Optimización de Procesos de Esterilización Térmica: Principios, Cinética y Métodos de Cálculo

Esterilización por Calor

La esterilización por calor es una operación unitaria en la que los alimentos son calentados a una temperatura y durante un tiempo suficientemente largos para destruir la actividad microbiana y enzimática.

• Los alimentos así estabilizados tienen una vida útil (shelf life) superior a 6 meses.
• La esterilización provoca en los alimentos cambios importantes en su valor nutritivo y características sensoriales.

El desarrollo tecnológico está orientado a reducir estos efectos secundarios no deseados, en el tratamiento de:

1. Productos envasados.
2. Productos a granel, para posterior envasado en sistemas asépticos.

Termoresistencia Microbiana y Esterilidad Comercial

Alimentos de Baja Acidez (pH > 4,5)

De entre los microorganismos (M.O.) esporulados patógenos eventualmente presentes, el Clostridium botulinum es el más peligroso.

• Este M.O. puede crecer en condiciones anaeróbicas en envases cerrados, eliminando una toxina muy potente.
• Los procesos de esterilización deben garantizar su destrucción.

Alimentos Moderadamente Ácidos (pH 4,5 a 3,7)

Para calcular los tiempos y temperaturas de esterilización, se emplean otros M.O. (mohos y levaduras) o enzimas termo resistentes.

Alimentos Ácidos (pH < 3,7)

La esterilización consiste en inactivar sus enzimas. Es un tratamiento más suave (pasteurización).

Concepto de Esterilidad

La termodestrucción de M.O. sigue un curso logarítmico, por lo tanto, la esterilidad absoluta es inalcanzable. Puede calcularse, sí, para cada caso, la probabilidad de supervivencia (que en un envase se encuentre 1 M.O.).

Esterilidad Comercial: Es el riesgo que el industrial está dispuesto a asumir. Ejemplo: 5 D (5 reducciones decimales). Un producto que tiene 10⁵ esporas/envase reduciría el número de M.O. a 10^-3, o sea, 1 M.O. por cada 1.000 envases.

Probabilidad de Supervivencia

La Probabilidad de Supervivencia (P. de S.) se halla determinada por el tipo de M.O. habitualmente presente en el alimento.

• Si hay riesgos de contaminación por C. Botulinum y M.O. muy termo resistentes, se podría aplicar procesos de esterilización de 12 D (con alto deterioro de calidad).
• Lo normal, para compatibilizar la calidad en general, es aplicar 5 D a 8 D. Los C. Botulinum tienen resistencia térmica no demasiado alta.
• La carga inicial debe mantenerse lo más baja posible para permitir tratamientos menos enérgicos y preservar la calidad organoléptica.
• El escaldado y el manejo higiénico a lo largo de todo el proceso permiten procesos de esterilización moderados.
• Se previenen los problemas en el mercado, muestreando el 1 a 2 % de los envases e incubándolos.

Para determinar el tiempo de tratamiento en la esterilidad comercial se requiere saber la velocidad de penetración del calor en el envase durante el tratamiento térmico.

Velocidad de Penetración del Calor

El calor se transmite desde el vapor al agua y al alimento. Los coeficientes de transmisión de calor por convección son elevados y no limitan el paso del calor.

Otros factores influyen de manera importante en la velocidad de penetración del calor:

1. Tipo de Producto: Los alimentos líquidos (convección) se calientan más rápido que los sólidos y pastosos (conducción).
2. Tamaño del Envase: La transferencia de calor al centro del producto se alcanza más rápido en los envases de menor tamaño.
3. Agitación del Envase: En los alimentos semisólidos o viscosos, se logra mejorar la transferencia de calor, invirtiendo el envase o sometiéndolo a agitación axial.
4. Temperatura del Autoclave: Un salto térmico más alto aumenta la velocidad de transferencia del calor.
5. Forma del Envase: Los envases más altos favorecen el paso del calor por convección.
6. Tipo de Envase: La conductividad térmica de los materiales es muy distinta entre sí: los envases metálicos tienen una conductividad mucho más alta que los de vidrio o plástico.

Gráfica de Penetración del Calor

La velocidad de penetración del calor se mide poniendo un sensor de temperatura (TºC) en el centro térmico del envase (punto más frío) y registrando la temperatura a lo largo del proceso (curva TºC versus Tiempo).

• En cilindros, el centro térmico es igual al centro geométrico, y varía si la transferencia es por convección o conducción.
• Los cambios bruscos de la curva se deben a los cambios de convección a conducción al producirse un aumento de la viscosidad con el calor.

Cálculo del Tiempo de Esterilización

Método de la Fórmula

Método rápido para el cálculo del tiempo de esterilización a distintas temperaturas de tratamiento y tamaños de envases.

• Desventaja del método: requiere asumir las características del proceso de calentamiento.
• Hay que construir una curva de calentamiento.

Se usa la siguiente fórmula:

$$B = f_n \log \left(\frac{j_h I_h}{g}\right)$$

Donde:

• B: Tiempo de calentamiento.
• f_n: Minutos, tiempo en que la gráfica de penetración de calor atraviesa un ciclo logarítmico.
• j_h: (lag factor), se halla por extrapolación en la curva de calentamiento para hallar la temperatura pseudo inicial del producto que es $\Delta T_{pih}$.

Valor F para Determinar la Eficacia de la Esterilización

El Valor F representa una combinación tiempo/temperatura recibida por el alimento.

• Tiene un subíndice que indica la temperatura del autoclave durante el tratamiento y el valor z del M.O. que se está tratando.
• Ejemplo: F¹⁰₁₁₅ es un proceso de esterilización a 115 ºC para un M.O. que tiene un valor z de 10 ºC.
• Z es la temperatura adicional necesaria para reducir a la décima parte D (el tiempo de reducción decimal).
• F también es el tiempo necesario de tratamiento para reducir el número de M.O. en un múltiplo equivalente a D.

Esterilización UHT (Ultra High Temperature)

El rango efectivo del proceso de UHT se mide por dos parámetros:

• B*: Efecto Bacteriológico.
• C*: Efecto Químico.

B* se basa en la suposición de que se alcanza la esterilidad a 135 ºC, por 10,1 segundos y z = 10,5 ºC. B* = 1 significa una reducción de esporas termofílicas de 10⁹ por unidad que sobrevive.

C* está basado en las condiciones para la destrucción del 3 % de la Tiamina por unidad. Corresponde a 135 ºC por 30,5 segundos y z = 31,4 ºC.

Factores Clave de la Esterilización

La esterilización depende de:

• Combinación Tiempo-Temperatura.
• Resistencia al calor de las esporas.
• Características del producto sometido a esterilización.

Productos Larga Vida y Expresión Matemática

El efecto letal se puede expresar matemáticamente, como una función logarítmica (Reducción Logarítmica de Esporas).

$$K \times t = \log \left(\frac{N}{N_t}\right)$$

Donde:

• N: Número de M.O. iniciales (esporas).
• N_t: Número de M.O. remanentes.
• K: Constante.
• t: Tiempo de tratamiento.

Expresión numérica de la Esterilización:

$$\log 10^9 – \log 10^0 = 9 – 0 = 9$$

Un efecto de esterilización igual a 9 significa que, de 10⁹ bacterias esporuladas que había antes del tratamiento, solo 1 sobrevive.