TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN ENVASES PLÁSTICOS: PRIMERA APROXIMACIÓN MEDIANTE LA ECUACIÓN DE FOURIER POR ELEMENTOS FINITOS. Gómez, A*; Mir-Bel, J*; López, R*; Abril, J**; Casp, A**. CITA La Rioja, Centro Innovación y Tecnología Alimentaria de La Rioja. Pol. Tejerías Norte. c/ Los Huertos 2. Cp 26500. Calahorra, La Rioja. [email protected] ** Departamento de Tecnología de Alimentos Universidad Pública de Navarra. Campus Arrosadía.- Pamplona (España) [email protected]

Resumen Los cambios en los hábitos de consumo han llevado a las empresas conserveras a desarrollar nuevos tipos de productos con exigencias específicas de envasado. Al vidrio y la lata tradicionales se les han añadido barquetas de distintas geometrías y bolsas de materiales plásticos de formas más o menos rígidas. A la hora de realizar los correspondientes tratamientos térmicos estos últimos envases se comportarán de forma diferente a los tradicionales, especialmente aquellos envases flexibles en los que la agitación interna va a cambiar completamente la fluido-dinámica del sistema. Existen pocos trabajos que aborden este problema dada la complejidad de fenómenos que se pueden llegar a superponer. Tampoco existen referencias acerca de los errores que se cometerían en la predicción y seguimiento de los historiales térmicos al emplear los modelos tradicionales de tratamientos térmicos en este nuevo tipo de envases. Por todo ello, se planteó como primera aproximación para el estudio de tratamientos térmicos en envases plásticos su simulado mediante un modelo sencillo aplicado habitualmente para envases rígidos que se desarrolló en un software de elementos finitos, COMSOL, empleando un modelo convectivo para el exterior y conductivo para el interior. Los datos obtenidos se comparan con valores experimentales correspondientes a diferentes combinaciones tiempo-temperatura de tratamiento térmico estándar de pasteurización: 100ºC de temperatura de meseta, mantenida durante 50-60 min. Los resultados muestran que el error cometido con estos modelos es considerable, en especial para los envases flexibles. Palabras clave: Proceso térmico, coeficiente de película, conducción, convección, simulación, envases flexibles. INTRODUCCIÓN. Los tratamientos térmicos son y continuarán siendo en el futuro una de las mejores estrategias para la conservación de los alimentos. Sin embargo, los nuevos envases plantean problemas específicos, tanto por los materiales de los que están fabricados como por sus formas geométricas, cuando se plantean las simulaciones necesarias para

determinar las condiciones de los tratamientos que permitan alcanzar los niveles de seguridad exigidos a la vez que el respeto a las propiedades organolépticas del alimento. La problemática de la simulación del procesado térmico de los alimentos se complica más aún cuando se utilizan envases que no son perfectamente rígidos y cuyas dimensiones o geometría pueden modificarse a lo largo del tratamiento térmico. En la resolución de estos problemas de simulación inicialmente se emplearon técnicas numéricas de diferencias finitas (Lebowitz y Bhowmik, 1989) aunque posteriormente se demostró que mediante elementos finitos se alcanzan los mejores resultados (Abdul Ghani Al-Baali y Farid, 2006). La utilización de productos naturales en la validación de los modelos obtenidos no suele ser posible. A la variabilidad natural de sus propiedades termofísicas se suma la imposibilidad de repetir los tratamientos térmicos, ya que su aplicación modifica las propiedades físicas del alimento y por ello su respuesta al próximo calentamiento. Por ello, a lo largo de las últimas décadas se han buscado distintos productos para la simulación de alimentos. El más común es la bentonita (Jackson, 1940; Jackson y Olson, 1940; Robertson y Miller, 1984). Se utilizan suspensiones al 1% de bentonita para simular alimentos que se calientan por convección, mientras que para simular los que se calientan por conducción se emplean suspensiones de bentonita más concentradas, del 5 al 8% (Uno y Hayakawa, 1980; Bhowmik y Hayakawa, 1988; Shin y Bohwmik, 1993). Sin embargo, estas suspensiones se deterioran con su uso repetido por lo que el empleo de bentonita presenta unas restricciones muy próximas a las de los alimentos naturales. Para la simulación de alimentos que se calientan por conducción también se han ensayado suspensiones acuosas de agar (Evans, 1958) y de almidones (Holdsworth, 1997) que tampoco solucionan los problemas presentados por las suspensiones de bentonita. En el estudio de los procesos de calentamiento por convección se ha empleado una amplia gama de productos, desde el agua, hasta aceites térmicos, pasando por soluciones acuosas de etilenglicol, azúcar, glicerina, almidón, etc…(Swain y col., 2004), que presentan buenos resultados uno a uno, pero con los que es difícil abarcar toda la gama de difusividad térmica cubierta por los alimentos. Por último también se han utilizado elastómeros de silicona tanto para la simulación de procesos por convección como por conducción debido a su amplia gama de viscosidades, su estabilidad a las temperaturas de procesado y a la buena reproducibilidad obtenida (Bown y col. 1985; Peralta Rodríguez, 1987; Smout y col. 1998; Abril y Casp, 2006). MATERIALES Y MÉTODOS. En los ensayos se ha utilizado una silicona fluida fabricado por la empresa Rhodia Silicones S.A.S de Saint-Fons (Francia). Esta empresa produce aceites de silicona de viscosidades comprendidas entre 5 y 1.000.000 mm2/s. En las pruebas se ha utilizado una silicona con una viscosidad de 10.000 mm2/s, para simular un calentamiento por conducción. Tabla 1. Características silicona.

