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Trabajo Fin de

Autor/es

Director/es

Facultad de Veterinaria

Ciencia y Tecnología de los alimentos

Diseño, selección y optimización de esterilizadores para la Industria Láctea

Sergio Domínguez Lahoz

Eva Romeo Salazar Antonio Monzón Bescós

2021

Grado en

Design, selection and optimization of sterilizers for the Dairy Industry

(2)

1

INDICE

1. Resumen/Abstract ... 2

2. Introducción ... 4

3. Justificación y objetivos ... 4

3.1 Comparación métodos UHT ... 8

3.2 Calidad higiénico-sanitaria y organoléptica ... 14

3.2.1 Termosensibilidad de los microorganismos en la leche ... 14

3.2.2 Contaminación posterior a la esterilización ... 16

3.3 Efecto de otros factores (fouling) sobre la eficiencia ... 17

3.3.1 Mecanismo de formación de fouling ... 17

3.3.2 Efectos sobre los parámetros de esterilización ... 22

4. Metodología ... 27

4.1 Algoritmo de cálculo y dimensionamiento del intercambiador de calor ... 27

5. Resultados y discusiones ... 31

6. Conclusiones/conclusions ... 33

7. Valoración personal ... 34

8. Bibliografía ... 34

(3)

2 1. RESUMEN

La conservación de la leche a temperatura ambiente es uno de los logros nutricionales y tecnológicos más importantes obtenidos gracias a la aplicación de las técnicas de esterilización al procesado de alimentos. Este hecho supone un gran avance, en especial para países en vías de desarrollo, dónde el acceso a aparatos de refrigeración para mantener la leche en condiciones higiénicas y de calidad, no está al alcance de toda la población. Por ello, la adecuada selección del método de esterilización más adecuado es clave en el desarrollo e implantación de esta tecnología.

A través de este trabajo se analizan distintos tipos de esterilizadores, con el objetivo de poder seleccionar cuáles son los más adecuados en cada caso para tratar térmicamente la leche. Esta decisión debe de cumplir el tiempo de conservación de sus cualidades organolépticas y sanitarias sea el mayor posible, minimizando a la vez los costes asociados al proceso. Estos procedimientos tienen en cuenta los factores de calidad higiénico-sanitaria y organoléptica, pero además consideran el impacto de otros factores, como el ensuciamiento (fouling), sobre el rendimiento de los esterilizadores (eficiencia).

Para ello, se ha llevado a cabo una comparación de los métodos directos e indirectos de tratamiento UHT de la leche, con las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos, seleccionando para la optimización, el método indirecto en base a todos los factores anteriormente citados.

Finalmente, se desarrolla un algoritmo de cálculo qué permite seleccionar las condiciones y parámetros óptimas de un esterilizador tubular de triple tubo desde el punto de vista tecno- económico, incidiendo principalmente en el efecto de ensuciamiento (fouling) sobre el funcionamiento del esterilizador.

ABSTRACT

The preservation of milk at room temperature is one of the most important nutritional and technological achievements obtained thanks to the application of sterilization techniques to food processing. This fact represents a great advance, especially for developing countries, where access to refrigeration devices to keep milk in hygienic and quality conditions is not available to the entire population. Therefore, the proper selection of the most appropriate sterilization method is key in the development and implementation of this technology.

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3 Through this work, different types of sterilizers have been analyzed in order to conclude which are the most appropriate in each case to heat treat milk. This decision must comply with the conservation, for as long as possible, of its organoleptic and sanitary qualities, and the minimization of the costs associated with the process. These procedures take into account the factors of hygienic-sanitary and organoleptic quality, in addition to considering the effect of other factors, such as fouling, on the performance of the sterilizers (efficiency).

For this, a comparison of the direct and indirect methods of UHT treatment of milk is carried out, with the advantages and disadvantages of each one, choosing the indirect method for optimization based on the aforementioned parameters.

Finally, it is proposed to develop the calculation procedures (algorithms) that allow selecting the optimal conditions and parameters of a triple tube tubular sterilizer from the techno-economic point of view, focusing mainly on the term of fouling.

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4 Nomenclatura

𝐴 = área del intercambiador de calor 𝐶 = calor específico ( 𝑘𝐽

𝑘𝑔 𝐾) 𝐷 = diámetro (m)

𝐷𝑐 = Diámetro tubería (m) 𝑒𝑞 = equivalente 𝐷142 = 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑐𝑖𝑚𝑎𝑙 𝑚. 𝑜 𝑎 142 ˚𝐶 (𝑠) 𝑖 = 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐷121 = 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑐𝑖𝑚𝑎𝑙 𝑚. 𝑜 𝑎 121 ˚𝐶 ; 𝑙 = 𝑙𝑒𝑐ℎ𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐶. 𝑏𝑜𝑡𝑢𝑙𝑙𝑖𝑛𝑢𝑚 (𝑠) 𝑜 = 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐸𝑎= 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (J/mol) 𝑠 = 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑔 = 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑒𝑑𝑎𝑑 (9,81𝑚

𝑠2) 𝑠𝑠 = 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑏𝑙𝑒 ℎ = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑚𝑖𝑠ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 ( 𝑊

𝑚2𝐾) 𝑤 = 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 ( 𝑊

𝑚 𝐾) 𝑙𝑚 = 𝑙𝑜𝑔𝑎𝑟𝑖𝑡𝑚𝑜 𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 (𝑚) 𝑅𝑒 = 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 ℎ = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑚𝑖𝑠ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 ( 𝑊

𝑚2𝐾) 𝑅𝑒𝑐 = 𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑚̇ = 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 (𝑘𝑔

𝑠) 𝑃𝑟 = 𝑃𝑟𝑎𝑛𝑑𝑡𝑙

𝑁 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 ′ = 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑅 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 (8,134 𝐽

𝐾𝑚𝑜𝑙) 1 = 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 (𝐾) 2 = 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑡𝑝= 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜

𝑈 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑚𝑖𝑠ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 ( 𝑊 𝑚2𝐾) 𝑣 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑚

𝑠)

𝑧 = 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑧 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 (˚𝐶)

𝜆 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑠𝑛𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑘𝐽 𝑘𝑔) 𝜇 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑘𝑔

𝑚 𝑠) 𝑝 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑘𝑔

𝑚3)

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5 2. INTRODUCCIÓN

La leche se considera un alimento básico y equilibrado, siendo una importante fuente de energía y de nutrientes (calcio, magnesio, fósforo y zinc, así como vitamina D, A y del complejo B). Su principal componente es el agua (60 – 85%). La leche aporta proteínas de alto valor biológico e hidratos de carbono, fundamentalmente en forma de lactosa, además de grasas y minerales (Varela Moreiras, 2018).

Hoy en día, los principales tratamientos térmicos aplicados en la Industria Láctea de menor a mayor intensidad son termización (inactivación de psicrótrofos), baja pasteurización (destrucción de patógenos), alta pasteurización (inactivación de todos los microorganismos excepto esporas) y esterilización y UHT (inactivación de todos los microorganismos, incluyendo esporas) (De Jong, 2008).

La conservación de la leche a temperatura ambiente es uno de los logros obtenidos gracias a la aplicación de las tecnologías al procesado de alimentos, y que supone un gran avance en especial para países en vías de desarrollo donde el acceso a equipos de refrigeración para mantener la leche en condiciones higiénicas y de calidad, no está al alcance de todos.

