análisis de la uniformidad térmica de un autoclave que utiliza la

ANÁLISIS DE LA UNIFORMIDAD TÉRMICA DE UN AUTOCLAVE QUE
UTILIZA LA INMERSIÓN EN AGUA COMO SISTEMA DE
CALENTAMIENTO
Abril, J*. Gómez, J**. y Casp, A*.
*Departamento de Tecnología de Alimentos
Universidad Pública de Navarra.
Campus Arrosadía.- Pamplona (España)
[email protected]
** Grupo Alimentario IAN
Polígono Peñalfons. 31330 Villafranca (España)
[email protected]
Palabras clave: Esterilización térmica, autoclave, inmersión en agua
RESUMEN
Los autoclaves son los equipos más comunes para la aplicación de los tratamientos
térmicos en la mayor parte de las industrias agroalimentarias. Son sistemas por cargas
que pueden utilizar como fluido caloportador vapor de agua saturado, mezcla de vapor
saturado-aire y agua sobrecalentada. En los autoclaves que utilizan agua sobrecalentada
la transmisión de calor puede realizarse por inmersión o por pulverización del fluido
caloportador.
En el presente trabajo se analizan las diferencias de temperatura que se producen en el
interior de un autoclave industrial de 4 jaulas de capacidad, en el que la transmisión de
calor tiene lugar por inmersión en agua sobrecalentada, a lo largo del proceso de
esterilización de un alimento envasado en tarros de vidrio cilíndricos.
De acuerdo con los resultados obtenidos, las diferencias de temperatura en la masa de
agua de calefacción son muy importantes en el inicio del procesado térmico (hasta
35ºC) y se reducen rápidamente hasta los 10ºC durante la mayor parte de la fase de
calentamiento. Durante la fase de mantenimiento las diferencias siguen disminuyendo
hasta casi desaparecer.
INTRODUCCIÓN
Los autoclaves son los equipos más comunes para la aplicación de los tratamientos
térmicos en la mayor parte de las industrias agroalimentarias. Son sistemas por cargas
que pueden utilizar como fluido caloportador vapor de agua saturado, mezcla de vapor
saturado-aire y agua sobrecalentada. En los autoclaves que utilizan agua sobrecalentada
la transmisión de calor puede realizarse por inmersión o por pulverización del fluido
caloportador.
La característica primordial de los autoclaves que utilizan agua sobrecalentada es que en
ellos, al contrario de los que trabajan con vapor de agua, la transmisión de calor se
produce por intercambio de calor sensible. Es decir, el fluido caloportador (agua
sobrecalentada) se enfriará a la vez que se calientan los recipientes donde se han
colocado los alimentos. Por lo tanto, la temperatura del fluido caloportador, por
definición, no se mantendrá constante en cualquier posición del interior del autoclave
durante el proceso de intercambio térmico. De lo anterior se desprende que la
uniformidad del tratamiento recibido por los alimentos procesados será función de las
diferencias de temperatura que se encuentren en el agua a lo largo del proceso de
esterilización.
De acuerdo con Park y col.(1990) la distribución de la temperatura dependerá de: la
temperatura inicial del producto, de la temperatura del agua de tratamiento almacenada,
del tamaño de los envases, de la velocidad de circulación del agua sobre los envases y
del tamaño del equipo.
El coeficiente de transmisión de calor superficial conseguido en el proceso depende
fundamentalmente de la velocidad de circulación del agua y de la temperatura de
tratamiento, incrementándose cuando se incrementan estos dos parámetros. En la
bibliografía no se encuentran trabajos que determinen el valor del coeficiente de
película conseguido en procesos de inmersión en agua en función de la velocidad de
circulación del líquido. Mohamed (2007) obtiene valores muy bajos de este coeficiente
para procesos de enfriamiento por inmersión en agua (137 W/m2.K). Sin embargo si se
encuentra modelizada en la bibliografía la variación del coeficiente de película con la
temperatura (McGinnis, 1986):
h  exp 1  Tw   2 
donde:
h = coeficiente de película (W/m2.K)
Tw = temperatura del agua
α1 y α2 = parámetros experimentales
Park y col. (1990) estudian la uniformidad de la temperatura en un autoclave Rotomat,
encontrando diferencias de 3,5ºF (2ºC) al concluir el tiempo de puesta a régimen, hasta
1,5ºF (0,8ºC) a partir de los 10 minutos posteriores a la puesta a régimen. En cuanto a la
estabilidad de la temperatura, encuentran diferencias de 1,1ºF (0,6ºC) al comienzo del
periodo de mantenimiento de la temperatura hasta 0,5ºF (0,3ºC) cuando ya han pasado
10 o más minutos.
