Uso industrial del Vapor: Exposición –Servicios Industriales

1- Introducción

El descubrimiento del uso del vapor en la industria fue un gran avance, y motor de la revolución industrial. La modernización del motor de vapor a principios del siglo XVIII llevo a mayores descubrimientos tales como la invención de la locomotora de vapor y el barco a vapor, por no mencionar el horno y el martillo de vapor.

En la actualidad, sin embargo, los motores de combustión interna y la electricidad prácticamente han remplazado al vapor como fuente de energía. Sin embargo, es ampliamente usado en las plantas de generación eléctrica y para aplicaciones industriales.

Es un servicio muy común en la industria, que se utiliza para proporcionar energía térmica a los procesos de transformación de materiales a productos, por lo que la eficiencia del sistema para generarlo, la distribución adecuada y el control de su consumo, tendrán un gran impacto en la eficiencia total de la planta. Esta situación se refleja en los costos de producción del vapor y, en consecuencia, en la competitividad y sustentabilidad de la empresa.

El vapor de agua es el gas formado cuando el agua pasa de un estado liquido a uno gaseoso. A un nivel molecular esto es cuando las moléculas de H2O logran liberarse de las uniones (ej. Uniones de hidrógeno) que las mantienen juntas.

• Es un fluido utilizado para proporcionar fuerza motriz y energía calorífica

• Es el medio natural más eficiente de transferencia de calor en la industria

• El vapor es incoloro, inodoro y estéril.

Cómo funciona el vapor de agua

En el agua líquida, las moléculas de H2O están siendo unidas y separadas constantemente. Sin embargo, al calentar las moléculas de agua, las uniones que conectan a las moléculas comienzan a romperse más rápido de lo que pueden formarse. Eventualmente, cuando suficiente calor es suministrado, algunas moléculas se romperán libremente. Estas moléculas "libres" forman el gas transparente que nosotros conocemos como vapor, o más especifico vapor seco.

Vapor Húmedo / Vapor Seco

En industrias usuarias de vapor, existen dos términos para el vapor los cuales son, vapor seco (también conocido como "vapor suturado") y vapor húmedo.

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Vapor seco se aplica a vapor cuando todas sus moléculas permanecen en estado gaseoso.

Vapor húmedo aplica cuando una porción de sus moléculas de agua han cedido su energía (calor latente) y el condensado forma pequeñas gotas de agua

Algunas de las aplicaciones típicas del vapor para las industrias son:

Esterilización/Calentamiento Impulso/Movimiento Motriz Atomización Limpieza Hidratación Humidificación.

El vapor de agua presenta un conjunto de características singulares que lo convierten en prácticamente insustituible:

Materia prima barata y de elevada disponibilidad Amplio rango de temperaturas de empleo Ininflamable y no tóxico Fácilmente transportable por tubería Elevado calor de condensación Elevado calor específico Temperatura de condensación fácilmente regulable

La industria tiene la necesidad de emplear fuentes de calor a muy diversos niveles de temperatura.Este requisito lo cumple el vapor a la perfección pues cubre holgadamente una banda de trabajo entre 1,13 bar y 70 bar que equivalen a una banda térmica entre 103°C y 287°C como vapor saturado seco e incluso más elevadas si el vapor se produce con sobrecalentamiento posterior.Su elevado calor latente y su baja densidad hacen que el vapor de agua sea especialmente efectivo en las operaciones de calentamiento.

2-Sistemas de Tratamientos por Calor

Los alimentos pueden deteriorarse por varios tipos de agentes,,físicos, químicos y biológicos.Los agentes más frecuentes, de tipo biológico, que deterioran los alimentos son las bacterias y mohos, ya que se encuentran en gran proporción en el aire, agua, suelo, piel de animales, vegetales y en los manipuladores de alimentos.Por esta razón la búsqueda de envases que permitan ofertar productos higiénicamente frescos ha llevado a la diversificación de los métodos de envasado, los materiales y los tipos de tratamientos de conservación. A esto se le une el interés de los consumidores por la seguridad alimentaría, lo que ha hecho que en el momento actual, este tema sea centro de atención de todos los agentes que intervienen en la industria alimentaria.

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De los mucho procedimientos de conservación de los alimentos que se emplean, solo unos pocos (pasterización y esterilización por calor) actúan esencialmente, ocasionando la muerte de los microorganismos.