Se entiende por leche ultrapasteurizada (UHT, Ultra High Temperature) la leche natural entera, desnatada o semidesnatada, sometida a un proceso de calentamiento en condiciones tales de temperatura y tiempo que asegure la destrucción de los microorganismos y la inactividad de sus formas de resistencia, y envasada posteriormente en condiciones asépticas (Orden de 11 de febrero de 1987 por la que se modifica la Norma General de Calidad para la Leche UHT). Aunque las condiciones de pasteurización UHT varían de un país a otro, la producción de leche UHT distribuida a temperatura ambiente, se aplica comúnmente 130–150°C durante 2–8 s, seguido de llenado aséptico (Boor y Murphy, 2002, Heyndrickx et al., 2010). El consumo de leche procesada UHT es importante en todo el mundo debido a su larga vida útil y la posibilidad de almacenamiento a temperatura ambiente. Sin embargo, su calidad puede verse comprometida por cambios no deseados, tales como la gelificación, sabores anómalos o sedimentación. Otro posible efecto negativo que puede producirse durante el almacenamiento es la separación de la grasa; formación de flóculos debido a la aglomeración de los glóbulos de grasa con la formación de una capa de grasa flotante o un agregado proteico rico en grasa lo suficientemente denso como para sedimentar (Hardham et al., 2000; Chavan et al., 2011).

El consumo per cápita de leche líquida en España ha sufrido un claro descenso, de 90 litros por persona en 2004 a 69 litros en 2019 (MAPAMA, 2020), lo que revela la gran importancia del

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6 uso de métodos de procesamiento de la leche no convencionales para competir en la industria de las bebidas. Las leches procesadas mediante pasteurización HTST (high temperature-short time) (mínimo 72 °C durante 15 s o tratamiento equivalente) tienen una vida útil de 2 a 3 semanas bajo refrigeración debido a las limitaciones de deterioro bacteriano (Boor, 2001). La leche ultrapasteurizada (UHT) se calienta entre 138-150 ° C durante 1 ó 2 s, con un posterior envasado en recipientes estériles. Esto da como resultado un producto estable a temperatura ambiente con una vida útil de 6 meses a 1 año (Sumonsiri y Barringer, 2014).

Los cambios de sabor en leches tratadas térmicamente dependen de la intensidad del tratamiento, durante el cual se forman compuestos volátiles a partir de proteínas, carbohidratos y lípidos presentes en su composición, tales como sulfhidrilo (-tiol) debido a la desnaturalización por calor de las proteínas del suero y de las proteínas de la membrana del glóbulo de grasa de la leche; o formación de metilcetonas y aldehídos a partir de la grasa de la leche, (Calvo y de la Hoz, 1992). Entre los compuestos sulfurados volátiles analizados en leches, se ha comprobado que muchos de estos aumentan durante el procesamiento térmico y están asociados con el sabor cocido de las leches tratadas térmicamente, particularmente la leche UHT y esterilizada.

Varios investigadores han intentado explicar el origen de estos volátiles tanto en la leche cruda como en la procesada, y cómo reducir el sabor cocido asociado que tiene un impacto negativo en la aceptabilidad de la leche procesada por parte del consumidor (Al-Attabi, D'Arcy y Deeth, 2008).

El propósito del tratamiento UHT es destruir todos los microorganismos, incluidas las esporas, y garantizar una vida útil prolongada sin necesidad de refrigeración. Durante el proceso, el producto sufre decoloración, pérdida de vitaminas (B1) y lisina, formación de hidroximetilfurfural y desnaturalización de la proteína del suero (Lewis, 1994; Singh y Patil, 1989). Pero los tratamientos UHT presentan una serie de ventajas respecto al tratamiento de esterilización convencional en botella, puesto que las reacciones químicas son menos sensibles a los cambios de temperatura que la inactivación térmica de las esporas, cuyo valor z es menor (Huemer et al., 1998), como se observa en la tabla 1. Debido a los tiempos de procesamiento mucho más cortos, la leche UHT es más blanca y menos caramelizada, y sufre menos desnaturalización proteica y pérdida de vitaminas sensibles al calor en comparación con la leche esterilizada en botella. (Claeys, Van Loey y Hendrickx, 2002). Por su parte, la leche UHT recibe una carga térmica significativamente mayor que la leche HTST, que se puede evaluar mediante marcadores de daño térmico, como la furosina y la desnaturalización de proteínas séricas (Lee et al., 2017).

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7

Tabla 1. Valores “z” de compuestos asociados a daño por calor a leche sometida a 140ºC durante 4 seg.

Temperatura Compuesto / m.o Valor z

140ºC Tiamina 31 ˚C

140ºC Lactulosa 20,6 ˚C

140ºC HMF 23,3 ˚C

140ºC B. stearothermophilus 13,1 ˚C

El empleo de un modelo de inactivación microbiana que incluya cinética de reacciones relacionadas con la calidad (vitaminas, compuestos no deseables…) del producto es muy útil para predecir una serie de indicadores de seguridad y calidad para el tratamiento UHT y, por lo tanto, para comparar productos producidos en diferentes condiciones de procesamiento (Kirk, 2012). Su uso permite a los operadores comerciales cuantificar la contribución de cada etapa del proceso UHT a la letalidad total del producto. Esto puede dar una indicación de dónde ocurre el daño por calor más severo y puede ayudar a modificar el perfil de temperatura/tiempo para mantener la esterilidad comercial al tiempo que reduce cualquier característica sensorial indeseable en el producto causada por un calentamiento excesivo. También ayuda durante la instalación y prueba de la nueva letalidad indirecta de la planta UHT, lo que permite predecir algunos de los cambios físicos y químicos que ocurren en el producto lácteo sin costosas pruebas (Pearce et al., 2012).

Una vez concretados los valores letales de los microorganismos para hacer de este alimento un producto seguro (en lo relativo a la higiene y seguridad alimentaria) es necesario un diseño del tratamiento térmico que tenga en cuenta los factores de calidad (e.g. la reacción de Maillard y formación de colores extraños, retención de vitaminas…) y los factores que determinan la estabilidad del producto en el tiempo (inactivación de lipasas y proteasas). El objetivo principal es maximizar la calidad final del producto, evitando la formación de HMF y garantizar su estabilidad en el tiempo (minimización de la actividad lipásica y proteásica residual) a la vez que se cumple con el criterio de esterilización comercial. (Claeys et al, 2003)

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8 3. OBJETIVOS

3.1 Comparar distintos métodos UHT

3.1.1 Desarrollar tablas comparativas de factores de rendimiento energético-económico Dada la gran variedad de aplicaciones y configuraciones estructurales de los intercambiadores de calor, es importante proporcionar un esquema de clasificación para ayudar en su proceso de selección (Fraas, 1989).

1. En función del tipo de intercambiador de calor: (a) recuperador y (b) regenerador. Un recuperador es el intercambiador de calor convencional en el cual el calor es recuperado por la corriente de fluido frío de la corriente de fluido caliente. Las dos corrientes de fluido fluyen simultáneamente, en una variedad de configuraciones de flujo, a través del intercambiador de calor. En un regenerador, los fluidos fríos y calientes fluyen alternativamente a través del intercambiador, que esencialmente actúa como una unidad transitoria de almacenamiento y disipación de energía (Hewitt, Shires y Bott, 1994)

2. En función del tipo de proceso de intercambio de calor entre los fluidos: (a) contacto indirecto, y (b) contacto directo. En un intercambiador de calor indirecto, los fluidos fríos y calientes están separados por un material sólido, generalmente de geometría tubular o de placa, evitando que se mezclen. En este caso hablaríamos de tratamiento UHT indirecto. En un intercambiador de calor de contacto directo tanto los fluidos fríos como calientes fluyen hacia el mismo espacio sin tabique de separación entre ellos (UHT directo) (Shah y Sekulic, 2003).

3. En función de la fase o estado termodinámico de los fluidos: (a) monofásico, (b) evaporación o ebullición, y (c) condensación. Este criterio se refiere al estado de agregación de los fluidos fríos y calientes, y las tres categorías se refieren a los casos en los que ambos fluidos mantienen un flujo monofásico y uno de los dos fluidos sufre evaporación o condensación.