El presente trabajo tiene por objeto analizar las diferencias de temperatura que se
producen en el interior de un autoclave industrial de 4 jaulas de capacidad, en el que la
transmisión de calor tiene lugar por inmersión en agua sobrecalentada, a lo largo del
proceso de esterilización de un alimento envasado en tarros de vidrio cilíndricos.
MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio se ha realizado sobre un autoclave industrial formado por un cilindro de
1,530 m de diámetro en el que se tratan 4 jaulas de 0,98x0,98m de planta por 0,905 m
de altura, que cada una de ellas recibe 896 tarros de vidrio, formato 370/17, colocados
en posición vertical en 4 niveles. En las figuras 1 y 2 pueden verse una sección y una
vista lateral de esta máquina.
En el interior del autoclave se disponen 20 sondas termométricas situadas en las jaulas,
en el exterior de los envases, y colocadas de forma que no modifique en flujo de agua
entre ellos. Se han establecido 15 posiciones para las sondas en cada jaula, 5 en el plano
superior, 5 en el intermedio y 5 en el inferior, como puede apreciarse en la figura 3. Las
20 sondas se han distribuido en las 4 jaulas en las siguientes posiciones:
Jaula 1 (junto a la puerta del autoclave) posiciones: 1, 5, 10, 11, 15 y 14
Jaula 2 posiciones: 5, 6, 10 y 15
Jaula 3 posiciones: 5, 8, 10 y 15
Jaula 4 (al fondo del autoclave) posiciones: 3, 5, 10, 12, 13 y 15
Además también se toma lectura de la sonda termométrica que comanda el
proceso en el autoclave y que se considera temperatura de recinto.
Figura 1: Sección autoclave por inmersión
Figura 2: Vista lateral del autoclave por
inmersión
Figura 3: Posiciones de las sondas en las jaulas
La operación del autoclave se realiza de la siguiente forma:
1. Se inyecta agua caliente al autoclave hasta un nivel 10 cm superior al de las
jaulas
2. Se introduce vapor por la parte inferior del autoclave hasta alcanzar la
temperatura prevista (en los ensayos estudiados 118ºC)
3. Se recircula el agua por el interior del autoclave durante todo el tiempo de
proceso para asegurar la homogeneidad de la temperatura del fluido.
4. Cuando concluye el tiempo de mantenimiento se descarga el agua caliente, que
se sustituye por agua fría para producir el adecuado enfriamiento de los
alimentos, manteniendo en todo momento la recirculación del agua en el interior
de la máquina.
RESULTADOS
Temperatura (ºC)
En la gráfica 1 puede verse la evolución de las temperaturas de las 20 sondas colocadas
en las jaulas y la de la sonda de recinto a lo largo de una cocida.
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
J1-01
J1-05
J1-10
J1-11
J1-14
J1-15
J2-05
J2-06
J2-10
J2-15
J3-05
J3-08
J3-10
J3-15
J4-03
J4-05
J4-10
J4-12
J4-13
J4-15
Recinto
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Tiempo (min)
Gráfica 1.- Evolución de las temperaturas a lo largo de una cocida
Al observar la sonda de recinto se aprecia el llenado del autoclave con agua caliente (en
el primer minuto), el calentamiento del agua por inyección de vapor, el mantenimiento
de la temperatura de régimen y por ultimo el descenso de temperatura producido por la
sustitución del agua caliente por agua fría.
Es evidente que no puede considerarse constante la temperatura del agua en cualquier
parte del interior del autoclave durante la mayoría del tiempo que dura la cocida.