Los procesos tecnológicos utilizados para tratar los alimentos por calor se han desarrollado y perfeccionado, sobre todo, durante el siglo XX. Entre ellos podemos destacar los siguientes:

Escaldado: Es un tratamiento térmico suave que somete al producto, durante un tiempo más o menos largo, a una temperatura inferior a 100º. (Conservación de hortalizas).

Pasteurización: Es un tratamiento relativamente suave (T ≤ 100ª C) que se utiliza para prolongar la vida útil de los alimentos durante varios días, como en el caso de la leche o incluso meses (fruta embotellada).

Cocción, método empleado de forma domestica, generalmente puede destruir los microorganismos sensibles a las altas temperaturas, a la vez que permite que sobrevivan otras formas termo resistentes.

Esterilización

3- Proceso de Esterilización

El objetivo fundamental del tratamiento térmico es destruir o inactivar los gérmenes capaces de producir toxinas o alterar el alimento en conserva, pero sobre todo pretende prevenir el crecimiento del Clostridium botulinum, una bacteria que puede producir una toxina altamente letal y cuyas esporas son muy resistentes al calor, sobreviviendo a temperaturas superiores a los 100ºC. Sin embargo, no basta con destruir los microorganismos, también hay que tener presentes los efectos negativos que puede ocasionar una sobreesterilización sobre los componentes nutritivos de los productos esterilizados.La Esterilización es un proceso drástico, en la que se somete al producto a temperaturas e entre 115º y 127º C durante tiempos en torno a los 20 minutos. Para llevarlo a cabo se utilizan autoclaves o esterilizadores. La temperatura puede afectar el valor nutricional (se pueden perder algunas vitaminas) y organoléptico de ciertos productos. Al realizar un tratamiento esterilizante hay que tener en cuenta algunos factores, como el pH de los alimentos y la termo resistencia de los microorganismos o enzimas.

Se puede definir como un proceso de conservación por calor mediante el cual se pretende obtener la destrucción de la totalidad de los microorganismos de un producto, así como bacterias, levaduras, mohos, virus, protozoos y algas.El término de esterilidad “comercial” de un producto alimenticio, se sirve de este singular adjetivo para referirse al estado que se consigue aplicando un tratamiento térmico adecuado, solo o en combinación con otros procesos de conservación de alimentos, de modo que asegure la destrucción de formas viables de microorganismos patógenos y de otros microorganismos capaces de alterar el producto y que pueden multiplicarse a temperatura ambiente durante su almacenamiento

3-1Esterilizadores o Autoclaves

Se conoce como autoclave al recipiente encargado de la esterilización de elementos utilizando vapor de agua. Este recipiente debe estar fabricado en metal y debe tener la

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capacidad de resistir las altas temperaturas y presiones a las que el agua contenida en su interior es sometida. La presión ejercida sobre el agua es tal que se logra calentar por encima de su punto de ebullición.Estas altas temperaturas permiten que el vapor de agua destruya los microorganismos para permitir la conservación de alimentos, medicamentos y demás productos que se desea conservar. El autoclave industrial, a diferencia del autoclave normal, se utiliza para facilitar el cocimiento en diversos procesos industriales. Se lleva a cabo un tratamiento de estos productos por encima de los 100ºC, que es el punto de ebullición del agua.Existen varios métodos de esterilización según el tipo de autoclave que se instale en la planta, pero el método más empleado es la esterilización mediante vapor saturado o mediante fluidos calefactores compuestos por mezclas específicas de aire-vapor.

3-2Aplicación de La esterilización al envaso de productos de la Pesca

El enlatado es el modo más antiguo e importante de preparar alimentos estables a las condiciones ambientales y de larga vida útil. Los objetivos del conservero son en principio relativamente simples: colocar el alimento correctamente preparado en una lata, cerrarla por medio de un sellado doble, efectuar una operación de esterilización por calor, y prevenir la recontaminación de la lata, sobre todo durante el enfriado inicial tras el tratamiento térmico

La operación de “autoclavado” o esterilización es la etapa dentro del proceso productivo de fabricación de conservas de productos de la pesca mediante la cual las latas de conserva se esterilizan por aplicación de un determinado tratamiento térmico en el interior de algún tipo de recipiente a presión, generalmente un autoclave, con el fin de obtener la estabilidad del producto en condiciones ambientales.