(Fraas, 1989)

4. El tipo de construcción o geometría: (a) tubular, (b) placa y (c) superficie extendida o con aletas.

El estudio del proceso de ultrapasteurización de la leche se puede llevar a cabo con dos métodos de calentamiento continuo. Por un lado, el calentamiento directo: calentamiento rápido de la leche mediante inyección directa de vapor (UHT directo), seguido de enfriamiento a vacío para eliminar el agua del vapor inyectado por condensación. Por otro lado, el

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9 calentamiento indirecto (UHT indirecto), como se ha explicado anteriormente, está basado en el empleo de un intercambiador de calor tubular o de placas (Datta et al., 2002; Lee et al., 2017).

Calentamiento directo:

Hay dos tipos principales de sistemas UHT de calentamiento directo conocidos como inyección de vapor (vapor en leche) e infusión de vapor (leche en vapor) (Datta et al., 2002). En el primero, el vapor sobrecalentado se "inyecta" en un chorro de leche, mientras que, en el segundo, la leche se rocía o se deja caer como una película delgada o chorros finos, a través de una cámara de vapor sobrecalentado (Bylund, 2003). Una característica principal de estos dos sistemas es el aumento casi instantáneo de la temperatura de la leche desde el precalentamiento hasta la temperatura de esterilización a través de la transferencia del calor latente de vaporización del vapor a la leche. Durante esta etapa de calentamiento, el vapor se condensa y la leche se diluye con agua. El grado de dilución depende del aumento de temperatura de la leche, pero para un aumento de temperatura de 60 °C (por ejemplo, de 80 °C a 140 °C), es aproximadamente del 11% (Lewis y Heppell, 2000). Después de que la leche pasa a través del tubo de retención de alta temperatura, el agua arrastrada se elimina en la cámara de vacío, que también enfría rápidamente la leche a aproximadamente la misma temperatura que la de la leche precalentada. Para garantizar que no se produzca ni dilución ni concentración de la leche, se controlan los sólidos totales de la leche entrante y la leche procesada, y se ajusta la temperatura en la cámara de vacío si es necesario. El vapor utilizado en las plantas UHT directas debe ser de calidad (purificado) para evitar la transferencia de sabores desagradables a la leche (Burton, 1988).

Calentamiento indirecto:

En el calentamiento indirecto, el medio calefactor es vapor o agua sobrecalentada.

Cuando se usa agua, fluye en dirección contraria a la de la leche. El flujo inverso minimiza la diferencia de temperatura entre los dos líquidos, afectando en menor medida a la calidad final de la leche. El agua caliente es un medio de calentamiento significativamente mejor que el vapor con respecto al sabor del producto, ya que permite una diferencia de temperatura menor entre la leche y el medio de calentamiento (Dentener, 1984).

En la Figura 1 se muestra la evolución de la temperatura a lo largo de un intercambiador de flujo paralelo, se observa que independientemente de la longitud del intercambiador, la temperatura final del fluido más frío nunca puede alcanzar la temperatura de salida del fluido más caliente con este tipo de configuración. Para flujo en contracorriente (Figura 2), la

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10 temperatura final del fluido más frío puede exceder la temperatura de salida del fluido más caliente, ya que existe un gradiente de temperatura favorable a lo largo de todo el proceso.

Figura 1. Distribución de temperaturas en intercambiador de calor de flujo paralelo

Figura 2. Distribución de temperaturas en de calor de flujo contracorriente

Otra ventaja adicional de la disposición de contraflujo es que para una tasa dada de flujo de calor, se requiere menos área superficial que en el flujo paralelo. De hecho, la disposición de contraflujo es la más eficaz de todas las disposiciones de intercambiadores de calor.

El calentamiento desde la temperatura de precalentamiento hasta las temperaturas de esterilización y el enfriamiento inicial de la leche esterilizada es mucho más lento en los sistemas indirectos que en los directos. (Biziak et al., 1985). En la práctica, los tiempos de calentamiento desde el precalentamiento hasta la temperatura final pueden ser de hasta 100 s (Tran et al., 2008). Por lo tanto, para un aumento de temperatura dado, los procesos indirectos son más severos que los procesos directos. En otras palabras, la leche producida en una planta indirecta está sometida a una mayor carga térmica que la leche procesada en una planta directa, con una eficacia bactericida equivalente. El proceso UHT indirecto más utilizado actualmente requiere aproximadamente 100 s para lograr la misma eficiencia térmica. Esta alta velocidad de calentamiento y enfriamiento de los tratamientos directos (para el mismo tiempo de mantenimiento a la temperatura de esterilización) permite la reducción de la desnaturalización de proteínas y consecuentemente mitiga el desarrollo de la reacción de Maillard, y con ello la formación de un producto de esta reacción, la furosina (uno de los marcadores de tratamiento térmico).

Lee et al. (2017) determinaron que las leches UHT procesadas mediante tratamiento indirecto tenían mayor contenido de furosina, seguidas de las UHT directo y HTST. Además,

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11 concluyeron que la desnaturalización de proteínas séricas era mayor en las leches UHT que las HTST, siendo superior en las de tratamiento indirecto que directo (Lee et al., 2017). Debido a las diferencias en el tiempo de tratamiento, la temperatura y la carga de calor total, los perfiles sensoriales (apariencia, aroma, sabor, viscosidad) de las leches UHT directo, UHT indirecto y HTST eran todos distintos (Lee et al., 2017).

Los diferentes procesos de calentamiento y los perfiles de temperatura-tiempo de los sistemas directos e indirectos dan lugar a varias diferencias en las características y parámetros de procesamiento. De particular interés es la mayor propensión de las plantas indirectas a ensuciarse debido a una elevada área de superficies calientes. En las primeras etapas de la planta donde la temperatura alcanzada es de 100 ° C, la reacción principal es la deposición de fosfato de calcio, que tiene una solubilidad reducida a altas temperaturas. En consecuencia, el depósito en las secciones de alta temperatura es predominantemente mineral, mientras que el depósito en la sección de temperatura más baja es predominantemente de proteínas. La acumulación de depósitos de suciedad (fouling) provoca una reducción de la transferencia de calor y un aumento de la presión. En las plantas comerciales, la temperatura del producto se mantiene aumentando la temperatura del medio de calentamiento. Esto agrava el ensuciamiento debido al aumento de la diferencia de temperatura entre el agente calefactor y el producto y, finalmente, la planta debe pararse para su limpieza (Ansari et al., 2006). Las consecuencias son un aumento del consumo energético para compensar la pérdida de eficiencia en la transferencia de energía, así como un mayor número de ciclos de limpieza. Ambos tienen un impacto significativo en la sostenibilidad del procesamiento de productos lácteos, así como en la utilización óptima de los equipos de procesamiento. (Zhang et al., 2020)

El grado de recuperación de energía térmica es otra diferencia entre los dos sistemas. En los sistemas de calefacción por inyección directa, la recuperación de calor es menor ya que el vapor generado en la cámara de vacío se condensa y el calor útil se pierde del sistema. En los sistemas indirectos, todo el calor sensible de la leche a la temperatura de esterilización (135–

150 ° C) se puede recuperar. Así, la recuperación de calor en los sistemas indirectos suele ser superior al 90%, mientras que en los sistemas directos es sólo del 50% (Lewis y Heppell, 2000).