Durante la subida en temperatura se aprecia que el agua de proceso presenta un retraso
de hasta aproximadamente 10ºC sobre la temperatura de recinto, que desaparece
paulatinamente cuando se alcanza la temperatura de régimen. En el minuto 35 puede
considerarse que la temperatura del agua en el interior del recinto es constante, y
permanece así hasta que comienza el enfriamiento. Durante el enfriamiento tiene lugar
el mismo fenómeno, el enfriamiento del agua de proceso se produce más lentamente que
el de la sonda de recinto y vuelve a aparecer la disparidad de temperaturas en el agua de
proceso.
En la gráfica 2 puede verse con más precisión la importancia de las diferencias medidas
entre las distintas posiciones de las sondas.
40
35
30
25
20
15
Diferencia máxima (ºC)
Temperatura (ºC)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
10
Recinto
5
Dif Max
0
0
5
10
15
20
25
30
Tiempo (min)
35
40
45
50
Gráfica 2.- Evolución de la diferencia máxima entre las sondas en una cocida
25
20
15
10
0
-5
-10
-15
-20
-25
Ambiente
Dif con ambiente
-30
-35
-40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tiempo (min)
Gráfica 3.- Diferencias máximas entre las
sondas de la capa superior y la de recinto
50
Temperatura (ºC)
5
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
Ambiente
Dif con ambiente
-30
-35
-40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tiempo (min)
Gráfica 4.- Diferencias máximas entre las
sondas de la capa intermedia y la de recinto
50
Diferencia (ºC)
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Diferencia (ºC)
Temperatura (ºC)
Las diferencias son máximas mientras se produce el calentamiento del agua,
presentando un valor que oscila entre 10 y 13ºC. En la fase de mantenimiento las
diferencias van desapareciendo, llegando a su valor mínimo (1ºC) a partir del minuto 35
y hasta que comienza el enfriamiento, momento en el que vuelven a incrementarse hasta
alcanzar más de 30ºC.
En las gráficas 3, 4 y 5 se representan las diferencias máximas entre las sondas de las
capas superior, media e inferior contra la sonda de recinto para comprobar si se ha
producido estratificación de las temperaturas del agua.
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
Diferencia (ºC)
Temperatura (ºC)
25
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-20
-25
Ambiente
Dif con ambiente
-30
-35
-40
0
5
10
15
20
25
30
Tiempo (min)
35
40
45
50
Gráfica 5.- Diferencias máximas entre las sondas de la capa inferior y la de recinto
En estas gráficas se aprecia que la temperatura en la capa más alta se iguala más
rápidamente a la sonda de recinto, por lo que como era de esperar, pese al enérgico
bombeo del agua, se produce una estratificación en el interior del autoclave
encontrándose más caliente el fluido que transmite calor a los envases situados en las
capas superiores de las jaulas.
Estas diferencias deberán valorarse analizando las diferencias de intensidad de
tratamiento térmico que presenten los envases por su distinta situación en la jaula.
CONCLUSIONES
Como era de esperar, la temperatura del agua de proceso no es uniforme en toda su
masa, pese al enérgico trabajo de bombeo. Mientras tiene lugar la transmisión de calor
las diferencias encontradas en las distintas posiciones analizadas son importantes y
prácticamente desaparecen al final del periodo de mantenimiento.
Estas diferencias no tienen por qué significar automáticamente diferencias en cuanto a
la intensidad del tratamiento recibido por los alimentos que, de existir, deberán
cuantificarse en estudios posteriores.
BIBLIOGRAFÍA
McGinnis, D.S. (1986). Surface heat transfer distribution in a weir type pressurized
water retort for processing foods in flexible retort pouches. Can. Inst. Food Sci.
Technol. J. 19, 45-52.
Mohamed, I.O. (2007). Determination of an effective heat transfer coefficient for
immersion water cooling of canned foods. J. Food Proc. Eng., 30, 757-772.
Park, D.J., Cabes Jr., L.J. y Collins, K.M. (1990). Determining temperature distribution
in rotary, full-immersion, hot water sterilizers. Food Technol. 44, 113-118.