E  → E *  → Em

Donde E* representa un estado previo a la muerte en el que la bacteria o espora se encontraría “herida”, siendo más susceptible a la muerte térmica. El proceso estaría regido, por tanto, por el siguiente sistema de ecuaciones

dN = −k 1 ·N dt dN * = k 1·N − k 2 ⋅ N * dt La solución al sistema anterior es relativamente sencilla ya que la primera se puede integrar de forma independiente. La solución del sistema es

N + N* k2 k1 = ⋅ e −k1t + ⋅ e −k 2t N0 k2 − k1 k1 − k2 Donde lo que se quiere reducir es la suma total de microorganismos viables, que son los heridos, N*, más los ilesos, N. Conviene introducir un nuevo parámetro que espresa la velocidad relativa de los procesos de premuerte y muerte, según:

α =

k1 k2

Y la ecuación cinética del proceso queda ahora k − 1t α 1 N + N* = ⋅ e − k1t + ⋅e α α −1 1− α N0

Lo que da lugar a los siguientes casos •

α=0 Î k2>>k1 Implica que E* no llega a formarse o lo hace en cantidades tan pequeñas que N* resulta insignificante frente a N. Es la cinética logarítmica normal

•

α1 : La forma alterada de E* es termorresistente. Esto es normalmente un mecanismo de autodefensa.

Los microorganismos de los géneros Bacillus y Clostridium pueden producir este último 5

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tipo de comportamiento, ya que tienen facilidad para originar formas modificadas para adaptarse al medio (en este caso, esporas). Cuestión: Represente la anterior ecuación para los datos de C. botulinum dando diferentes valores a al parámetro α, por ejemplo suponiendo primero α=0,5 y luego α=1,5 Tratamiento empírico: Aunque el tratamiento anterior es satisfactorio, la complejidad de las ecuaciones hace incómodos los cálculos. Es posible, sin embargo, realizar un tratamiento más sencillo, análogo al de la cinética de primer orden pura. De esta forma, además de simplicidad, conseguimos poder aplicar todas las deducciones y técnicas diseñadas para la cinética logarítmica pura a este caso. '

Para ello se propone utilizar una concentración inicial de microorganismos N 0 ficticia, que coincide con el corte de la prolongación de la parte recta (logarítmica) tal y como muestra la línea punteada. Entonces, en este caso

N = N 0' e −kd ⋅t ' Donde N 0 ha de ser estimado de los datos empíricos. La constante de muerte se puede

obtener de consideraciones matemáticas pero también de los datos empíricos de los que en cualquier caso se ha de disponer. La única desventaja de esta aproximación es que no reproduce adecuadamente el número de microorganismos viables durante la fase inicial de la esterilización, por lo que sólo es válida si la esterilización se va a diseñar para producir reducciones inferiores al valor al que se alcanza la linealidad. Por otra parte, la aproximación empírica tampoco da información sobre la concentración del microorganismo en forma “premuerte”, si es que tal dato fuese necesario en el diseño. Cuestión: Con los datos la cuestión anterior, represente la fracción de microorganismos viables y en fase “premuerte” para α=0,5; α=1 y α=1,5 1.2.1.2

desviación tipo Hakanawa (caso 3): Presencia de estirpes mezcladas.

Las desviaciones de la cinética logarítmica que obedecen al tipo2, se pueden justificar porque el microorganismo presente en el alimento, en vez de ser único, es una mezcla de estirpes con diferente resistencia. Por ejemplo, existen 6 formas diferentes de Clostridium botulinum, de las que sólo 4 dan problemas porque las oreas dos son menos tóxicas. Sin embargo, si se hace el seguimiento de una esterilización, todas las formas que estén presentes aparecen como viables. En este caso, la pendiente inicial es más pronunciada ya que las formas menos reistentes mueren mucho más deprisa. Sin embargo, puesto que su número decrece más deprisa, pronto se acaban y sólo quedan las resistentes, estabilizandose la velocidad de muerte en un valor mínimo que es el que corresponde a estas formas del microorganismo. Por otro lado, en este momento la velocidad de muerte es menor, pero el número de microorganismos viables también puede haberse reducido mucho. Suponiendo que sólo existen dos formas del microorganismo, el mecanismo de la reacción de muerte puede mostrarse como dos reacciones en paralelo:

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k1 A → Am

k2 B → Bm

Consideremos que B es el microorganismo resistente. El número de viables es la suma de ambas poblaciones N = NA + NB , en cada momento, y N0 = (NA)0 + (NB)0 Además, se puede definir la fracción resistente, β, como:

β=

NB NA + NB

Por todo lo dicho, el comportamiento del sistema viene dado por las dos siguientes ecuaciones

dN A = −k1 N A dt dN B = −k 2 N B dt Cuya solución, muy sencilla, se presenta a continuación

N = (1− β ) ⋅ Exp (− k1t ) + β ⋅ Exp (− k 2t ) N0 Cuestión: Represente la anterior ecuación para los datos de Lysteria monocytogenes , suponiendo que el 50% de la población presente pertenece a una estirpe que muere 2 veces más rápido que la tabulada. Use varios valores para el parámetro β, además del propuesto. Tratamiento empírico: Al igual que en el caso anterior, es posible obviar la dificultad añadida de una ecuación cinética más compleja adoptando un tratamiento empírico consistente en utilizar un número inicial de microorganismos ficticio, obtenido de prolongar el tramo recto de la curva 2 (en la figura al principio del apartado 2). " En este caso, se cumple además que N0 = NB 0 = β ⋅ N0 , lo que redunda en una mayor simplicidad.

La igual que en el caso anterior, el defecto de este modo de hacer es que se pierde la información del número de esporas viables reales durante las primeras fases del proceso. Tampoco se sabe nada en ningún momento del número de microorganismos viables de la población menos resistente. Sin embargo, por las mismas razones eantes expuestas, esto a menudo no importa. Cuestión: En la cuestión anterior sobre Lysteria monocytogenes , ¿en qué momento se puede considerar que los datos proporcionados por el tratamiento simplificado coinciden 7

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al 99% con los reales? 2.2

Concepto probabilístico de la muerte térmica.

El concepto de esterilización = muerte de todos los microorganismos, hace sugir ciertas inconsistencias respecto de los resultados dador por las ecuaciones de la cinética de primer orden. En efecto, la muerte total debería expresarse por N=0. − k ⋅t

Sin embargo, de la ecuación de primer orden, N = N0 ⋅ e d esta condición N=0 presenta una singularidad que solo se resuelve cuando t=∞, lo cual es inalcanzable. Por otra parte, cuando la población se reduce mucho, por ejemplo, cuando solo quedan pocas decenas o pocas unidades de microorganismos vivos, cabe preguntarse que significan los resultados no enteros de la ecuación, como N=12,5 ó N=3,2. Más difícil aún es decidir qué significan valores de N inferiores a 1 (0>N>1). Todas estas consideraciones ponen de manifiesto las limitaciones del modelo logarítmico, que es una buena aproximación para valores de N grandes, que pierde significado cuando nos acercamos a la muerte total (N≈0) que es precisamente lo que queremos conseguir con la esterilización. Las siguientes consideraciones redefinen el concepto de N como función del tiempo. La muerte térmica es un proceso estocástico La cinética logarítmica describe un proceso determinista, en el que a cada tiempo le corresponde una reducción de microorganismos, es decir, un N que depende de su N0 y de la constante de muerte. Sin embargo la muerte térmica no es un proceso determinista. Si lo fuese, lo microorganismos morirían todos a la vez al alcanzar una temperatura. Lo que ocurre es que el incremento de la temperatura aumenta la posibilidad de que se produzca la muerte de un microorganismo, debido a hechos fortuitos como reacciones químicas o choques térmicos. La población de N0 microorganismos va decreciendo deprisa al principio porque al haber muchos individuos la posibilidad de que se produzca una muerte en la unidad de tiempo es alta, mientras que al avanzar el proceso disminuye, al quedar sólo N microorganismos. Tiempo y probabilidad de supervivencia De consideraciones estadísticas se puede obtener que la posibilidad P de que queden N microorganismos de los N0 iniciales presentes, al cabo de un tiempo t es:

P (N ) =

N0 ! N N −N ⋅ (Exp (−k d ⋅ t )) (1 − Exp ( −k d ⋅ t ) ) 0 ( N0 − N)!⋅ N!

Cuestión: Para un microorganismo con kd=1,2 s-1 y para un N0= 107 obtener la probabilidad de que queden 60 microorganismos viables a los 10 segundos de esterilización. Y cuando t=12s ¿Cuál es el número más probable y qué probabilidad resulta de que salga ese número? Como tal vez se haya dado cuenta, el número más probable a un tiempo t lo da la k t ecuación de la cinética logarítmica N = N 0 e − d⋅ . Por supuesto, la probabilidad de desviarse del comportamiento logarítmico es 1-P(N) en cada tiempo t. 8

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Cuestión:

2.3

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Para el microorganismo de la cuestión anterior ¿A qué tiempo tiene la máxima probabilidad de que le quede 1 microorganismo? ¿Qué probabilidad tiene? ¿Qué probabilidad tiene de haberse desviado de la cinética logarítmica?

Probabilidad de fallo de una esterilización.

El objetivo de que la esterilización = muerte total de los microorganismos, puede expresarse ahora rigurosamente en términos de probabilidad. En efecto, partiendo de N0, la probabilidad de que hayan muerto todos los microorganismos (N=0) al cabo de un tiempo t es

P(0) = (1 − Exp( −kd ⋅ t) )

N0

Cuestión:

Para el mismo microorganismo de las cuestiones anteriores y para el tiempo al que le queda 1 microorganismo? ¿Qué probabilidad tiene de que se hayan muerto todos (N=0).

Por otra parte, el fallo de la esterilización es el suceso contrario y complementario al de la muerte total, y por tanto, su probabilidad es 1-P(0). Es decir, que la probabilidad de fallo es

PF = 1 − P(0) = (1 − Exp(− kd ⋅ t) )

N0

≈ 1 − Exp(− N )

Es decir, que el N que sale de la cinética logarítmica N = N 0 e − d⋅ SI tiene sentido aunque sea menor que 1: sirve para calcular la probabilidad de que 1 microorganismo haya quedado vivo y por tanto la probabilidad de que la esterilización falle. k t

Cuestión: Usando la formula anterior ¿Cuánto debe valer N para que la probabilidad de fallo de un esterilización sea de uno entre mil (10-3)? Para nuestro ya conocido microorganismo con kd=1,2 s-1 y para un N0= 107 ¿a que tiempo se alcanza esta probabilidad? ¿Qué probabilidad de fallo hay al cabo de 15 segundos de tratamiento? Afortunadamente, cuando el valor de N se hace mucho menor de 0, se acerca bastante al de PF, como muestra la siguiente tabla: N

PF

1

0,632

0,1

0,095

0,01

0,00995

0,001

0,001

Puesto que las probabilidades de fallo requeridas en la mayoría de los procesos se encuentran entre 10-6 y 10-12, en la práctica a menudo se puede aceptar que

N=PF Ejemplo: Sea un envase de 1 kg de alimento con 3.18 103 germenes/g. Esterilizar para una PF = 10-6 (un fallo de cada millón) (suponer C. botulinum) 9

Esterilización

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Cálculo de un ciclo de esterilización basado en la probabilidad de fallo.

A diferencia de la pasteurización en la que los tratamientos se encuentran definidos por la costumbre, el uso, o las disposiciones legales, en la esterilización los tratamientos se diseñan con precisión para obtener una severidad suficiente, que suponga la muerte total de los micr...