Los principales efectos del procesamiento sobre la calidad de la leche UHT se deben a la mayor carga de calor en los sistemas indirectos y, en menor medida, al menor contenido de oxígeno disuelto en la leche procesada directamente, causado por la extracción de aire y agua en la cámara de enfriamiento al vacío. Las dos principales diferencias en las características del producto son el sabor y la susceptibilidad a la gelificación durante el almacenamiento, es decir, la gelificación por envejecimiento (Lewis,1994). La leche procesada indirectamente tiene mayor

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12 sabor a cocido y puede desarrollar sabores más oxidados o rancios debido al mayor nivel de oxígeno disuelto. Sin embargo, la leche procesada directamente es más propensa a la gelificación. La causa principal de la gelificación por envejecimiento es la proteólisis, catalizada por la plasmina de la leche nativa o por las proteasas bacterianas que resultan del crecimiento de bacterias psicrótrofas, principalmente pseudomonas, en la leche antes del procesamiento.

Tanto la plasmina, como las enzimas bacterianas, tienen una estabilidad térmica considerable;

aunque la mayor carga de calor que recibe la leche por tratamiento indirecto produce inactivación mayor de las proteasas que en el calentamiento directo (Cauvin et al., 1999). Si bien tanto la plasmina como las proteasas bacterianas causan gelificación y también amargor, sus modos de acción sobre las caseínas son bastante diferentes, liberando péptidos diferentes, y esta diferencia puede aprovecharse para determinar la causa de la gelificación por envejecimiento (Datta y Deeth, 2003).

• Tiempos y temperaturas de procesamiento

En el procesamiento comercial de la leche UHT, el precalentamiento (a ∼80–95°C) generalmente se logra utilizando la leche procesada caliente para calentar la leche cruda fría entrante. Esto permite que se regenere gran parte del calor utilizado en el proceso y se reduzca la necesidad de agua de refrigeración (Lewis y Heppell, 2000). La leche precalentada a menudo se mantiene durante un tiempo corto (de 15 s a unos minutos) para desnaturalizar las proteínas del suero, principalmente la β-Lg, para reducir su capacidad de ensuciar o depositarse sobre las superficies calientes de la sección de calentamiento de alta temperatura (Burton, 1988). Este enfoque de procesamiento, que se conoce como un paso de 'estabilización de proteínas', no se emplea generalmente en plantas directas porque es mucho menos probable que se ensucien en la sección de alta temperatura al contrario que en las plantas indirectas.

Los pasos de precalentamiento y enfriamiento final siempre se realizan en intercambiadores de calor indirectos; sin embargo, el calentamiento a la temperatura de esterilización después del precalentamiento puede ser directo o indirecto. Esta es la etapa que caracteriza a una planta como "directa" o "indirecta". La sección de enfriamiento inmediatamente después de la sección de alta temperatura también difiere en los dos sistemas:

las plantas directas usan enfriamiento de expansión en una cámara de vacío, mientras que las plantas indirectas emplean intercambiadores tubulares o de placas. (Burton, 1988). Todos los procesos UHT implican el envasado aséptico del producto en cartones, botellas de plástico o cartones de plástico laminado (Robertson, 2006). Esta es una parte esencial del procesamiento UHT, ya que garantiza que el producto estéril no se contamine durante el envasado, lo que

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13 permite que el producto se almacene a temperatura ambiente durante varios meses sin que se estropee por el crecimiento bacteriano.

El estudio de Cattaneo, Masotti y Pellegrino (2008) acerca del sobretratamiento de la leche arroja unos resultados donde se concluye que (1) el tipo de proceso, (2) las características de la planta y (3) las condiciones de gestión de la planta (por ejemplo, el tiempo de ejecución antes de la limpieza para la eliminación de incrustaciones), pueden contribuir sustancialmente al daño por calor final de la leche UHT, además de las condiciones de tiempo/temperatura del tratamiento térmico. La lactulosa parece ser un parámetro adecuado para cuantificar el daño total por calor que ha sufrido la leche UHT, ya que se ve mínimamente afectada por las condiciones de almacenamiento (Cattaneo, Masotti y Pellegrino, 2008; Cho, Hong y Kim, 2012).

Resumiendo, las principales ventajas del tratamiento UHT indirecto frente al directo, ver Tabla 2, se basan principalmente en la reducción de los costes, tanto de producción como de la planta de procesado. Los datos económicos para comparar los métodos de ultrapasteurización directa e indirecta son difíciles de obtener. La mayoría de los autores expresan una opinión generalizada de que la esterilización indirecta es algo menos costosa que los procesos directos (Kosaric et al., 1981). Esto se puede atribuir principalmente a las complejidades tecnológicas y la menor necesidad de producción de calor en los métodos indirectos que directos. En primer lugar, el proceso de homogeneización no tiene por qué realizarse tras el tratamiento térmico, ya que no es necesario que se realice en condiciones asépticas, por lo que es un punto a favor.

Existe una recuperación del calor generado durante el proceso, rendimientos superiores al 90%

en comparación con el método directo (50%). Los requerimientos energéticos son superiores en el directo que, en indirecto, de ahí que los costes de procesado sean mayores. Además, los tiempos de ejecución del método directo son el doble que para el indirecto. Por último, otro punto a favor del método indirecto es la posibilidad de tratar productos lácteos más viscosos, en especial en los intercambiadores de tubos. (Lewis y Heppell, 2000).

El homogeneizador necesario para la esterilización directa de productos lácteos debe ser aséptico, ya que la homogeneización posterior es necesaria para romper los grumos de grasa y proteína creados durante el tratamiento de esterilización (Jelen, 1982). El vapor utilizado para la mezcla directa debe tratarse mediante filtros y otros dispositivos para obtener un vapor aceptable sin gotas de agua, partículas sólidas, gotas de aceite y otras impurezas disueltas.

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14 Tabla 2. Comparación características y parámetros de proceso UHT método directo vs indirecto.

Parámetro Sistema directo Sistema indirecto

Precalentamiento (90 ˚C)

“Estabilización proteica” Muy poco común Ampliamente incorporado

Temperatura-tiempo 140 - 150 ˚C; 1-3 seg 130-145˚C; 2-8 seg

Homogeneización

Post-tratamiento (requiere homogeneizador

aséptico)

Pre-tratamiento

Velocidad de calentamiento (kcal/h/m2/˚C)

100.000 - 120.000 3000 - 4000

Fouling (acumulación de

sedimentos) Mínimo

Común, pero solucionable.

Mayor en intercambiadores de placas que tubulares

Tiempo de procesado total Largo Corto (menor en tubulares que

en placas)

Recuperación de calor 50 % >90 %

Costes de operación Superiores que método indirecto

Costes de planta de procesado

Superiores que método indirecto

Posibilidad de contaminación por fugas

fluido calefactor

Posible en la sección de regeneración.

Nula en proceso de esterilización

Medio-bajo. Mayor en sistema de placas que en tubular.

• Calidad higiénico-sanitaria y organoléptica

3.2.1 Termosensibilidad de los microorganismos en la leche

El proceso UHT destruye todas las bacterias vegetativas (tanto patógenas como no patógenas) y la mayoría de las formadoras de esporas. Sin embargo, la calidad de la leche cruda es un factor clave que afecta la calidad de la leche UHT.