Los sistemas de tratamiento en un autoclave pueden subdividirse para su Clasificación de varias formas. La principal característica diferenciadora se establece en el modo de alimentación:

Sistemas de autoclave continuo: Se trata de aquellos sistemas en los cuales los recipientes entran y salen del autoclave de forma continua.

Sistemas de autoclave discontinuo. En este caso el procedimiento de operación es el siguiente: se llena el autoclave con el producto a esterilizar, se cierra y posteriormente se inicia un ciclo de tratamiento.

Puede hacerse además otra clasificación diferente según el medio calefactor utilizado en el autoclave: vapor, vapor / aire o agua. También se podrían estudiar las diferentes configuraciones según la aplicación final.En cuanto a la posición de funcionamiento puede tratarse de autoclaves horizontales o verticales (ver dibujo diapositiva)

La esterilización en la industria conservera Jealsa Rianxeira S.A. es un proceso batch (por lotes) puesto que se lleva a cabo en autoclaves discontinuos. Las latas una vez cerradas

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se introducen en carros de acero inoxidables y estos, a su vez, son introducidos en los autoclaves. En este caso se trata de autoclaves horizontales por lo que las latas van en carros con ruedas y se introducen manualmente

3.2.1 Esquema de un Autoclave

VER esquema en la diapositiva1. Entrada de vapor: es por donde ingresa el vapor con el cual se trabaja a la autoclave.2. Válvula de control de vapor: Para aislar la instalación de la entrada de vapor.3 Válvula de paso: Para aislar el enfriador de muestras de la entrada de vapor.4 Ingreso de aire comprimido: Es por donde ingresa aire comprimido al sistema.5 Filtro: Para limpiar el vapor a los niveles exigidos por las normativas.6 Regulador de presión: Para reducir la presión hacia el proceso.7. Drenaje: Es por donde se drena el agua.8. Entrada de agua: Es por donde ingresa el agua.9. Distribuidor de vapor: Ayuda a la distribución uniforme en la autoclave.10.Riel de soporte de los carros: Es la guía por dónde van los carros portadores de las latas. 11Protector de ingreso de agua: Evita que el agua entre en la autoclave de una forma turbulenta.  12. Sangrador o espita: Por donde se da la salida de aire y vapor.13 Termómetro de vidrio: Sirve para saber la temperatura en la autoclave.14.Manómetro: Para tener una referencia de la presión en la autoclave.15Válvula de seguridad: En caso de cualquier problema, ayuda a desfogar vapor.16Línea de rebose Evita que el agua pase este límite.17. Línea de remoción o venteo: Sirve para la eliminación del aire presente dentro de la autoclave.18. Control de temperatura e ingreso de vapor: Regula el ingreso de vapor a manera de mantener a la autoclave a una temperatura adecuada.19. Termocupla del registrador: Sensor que ayuda a registrar las temperaturas medidas

3.2.2 Fases del ciclo de esterilización.

(Diapositiva power point esquema de las fases)

En los procesos reales tanto la etapa de calentamiento como la de enfriamiento requieren un determinado tiempo que, sin embargo, no contribuirá prácticamente a la esterilización del producto.A continuación se detallan estas tres etapas:

1) Fase de Purgado: A medida que se introduce vapor saturado en el autoclave, este desplaza mediante de corrientes de convección natural el aire presente en el interior del mismo, provocando su salida por la válvula de purgado que estará completamente abierta durante todo este período. Esta fase termina cuando se alcanza la temperatura de esterilización, al

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cabo de un determinado tiempo prefijado, o bien cuando se detecta que lo que se está purgando es aire con una elevada proporción de vapor.

Luego de esta fase comienza la etapa de calentamiento como consecuencia del suministro de vapor saturado. Se termina está fase (al cabo de un tiempo predeterminado) cuando se estima que todo el aire que había en el interior del autoclave ha sido expulsado Completamente.

Extra: En cuanto al diseño destacar que la salida del aire debe estar suficientemente alejada de la entrada de vapor y opuesta a esta de modo el efecto calentador sea el máximo y el aire sea expulsado del autoclave a medida que penetre el vapor pero sin provocar la salida “inmediata” del vapor que se esta introduciendo. Una vez que tiene lugar la fase de purgado entra en acción la válvula de control de entrada del vapor (ajuste fino), siendo la temperatura del interior del autoclave en este momento 100 ºC aproximadamente.