Las esporas bacterianas en la leche cruda presentan el principal desafío para los procesos UHT. Sin tales organismos, no habría necesidad de que la intensidad de calentamiento para

(16)

15 obtener producto estable a temperatura ambiente fuese tan elevada (Te Giffel et al., 2002). Si una población relativamente alta de bacterias formadoras de esporas está presente en la leche cruda, una pequeña cantidad de la misma puede sobrevivir al tratamiento UHT. Así, Bacillus spp.

puede encontrarse en la leche UHT, aunque existe controversia en cuanto a si su presencia se debe a fallo en el proceso de esterilización, a una recontaminación o a su resistencia al calor. Las especies más detectadas son B. licheniformis, Bacillus coagulans, Bacillus badius y B. cereus (Muir,1990). Sin embargo, es poco probable que este último sobreviva al tratamiento, lo que implica que su presencia se deba a contaminación posterior a la esterilización. (Melini et al., 2017)

Los termófilos resistentes al calor, como G. stearothermophilus y B. licheniformis, son los más comunes. Pueden causar el defecto de "acidez plana" en la leche UHT, que se caracteriza por la producción de ácido, pero sin producción de gas. Huemer et al., (1998) estudiaron la resistencia al calor de las esporas de tres cepas de Bacillus sporothermodurans aisladas de leche UHT no estéril en un rango de temperatura de 110–145 °C y los resultados los compararon con la resistencia al calor de las esporas de Bacillus stearothermophilus. Los valores de D140 de 3,4 a 7,9 s (B. stearothermophilus D140 = 0,9 s) indicaron una resistencia al calor excepcionalmente alta de las esporas de B. sporothermodurans en condiciones de UHT. Las curvas de termodestrucción (TDT), <termal death time> muestran diferentes pendientes para B.

sporothermodurans y B. stearothermophilus, con z = 13,1–14,2 °C y 9,1 °C, respectivamente. Sin embargo, estos termófilos no crecen en la leche en condiciones de almacenamiento estándar o

“normales” (≤30 °C) y tienen un crecimiento óptimo de ∼55 °C. (IDF, 2000). Este organismo es mesófilo, lo que significa que puede crecer a temperatura ambiente. Afortunadamente, no parece causar deterioro más que una ligera decoloración de la leche y rara vez alcanza recuentos superiores a 105 ufc x mL-1-1 (Scheldeman et al., 2004). Sin embargo, es extremadamente difícil de retirar de los equipos contaminados y ha provocado el cierre de algunas plantas de UHT.

Scheldeman et al. (2004) investigaron un caso de contaminación de leche UHT de una empresa y encontró dos organismos mesófilos muy resistentes al calor. Uno fue B. sporothermodurans y el otro fue identificado como Paenibacillus lactis, informando que las esporas de Paenibacillus sobrevivían al calentamiento a 120 °C, cuyo origen proviene de ensilados y piensos.

Esporas de patógenos como Clostridium perfringens, C. botulinum, y B. cereus, sin embargo, no se eliminan mediante tratamiento térmico UHT (Varnam y Sutherland, 2001), aunque se ha informado de una incidencia de enfermedad muy baja. S. aureus no sobrevive al tratamiento de pasteurización, pero puede producir enterotoxinas termoestables que son muy resistentes al calentamiento y la pasteurización. En particular, la enterotoxina A puede

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16 permanecer activa tras el tratamiento térmico a 121 °C durante 28 min (esterilización tradicional). Por otro lado, debido a su baja resistencia al calor, la mayoría de B. cereus en la leche cruda se inactiva por completo a niveles seguros mediante tratamiento a 120 °C durante 2 segundos; es por eso que no se detecta B. cereus en la leche UHT disponible comercialmente (Shaheen et al., 2010).

También existen algunos inconvenientes del procesamiento UHT que hemos comentado anteriormente, tales como la inactivación incompleta de las enzimas proteolíticas más resistentes al calor y la mayor susceptibilidad a la gelificación (Lewis, 1994). Por ejemplo, la mayoría de los psicrótrofos como Bacillus spp. y Pseudomonas spp. se destruyen fácilmente con el tratamiento UHT (ver tabla 3), pero sus enzimas lipolíticas y proteolíticas pueden sobrevivir en cantidades suficientes para causar el deterioro del producto durante el almacenamiento (Law, 1979). Además de las enzimas bacterianas, también existen una serie de enzimas nativas de la leche que son perjudiciales para la calidad o la vida útil de la leche que pueden sobrevivir al procesamiento UHT, como la plasmina, una proteasa causante del sabor amargo durante el almacenamiento de la leche. Durante el mantenimiento a temperatura ambiente, la proteólisis puede ocurrir no solo debido a la plasmina restante después del calentamiento, sino también a la plasmina convertida a partir del plasminógeno no desnaturalizado (Muir, 1996). Además, algunas esporas, como las de Bacillus sporothermodurans pueden sobrevivir al UHT.

(18)

17 Tabla 3. Cinética de destrucción de distintos microorganismos objetivo en leches UHT. (Roberts et al., 1996; Walstra et al., 1999)

Microorganismo Tª ref (˚C) D ref (min) z (˚C)

Bacillus cereus 95 1,8 9,4

Bacillus cereus (esporas) 121 0,04 9,5

Bacillus licheniformis 111 0,48 8

Clostridium botullinum 115 0,21 – 0,3 7,9

Clostridium botullinum (esporas) 110 0,85 9,5

Bacillus stearothermophilus (esporas) 121 5,5 9,5

Aeromonas 48 3,2 – 3,6 5,5 - 7,7

Listeria monocytogenes 65 0,1 7

Salmonella 63 3 4,6

3.2.2 Contaminación posterior a la esterilización

Una consideración importante en el manejo de la leche después de la esterilización a alta temperatura es la contaminación, que puede deberse a varias fuentes, siendo las dos más importantes el proceso de homogeneización y el suministro de aire al envasado aséptico (Kessler, 1994). Tras la esterilización y posterior enfriamiento, el producto se llena en un recipiente estéril en un ambiente aséptico y se sella herméticamente para asegurar que se mantenga la esterilidad durante los procesos de manipulación y distribución. Comercialmente se utilizan principalmente dos sistemas de envasado aséptico: i) el que usa envases preformados; y ii) el que forma, llena y sella los envases en el sistema de envasado aséptico (von Bockelmann, 1998). Otro problema microbiano es el hongo filamentoso Fusarium oxysporum.

Este organismo puede provocar defectos de sabor (proteólisis) en la leche UHT en unas pocas semanas y formación de gas. A menudo se detecta cuando los paquetes se hinchan. Es un hongo común de plantas y suelos, y puede ingresar a los paquetes de leche UHT a través del aire contaminado en la máquina llenadora. Las presiones de aire negativas en las áreas de llenado aséptico pueden facilitar la contaminación del equipo de envasado si hay una fuente del hongo cercana. Una vez que el hongo ha contaminado una máquina llenadora, es difícil de eliminar (K.

Scrimshaw, 2004).

(19)

18 Cualquiera que sea el sistema que se utilice, el material de envasado o recipiente debe esterilizarse antes de llenarse con el producto estéril. Es importante que se mantenga un entorno estéril durante el envasado aséptico para garantizar que el producto permanezca estéril durante la transferencia desde la línea de procesamiento al recipiente estéril. Después de la esterilización de la máquina de llenado con peróxido de hidrógeno gaseoso, el aire que ingresa a la máquina de llenado se esteriliza y filtra, y se mantiene en un nivel positivo presión de aproximadamente 0,05 MPa en la cámara de llenado. Tales precauciones son necesarias para prevenir contaminación posterior a la esterilización del producto con bacterias y mohos en el aire (Carlson, 1998).

3.3 Efecto de otros factores (fouling) en términos de eficiencia 3.3.1 Mecanismo formación de fouling

• Estabilidad térmica, formación de sedimentos e incrustaciones.

Una de las principales preocupaciones del procesamiento UHT es la estabilidad térmica de la leche. Las leches que presentan una estabilidad térmica deficiente pueden dar lugar al ensuciamiento de los intercambiadores de calor y la formación de sedimentos. Si la operación de procesamiento se puede extender antes de que se detenga para la limpieza, ahorrará tiempo en la limpieza y será rentable. Sin embargo, no existe una prueba para evaluar rápidamente la estabilidad térmica de la leche en las condiciones de procesamiento UHT. La prueba de coagulación térmica para el procesamiento UHT, que mide el tiempo requerido para coagular la leche a 140 ° C, no resulta fácil de llevar a cabo, y no se ha establecido su utilidad para predecir la susceptibilidad a sedimentos o incrustaciones en la leche UHT (Burton, 1988). La formación de sedimento aumenta con la intensidad del tratamiento, y puede variar en función del pH de la leche. Montilla y Calvo (1997) determinaron que el rango de pH óptimo para la menor formación se situaba entre 6,6 y 6,9 de ahí la importancia de la calidad de la materia prima para su procesamiento.

Por ejemplo, aumentar la temperatura del procesamiento UHT indirecto de 135 °C a 153

°C induce a una mayor formación sedimentos, al igual que el aumento del tiempo en la sección de mantenimiento del esterilizador (0–120 s) también influyen negativamente en los niveles de sedimento (Mottar y Moermans, 1988).

(20)

19 La mayoría de los estudios han demostrado que la leche UHT procesada directamente produce más sedimentos que las fabricadas mediante procesamiento indirecto (Rattray et al., 1997)

Para respaldar la optimización de una fábrica de productos lácteos, presentamos un enfoque basado en modelos que describe adecuadamente el proceso de desnaturalización inducida por calor, así como el mecanismo y la velocidad de formación de la capa de depósito.

Existe una gran cantidad de factores que influyen en la problemática del fouling lácteo. El principal es la desnaturalización de la β-lactoglobulina (β-lG), además de la composición de la materia prima, la calidad microbiológica de la leche, contenido en aire del líquido, pH o el contenido en calcio (Georgiadis y Macchietto, 2000).

También hay factores externos a la leche que pueden influir en la aparición de fouling lácteo, como el material de la instalación, las técnicas aplicadas al alimento (desnatado, concentración…), la presión a la que se bombea el líquido o el tiempo de contacto con la superficie ensuciada, entre otros (De Jong, 1997)

Durante los tratamientos térmicos, los materiales de los alimentos se depositan en las superficies de las instalaciones, lo que se conoce como fouling (Sadeghinezhad et al., 2015). Los problemas producidos por el ensuciamiento se pueden resumir en 3 categorías diferentes:

seguridad alimentaria, vida útil y problemas operativos. Esto es importante para evitar la contaminación cruzada entre diferentes lotes por incrustaciones preexistentes en las instalaciones (Ayala et al., 2017). Si bien el proceso de limpieza es costoso y requiere mucho tiempo, es esencial para la industria alimentaria. Sin embargo, este proceso aún se comprende poco y los protocolos de limpieza están diseñados de manera semi-empírica. En la industria alimentaria, el 25% del tiempo operativo se dedica al proceso de limpieza (Fryer et al., 2011) y es imposible conocer el alcance y la composición de las incrustaciones en toda la planta. Por tanto, se debe tener en cuenta el uso de modelos para representar el fouling, quizás a través de un enfoque estocástico más que puramente determinista (Fryer y Asteriadou, 2009). El ensuciamiento se forma por la adherencia a la superficie y la cohesión entre los elementos de la capa en la superficie (Liu et al., 2006). La reacción de Maillard se considera una de las reacciones químicas más importantes en el procesamiento de alimentos; también inicia la adhesión de los alimentos a la superficie por la presencia de azúcares y proteínas, dando como resultado la caramelización y, en consecuencia, la formación de incrustaciones (Parisi y Luo, 2018). Por lo tanto, identificar la composición de las incrustaciones es un paso crucial en el estudio de los

(21)

20 residuos de los tratamientos industriales para prevenir su producción y comprender cómo limpiar mejor las instalaciones.

Los 2 tipos de incrustaciones lácteas dependen de la temperatura del proceso que promueve su formación. En el tipo A, el rango de temperatura es de 75 a 110 ° C y la composición es de 50 a 70% de proteínas, 30 a 40% de minerales y 4 a 8% de grasas. El tipo B se forma a temperaturas superiores a 110 ° C y el contenido es de 70 a 80% de minerales, 15 a 20% de proteínas y 4 a 8% de grasa (Visser y Jeurnink, 1997). El estudio de la morfología y distribución de las incrustaciones lácteas es fundamental para comprender el comportamiento de este tipo de residuos en la industria, sus implicaciones para la seguridad al poder actuar como reservorio de bacterias en forma de bioincrustaciones o biopelículas (Liu et al., 2017; González-Rivas et al., 2018), o su resistencia a los procesos de limpieza.

Uno de los principales impulsores de la formación de la capa de depósito es la desnaturalización de las proteínas del suero, en particular la β-lG (Sadeghinezhad et al., 2014).

Esta es una proteína de suero globular que, en su forma nativa, se encuentra en una estructura terciaria. La estructura terciaria se estabiliza mediante varias interacciones como; enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, enlace electrostático, enlaces disulfuro y fuerzas de Van der Waals. Al calentar la proteína de suero pierde su estructura nativa y se despliega a la estructura secundaria exponiendo el grupo - tiol reactivo permitiendo así la agregación de la βLG, que puede denominarse proteína de suero desnaturalizada.

Los modelos matemáticos de ensuciamiento para la predicción en sistemas que trabajan a temperaturas de UHT no son todavía precisos. El modelado del ensuciamiento ha sido objeto del interés de investigadores que buscan optimizar el proceso de transferencia de calor. El objetivo principal en el desarrollo de diferentes modelos es usarlos como plataforma en simuladores que puedan predecir el comportamiento del ensuciamiento y la temperatura de la leche como función del tiempo bajo unas condiciones de operación específicas (Kadam y Datta, 2015).

Mediante este trabajo de revisión bibliográfica, veremos los distintos modelos matemáticos que expliquen los mecanismos de ensuciamiento atribuidos a los intercambiadores de calor indirectos para leches UHT, creando finalmente nuestro propio programa de optimización de esterilizador tubular.

Entre estos modelos podemos destacar:

• Modelos de variación del coeficiente global de transmisión de calor (Prakash, Kravchuk y Deeth, 2015).

(22)

21

• Modelos de reacción (Petit et al., 2016).

• Modelos basados en el espesor de la capa de ensuciamiento para la medición de la eficiencia en la transmisión de calor (Gomes da Cruz et al., 2015).

• Balance hidrodinámico y de calor obteniendo una ecuación diferencial expresando la temperatura y el espesor del ensuciamiento como función del tiempo y la posición (Chaturvedi, Acharya y Datta, 2009).

El planteamiento de modelos de reacción se basa en los alimentos que presentan desnaturalización de proteínas. Molina-Pérez et al. (2015) aplican un modelo cinético en el que se asume que las reacciones químicas de ensuciamiento incluyen dos etapas. La primera, en la cual la proteína nativa β-lg (N) pierde su estructura terciaria. La proteína desplegada (D) se convierte en un agregado de proteína (A), jugando un papel importante en el proceso de ensuciamiento; este paso de agregación es una reacción de segundo orden. Las proteínas desplegadas (U) pueden reaccionar con otros constituyentes de la leche (m) para formar otros agregados (F) que a su vez contribuyen al fouling (F*) (Petit et al., 2016). A continuación, se presenta un esquema del orden en que tienen lugar las reacciones de desnaturalización de la β- lg en el proceso de ensuciamiento:

𝑁 → 𝐷 2𝐷 → 𝐴

𝑈 →𝑚 𝐹 → 𝐹

A su vez, este desplegamiento de las proteínas es termo-dependiente. El precalentamiento de la leche a temperaturas entre 65 y 85 °C para el tratamiento UHT posterior reduce la formación de depósitos (Kessler, 1981). Llegando a disminuir hasta en un 50% en el depósito cuando la leche se mantuvo a 85 ° C durante 15 seg. La tabla 4, tomando como referencia los valores propuestos por De Jong (1996), establecería que aplicando un pretratamiento de entre 70 y 90 ˚C sería una posible solución para aumentar los tiempos de procesado, retrasando los períodos de limpieza de las instalaciones.