2) Fase de Esterilización: Esta fase no existe como tal, se trata de una fase ficticia que pretende representar aquí el período en que el producto está en el interior del autoclave y se contribuye a la esterilización del mismo.

a) Etapa de calentamiento. Se trata de la que se realiza de forma prácticamente simultánea a la fase de purgado o inmediatamente después (dependiendo del tipo de autoclave).En las autoclaves industriales, la temperatura del medio calefactor durante la etapa de calentamiento del agua, es una función lineal del tiempo de proceso.

Durante la misma, la temperatura del recinto se incrementa con una determinada pendiente o bien de modo exponencial (dependiendo de la eficacia térmica del fluido calefactor utilizado) hasta alcanzar la temperatura de régimen. En esta fase la temperatura de producto evoluciona con un determinado retraso con respecto a la temperatura del recinto (temperatura ambiente) que será función de la naturaleza del producto y de las características del envase y del proceso utilizado principalmente.

b) Etapa de mantenimiento. Será en esta etapa de mantenimiento durante la cual la temperatura del interior del autoclave permanece prácticamente constante en torno al binomio tiempo/temperatura establecido.La temperatura del producto, al igual que en la fase anterior, evoluciona más rápidamente, tendiendo a igualarse con la temperatura ambiente. La consecución de este hecho en un mayor o menor tiempo vendrá determinada por el mecanismo de transmisión de calor que tenga lugar dependiendo del producto que se esté procesando.

c) Etapa de enfriamiento. Esta etapa comienza de forma instantánea al finalizar el tiempo de mantenimiento. La liberación brusca de la presión como consecuencia de la apertura de la bomba de agua puede causar roturas o abombamiento de las latas por lo tanto será necesario suministrar aire a presión para mantener el equilibrio existente. En cuanto a la temperatura del producto esta evoluciona con respecto a la temperatura interior del autoclave con un retraso similar al correspondiente durante la etapa de calentamiento pero

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de forma inversa puesto que en este caso será el propio producto el que se encuentra a una temperatura superior a la del recinto.

(Ver esquema diapositiva variación de T de envase

3) Fase de Descarga : Esta fase tiene lugar una vez que ha concluido el proceso de esterilización (mantenimiento) y sucede generalmente de forma simultánea al enfriamiento prolongándose cierto tiempo una vez que este termina. Se abre del todo la válvula de descarga de presión y salida de condensado y se da por concluido el proceso dentro del autoclave. Esta etapa también se denomina fase de descompresión ya que tiene como principal misión la de reducir la presión interior del autoclave, con el fin de permitir la apertura de la puerta sin riesgo alguno para el operario.

3.2.3 Objetivos del control del proceso

Para el correcto funcionamiento del autoclave se requiere un sistema de control capaz de mantener dentro de unos límites especificados las principales variables a considerar en el proceso de esterilización:

- Temperatura. Los microorganismos mueren por la acción del calor, siendo la relación entre la temperatura y el efecto esterilizante de naturaleza logarítmica. Por lo tanto, un cambio relativamente pequeño en la temperatura de tratamiento térmico puede significar un cambio significativo en el grado de destrucción final de microorganismos: grado de esterilización conseguido. - Presión. Todos los equipos de esterilización de alimentos con bajo contenido ácido funcionan a presiones elevadas, y la mayoría de los países poseen disposiciones legales acerca de la presión que debe alcanzar el sistema de esterilización. Además, la aplicación de presión se emplea para evitar la deformación del envase durante el procesado y el enfriamiento. Este parámetro es cada vez más importante debido al aumento en el uso de envases plásticos y semirrígidos ya que en estos casos es preciso controlar la presión con una mayor exactitud.El proceso de esterilización debe de ser supervisado y controlado durante las distintas etapas; contrastando cada cierto tiempo la correlación entre los valores obtenidos en los aparatos de medida (manómetro y termómetro) y los que aparecen en el cuadro de control (marcador digital y termograma)

Otra razón por la que podría considerarse regular la presión de vapor saturado es que esta no alcance la presión de trabajo máxima de seguridad, aunque no se considera debido a que las autoclaves están equipadas con válvulas de seguridad para abrirla y vaciarla si se excede esta presión máxima de seguridadLas condiciones más frecuentes utilizadas en las autoclaves convencionales semuestran en la siguiente tabla