Mahdi et al. (2009) mostraron que el ensuciamiento depende en gran medida de las diversas condiciones de operación del proceso. El fenónemo de deposición se ve más influido por la dirección del flujo que en la dirección del ancho. La masa depositada depende

N: proteína nativa β-lg D: proteína desnaturalizada A: agregados de proteína F: proteína depositada

(23)

22 principalmente de la temperatura de la leche y el tiempo de procesamiento. Además, se observa que la extensión del ensuciamiento está fuertemente relacionada con el número de Reynolds y es inversamente proporcional a la velocidad.

Modelo Cinético de desnaturalización-fouling (De Jong (1996))

Este modelo considera tres etapas:

(1) Las proteínas siguen en una reacción de primer orden; la proteína N se transforma en proteína D. La proteína D luego reacciona para formar agregados (A) en una reacción de segundo orden.

(2) La proteína agregada se deposita específicamente en la pared. La concentración de proteína agregada en la capa límite térmica es proporcional a la tasa de deposición.

(3) La resistencia de las incrustaciones a la transferencia de calor es proporcional al espesor del depósito (Georgiadis and Macchietto 2000; Robbins et al. 2011).

Las ecuaciones cinéticas son las siguientes:

• Desnaturalización de la β-lg

ⅆ𝐶𝑁

ⅆ𝑡 = −𝑘𝑃𝐶𝑁𝑃 (unfolding)

ⅆ𝐶𝐴

ⅆ𝑡 = −𝑘𝑞𝐶𝑈𝑞 (aggregation)

ⅆ𝐶𝑈

ⅆ𝑡 = −𝑘𝑃𝐶𝑁𝑃− 𝑘𝑞𝐶𝑈𝑞 Fouling 𝐽𝐹= 𝑘𝑛𝐶𝑈𝑛

• Dependencia con la Temperatura (E. Arrhenius)

𝑘 = 𝑘0𝑒𝑥𝑝(−𝐸𝑎∕ 𝑅𝑇)

En la Tabla 4 re recogen los valores de los parámetros cinéticos.

(1) Las proteínas siguen en una reacción de primer orden; la proteína N se transforma en proteína D. La proteína D luego reacciona para formar agregados (A) en una reacción de segundo orden.

(2) La proteína agregada se deposita específicamente en la pared. La concentración de proteína agregada en la capa límite térmica es proporcional a la tasa de deposición.

(24)

23 (3) La resistencia de las incrustaciones a la transferencia de calor es proporcional al espesor del depósito (Georgiadis and Macchietto 2000; Robbins et al. 2011).

Tabla 4. Reacciones involucradas en el proceso de ”fouling”.

Reacción Temperatura (˚C) Ea (kJ/mol) Ln(k0)

“Unfolding” 70-90 261,4 86,41

“Aggregation” 70-90 288,5 ± 5,7 91,32 ± 1.92

“Aggregation” 90-150 54,7 ± 0,5 13,99 ± 0,15

“Fouling” 85-115 45,1 ± 4,5 -0,82 ± 1,45

Ref. De Jong (1996)

Sin embargo, en la práctica, las limitaciones operativas no se encuentran en los intercambiadores de calor donde el aumento del consumo de energía es insignificante. Un paso de limitación del proceso más importante se encuentra en el inyector de vapor, donde la unidad funciona a una presión de salida constante. Debido a la formación de la capa de depósito, el diámetro hidráulico de la tubería se reduce, aumentando la caída de presión y como consecuencia aumentando la presión del vapor.

3.3.2 Efectos sobre los parámetros de esterilización:

Los ingenieros de diseño de equipos de tratamiento térmico están obligados a encontrar la mejor configuración para evitar que se produzcan paradas a causa del ensuciamiento de los intercambiadores de calor, trayendo consigo el detrimento e ineficiencia del proceso de producción. Estos han tratado de explicar los mecanismos de ensuciamiento de las zonas de calentamiento y han dado sus mejores aportes para entender el fenómeno y poder derivar de estos un modelo que se adapte a las condiciones de calentamiento.

1) Caída de presión: el ensuciamiento provoca disminución del diámetro hidráulico durante el tiempo de operación, generando una caída de presión del sistema y un fallo operativo. Cuando se desarrolla el ensuciamiento, el área disponible para el paso del fluido en una tubería decrece, lo que produce una caída de presión para una velocidad de flujo constante (Wallhäußer, Hussein y Becker, 2012). Es por ello que el estudio de la caída de presión juega un papel importante al comparar los diferentes sistemas y condiciones de proceso.

2) Temperatura y parámetros de transferencia de calor: cuando se desarrolla el ensuciamiento, la transferencia de calor disminuye y la temperatura de salida del producto cae.

Si se fija la temperatura del producto, en caso de ensuciamiento, la temperatura del medio de

(25)

24 calentamiento se incrementa para mantener la del producto. Este parámetro de control se usa para medir la presencia de ensuciamiento, ya que un aumento considerable de la temperatura del medio de calentamiento informa acerca de la presencia de ensuciamiento.

Los cambios de temperatura pueden usarse para determinar el ensuciamiento, y la temperatura de salida y los parámetros de flujo, para desarrollar un modelo para el control de la esterilización de la leche (Wallhäußer, Hussein y Becker, 2012).

Los parámetros que influyen en la resistencia a la transferencia de calor están basados en los cambios de temperatura, velocidad de flujo, conductividad térmica del producto, medio de calentamiento y el espesor de la capa de suciedad. Prakash, Kravchuk y Deeth (2015) citan la ecuación para el monitoreo del ensuciamiento a través de los cambios del coeficiente global de transferencia de calor (U), durante la esterilización de leche.

U=

𝑚̇⋅𝐶𝑝⋅(𝛥𝑇)

𝐴⋅𝑇𝑙𝑜𝑔̅̅̅̅̅

Siendo:

-

𝑚̇:

flujo másico de la leche (kg/s).

-

𝑐

𝑝

:

calor específico del producto en J/kg ˚C.

- 𝛥𝑇: diferencia de temperatura entre la entrada y salida en la sección de mantenimiento de temperatura en ˚C del producto.

- A: el área de intercambio de calor en m2.

-

𝑇𝑙𝑜𝑔 ̅̅̅̅̅

: diferencia de temperatura media logarítmica en ˚C, definida por:

𝑇log ̅̅̅̅ =

(𝑇1−𝑡2)−(𝑇2−𝑡1)

ln((𝑇1−𝑡2)∕(𝑇2−𝑡1))

;

siendo

:

𝑇1= Tª entrada fluido calefactor; 𝑇2= Tª salida fluido calefactor

;

𝑡1=Tª entrada leche; 𝑡2=Tª salida leche

Modelo de ensuciamiento para un esterilizador de leche UHT de triple tubo helicoidal

Distintos estudios desarrollan modelos de ensuciamiento en esterilizador de leche UHT.

Este de Datta y Nema (2005) toman como referencia un esterilizador de triple tubo helicoidal, basándose en otro modelo propuesto por Fryer y Slater (1985), en el que se determinaba la energía de activación, la constante de deposición y la tasa de remoción. Como conclusiones destacan que (1) en el período inicial de ensuciamiento, la tasa de remoción era insignificante, (2) a lo largo del proceso, como el contenido de incrustaciones aumenta, el área de flujo

(26)

25 disponible para el fluido (leche) se reduce. La velocidad de la leche aumenta, lo que conduce a un aumento de la fuerza de corte, (3) a partir de ese momento, la acumulación de suciedad se iguala con la tasa de remoción. El aumento de la turbulencia en el flujo retarda la deposición de incrustaciones (Belmar-Beiny y Fryer 1993). Changani et al. (1997) informaron que el de la capa de depósitos disminuye a medida que aumenta el caudal de la leche tratada, lo que retarda las deposiciones de incrustaciones en las superficies de transferencia de calor.

Los resultados establecen que la acumulación de incrustaciones está controlada por la temperatura y el esfuerzo cortante en la superficie del intercambiador de calor durante el tratamiento térmico de la leche; para una mayor precisión, la estimación en tiempo real del coeficiente de transferencia de calor es imprescindible; y las propiedades de los fluidos (vapor y leche) y el depósito deben usarse como parámetros dependientes de la temperatura en la medida de lo posible. A partir de los resultados simulados se observa que los depósitos de incrustaciones en la superficie exterior del tubo interior aumentan con el tiempo (De Jong, 1996). Desde el principio, la aparición de depósitos de suciedad se encuentra más en la salida que en la entrada del intercambiador de calor; al mismo tiempo, el aumento de la suciedad no es uniforme a lo largo del intercambiador de calor.

El mecanismo del ensuciamiento en las plantas de UHT generalmente se explica en términos de dos tipos de ensuciamiento, A y B (Burton, 1988). El depósito de tipo A es blando y voluminoso y se forma entre 75 y 110 °C en la sección de precalentamiento; mientras que el depósito de tipo B es duro y granular, y se forma en las secciones de alta temperatura de la planta. Los dos depósitos difieren considerablemente en composición, siendo el tipo A predominantemente proteína y el tipo B predominantemente mineral, principalmente fosfato cálcico. Este mecanismo, por lo tanto, se centra en la desnaturalización de la proteína del suero y la deposición de minerales, pero no considera el papel de la caseína. Por lo tanto, todavía se requiere un mecanismo integral de formación de incrustaciones y sedimentos que involucre la desnaturalización de la proteína del suero, la desestabilización de la caseína y la insolubilización de minerales (Tsioulpas, Lewis y Grandison, 2007).

El efecto directo de la formación de depósitos es una caída en la temperatura de salida de la leche (Tf) que provoca un tratamiento térmico incompleto de la leche, lo que reduce la vida útil del producto.

Algunas de las posibles formas de reducir el efecto directo de las incrustaciones, es decir, la caída de la temperatura de salida de la leche del intercambiador de calor, se describen en la

(27)

26 literatura. Primero, la tasa de flujo de la leche se puede reducir, pero esto causa una mayor acumulación de sólidos ya que la tasa de deposición es inversamente proporcional al esfuerzo cortante de la pared (Fryer & Slater, 1986) y también conducirá a una disminución del coeficiente de transferencia de calor del lado de la leche por convección debido a la menor turbulencia (Belmar Beiny y Fryer, 1993).

En segundo lugar, el área de transferencia de calor se puede aumentar para compensar la reducción en el suministro de calor, pero este enfoque solo es adecuado para incrustaciones leves (Fryer y Slater, 1986).

Otra alternativa es aumentar el caudal de vapor, pero mantener constante la presión del vapor no produce ninguna mejora si el vapor se condensa a la misma temperatura. Changani et al. (1997) concluyeron que al aumentar la presión del vapor, la temperatura de condensación más alta resultante aumentará la temperatura de la pared calefactora y puede ayudar a controlar la temperatura de salida de la leche. En la práctica, la presión del vapor se controla manualmente mediante válvulas (Grijspeerdt et al., 2004).

Los intercambiadores de calor de placas son más caros que los de tipo tubular pero este último ofrece una superficie de intercambio de calor baja por unidad de longitud de tubo. Esto daría como resultado una longitud de tubo muy grande para el calor necesario a transferir. Un intercambiador de calor de triple tubo resuelve este problema. La leche fluiría en el espacio anular entre el tubo central y exterior lleno de vapor.

Durante la jornada de trabajo, el ensuciamiento del intercambio de calor tubular es un problema grave. Durante 6 h de funcionamiento continuo de un intercambiador de calor de triple tubo, la presión de vapor inicial y final puede estar en una relación de 1:2.

Este estudio de Majid Etghani y Amir Baboli (2017) tuvo como objetivo optimizar e investigar la geometría y las características de flujo de intercambiadores de calor de tubos helicoidales. Para este caso, se investigó teóricamente un intercambiador de calor de tubos helicoidales y se modeló matemáticamente para varios parámetros. Por un lado, tuvieron en cuenta el efecto del caudal de fluido. Los resultados demostraron que al aumentar el caudal, aumentaba el número de Reynolds, y como consecuencia, aumenta la tasa de transferencia de calor.

Por otro lado, se consideraron los impactos del diámetro del tubo en la transferencia de calor. El resultado indicó que un aumento en el diámetro del tubo aumentaba el área de contacto entre los fluidos frío y caliente, y la optimización de las dimensiones de los tubos disminuían el caudal de fluido en el tubo.

(28)

27 Finalmente recalcan que el diámetro del tubo y el caudal del fluido frío tienen el mayor efecto sobre la transferencia de calor.

4. METODOLOGÍA

4.1 Algoritmo de cálculo y dimensionamiento del intercambiador de calor

Para este desarrollo, la elección ha sido un intercambiador de calor de triple tubo concéntrico, con sección de precalentamiento a 90 °C, donde la leche fluiría en la región anular y el fluido calefactor (vapor) en los tubos exterior y centrales.

El equipo debe tener una válvula que regule la presión en el esterilizador para evitar la ebullición del líquido durante su procesamiento, lo que se conoce como contrapresión. Los parámetros a tener en cuenta (medibles y modificables) son el flujo de la leche, la temperatura y la contrapresión. La leche precalentada a 90 °C se bombea a la sección de calentamiento empleando vapor a 160 °C (alcanzando el producto la temperatura de esterilización establecida).

Finalmente, la leche tratada se enfría a 90 °C empleando agua como fluido frío.

Sección de calentamiento

𝑈𝑖1 = (1

𝑙+𝐷𝑜1ln(𝐷2𝑘𝑜1∕𝐷𝑖1)

𝑠𝑠 +𝐷𝑜1

𝐶𝐷𝑜1)−1 (1)

𝑈𝑖2 = (1

𝑙+𝐷𝑜2ln(𝐷2𝑘𝑜2∕𝐷𝑖2)

𝑠𝑠 +𝐷𝑜2

𝐶𝐷𝑜2)−1 (2)

𝑐1= 0.5754 [ 𝑘𝐶3𝜌2𝑔𝜆

𝜇𝐷𝑖1(𝑇𝑠−𝑇𝑖1)]

0.25

(3)

𝑐2= 0.725 [ 𝑘𝐶3𝜌2𝑔𝜆

𝜇𝐷𝑜2(𝑇𝑠−𝑇𝑜2)]

0.25

(4)

𝑇𝑓1= 𝑇𝑠− 0.75(𝑇𝑠− 𝑇𝑖1𝑝𝑎𝑟𝑒ⅆ) (5)

𝑇𝑓2= 𝑇𝑠− 0.75(𝑇𝑠− 𝑇𝑜2𝑝𝑎𝑟𝑒ⅆ) (6)

𝑇𝑠−𝑇𝑖1𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑

(1∕ℎ𝑐1𝐷𝑖1) = 𝑇𝑖− 𝑇𝑏𝑙

𝑙𝑛(𝐷𝑜1∕𝐷𝑖1) 2𝑘𝑠𝑠 + 1

ℎ𝑙𝐷𝑜1

(7)

𝑇𝑠−𝑇𝑖2𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑

(1∕ℎ𝑐2𝐷𝑜2) =𝑙𝑛(𝐷𝑜2∕𝐷𝑖2)𝑇𝑜2𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑− 𝑇𝑏𝑙 2𝑘𝑠𝑠 + 1

ℎ𝑚𝐷𝑖2

(8)

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