Presión (bar) Temperatura decondensación (oC)1.5 111.41.7 115.22.0 120.2

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3.2.4PROCEDIMIENTO PARA LA ELIMINACIÓN DE BACTERIAS

Con el objeto de poder hacer comparable el efector relativo de esterilización de cualquier tratamiento térmico de productos envasados y evaluar el efecto letal del mismo, se introdujo en el ámbito de la esterilización el parámetro de F0: unidad de destrucción de microorganismos (Índice de destrucción térmica) que representa la letalidad integrada del calor recibido por todos los puntos de un recipiente. Este parámetro se utiliza para comparar la eficacia de distintos procesos de esterilización ya que su valor constituye la combinación de tiempo / temperatura recibida por el alimento durante el tratamiento térmico de la esterilización. Para cualquier organismo se considerarán como letal toda temperatura superior a la máxima de crecimiento, por lo tanto los efectos de la esterilización comienzan tan pronto como el alimento alcanza dicha temperatura. Cuando las bacterias se someten a calor húmedo a temperaturas letales (por ejemplo, una lata de pescado sometida a tratamiento de autoclaves). Se observa un orden logarítmico de muertes. Enla figura se muestra un diagrama (conocido como la curva de sobrevivientes) de la destrucción de esporas bacterianas mediante el calor a una temperatura letal constante.

Ver dibujo diapositiva

Como se puede ver, el intervalo de tiempo requerido para reducir el número de sobrevivientes a una décima parte de ella (es decir, una disminución del 90%) es constante; esto significa que eltiempo necesario para reducir una población de esporas de 10 000 a 1 000 es igual que el que serequiere para que disminuya de 1000 a 100. A medida que los tiempos de esterilización aumentan para una determinada temperatura de consigna, ocasionan la sobreesterilización del producto provocando la disminución la calidad final del producto puesto que las vitaminas menos termorresistentes o termolábiles se destruyen más rápidamente De igual modo los parámetros organolépticos disminuyen cuanto mayor es el tiempo de tratamiento térmico produciéndose una mayor deshidratación del pescado afectando fundamentalmente a su textura y sabor. Por lo tanto se concluye que, de forma contraria a como muchos piensan, no basta con destruir los microorganismos, también hay que tener presentes los efectos del calor sobre los componentes nutritivos de los productos de la pesca procesados. Se deben estudiar perfectamente las diversas variables que intervienen en el proceso de esterilización para su optimización. Los tratamientos térmicos se basarán en estudios de transmisión de calor, que permitan fijar las condiciones de temperatura y tiempo adecuadas para que, con un margen de seguridad suficiente, se garantice la esterilización comercial del producto. Para ello, se realizarán pruebas para cada producto, formato y autoclave, que permiten obtener el valor de F0 mínimo que debe alcanzar.

Validación Térmica en la industria alimenticia

Se enfoca en calificar el funcionamiento adecuado de los equipos, verificando que generen y mantengan la temperatura adecuada que asegure la calidad de los productos. Existen un gran número de indicadores que pueden ser usados para verificar el funcionamiento de los procesos térmicos. Ej. Indicadores biológicos, Indicadoresquímicos, Indicadores físicos.

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Puntos importantes de validación, con respecto al monitoreo. Se debe tener documentación extensa.� Capacidad de repetibilidad de los resultados.� Procedimientos estándar y desviaciones deben ser justificados.� Trazabilidad de los datos. (Calibración)� Perspectiva del peor escenario posible�

Estudios de distribución de calor (OQ)Autoclaves

Determinar si el autoclave provee una generación de calor homogénea en la� cámara, para asegurar la obtención del efecto esperado.

Encontrar el punto más frio en el autoclave. (perspectiva del peor escenario� posible).

Creación de un perfil térmico en autoclaves nuevo.� Verificar el efecto de una alteración o reparación al autoclave.�

Ver diapositivas

Bibliografía https://eva.fing.edu.uy/file.php/253/Libros/Manual_Redes_de_Vapor.pdf http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-steam.html http://minitecnica.upc.edu/dhs/arxius/projectes/157/1.pdf http://es.scribd.com/doc/55199970/Autoclaves http://www.usmp.edu.pe/publicaciones/boletin/fia/info49/articulos/Envasado%20y

%20Conservacion%20de%20Alimentos%20(1).pdf http://www.ruralcat.net/c/document_library/get_file?uuid=12bb5b60-5d99-4893-

9c19-09232c5edf13&groupId=10136

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