Características silicona Viscosidad a 25ºC (mm2/s) Densidad a 25ªC (Kg/m3) Calor específico (KJ/Kg.K) Conductividad térmica (W/m.K)

10.000 973 1,5 0,16

Coef. Viscosidad/Tº Composición: dimetil polisiloxanos.

0,62

Se emplearon bolsas fabricadas con un laminado plástico multicapa formado por PP, EVOH, PP, que es el habitual para el envasado de productos líquidos que sufren tratamiento térmico. El espesor de este laminado es de 134 micras. Los tratamientos térmicos se han realizado en un autoclave de planta piloto SURDRY, trabajando con duchas de agua sobrecalentada situadas en la parte lateral y superior del habitáculo del autoclave, en modo estático (Fig.2). Las condiciones fijadas de tratamiento térmico en el autoclave fueron las siguientes Tabla 2. Condiciones del tratamiento térmico.

FASES CALENTAMIENTO MANTENIMIENTO ENFRIAMIENTO

Figura 1. Detalle de las bolsas empleadas con la silicona en su interior y la sonda de temperatura colocada.

t (min) 15 30 15

Tª(ºC) 100

P(bar) 1,5 1,5 1,5

Figura.2.Autoclave SURDRY.

Las temperaturas se han registrado mediante Data Loggers Ellab Tracksense: TS PRO. Las sondas se han situado en el centro térmico del envase, punto crítico en el centro de la base de la bolsa a 30-40% de su altura (Abdul Ghani Al-Baali y Farid, 2006), registrando la temperatura del interior del envase y del recinto. Descripción del modelo. En la construcción del modelo de simulación se empleó el método numérico general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales, elementos finitos (de cada uno de los puntos generados en la creación de una malla, Figs. 3, 4 y 5).

Se llevó a cabo la minimización del error por el algoritmo Simplex Nelder-Mead, método heurístico de búsqueda de mínimos de cualquier función N-dimensional (Martínez, 2001). Con el fin de buscar una forma geométrica que se asemejara a la forma de la bolsa se optó por definir tres modelos tridimensionales de distintas geometrías que se presentan en las siguientes figuras, donde queda representado los volúmenes de silicona contenidos en cada una de ellas.

Figura.3. Mallado del modelo elipsoidal tridimensional que representa la bolsa.

Figura.4. Mallado del modelo “Zeppelin”.

Figura.5. Mallado del modelo conoidal con base elipsoidal.

Se consideraron condiciones de contorno convectivas para el exterior y conductivas para el interior, estos datos se introdujeron en el paquete COMSOL Multiphysics donde se simuló el tratamiento térmico. En el modelo se asumió: 1) El simulante de producto (silicona), de propiedades térmicas conocidas, las mantiene constantes a lo largo de todo el proceso térmico. 2) La simulación se plantea sobre todo el volumen de silicona contenida en la bolsa. 3) Los valores de coeficiente de película (h) en la superficie externa se considerarán constantes. 4) Condiciones de subdominio: se asume que comportamiento de la silicona es por conducción dada su alta viscosidad. 5) Condiciones de contorno: como se trata del volumen total de silicona de la bolsa, las caras se encuentran sometidas a flujo de calor convectivo, exceptuando la cara superior que se encuentra aislada. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En las figuras 6, 7 y 8 se representan los perfiles de temperatura del volumen de silicona en cada una de las geometrías estudiadas a los 60 minutos de procesado térmico.

Como se aprecia en estas figuras se producen diferencias muy importantes se acuerdo con la geometría elegida para la simulación. Sin embargo, para ninguna de ellas se han obtenido valores del coeficiente de película que hagan suficientemente pequeños los errores asociados. Es decir, ninguna de ellas simula con la suficiente precisión el comportamiento térmico de la bolsa real llena de silicona de alta viscosidad.

Figura.6. Perfiles de temperatura del volumen de silicona en el modelo elipsoidal tridimensional a los 60 minutos de procesado térmico.

Figura.7. Perfiles de temperatura del volumen de silicona en el modelo “Zeppelin” a los 60 minutos de procesado térmico.

Figura.8. Perfiles de temperatura del volumen de silicona en el modelo conoidal con base elipsoidal a los 60 minutos de procesado térmico.

CONCLUSIONES. El error obtenido en el ajuste del modelo a las geometrías estudiadas es considerable incluso después de la optimización, por lo que se aprecia que en este tipo de envases existen unas condiciones que se han tenido en cuenta y que no deben pasarse por alto: o Flexibilidad del material, que no mantiene una forma fija bajo la lluvia de agua de proceso. o Generación de corrientes de convección interna, que aparecen pese a la alta viscosidad de la silicona utilizada como simulante. o Variabilidad del coeficiente de película a lo largo del proceso, que es función de la temperatura del fluido calefactor. REFERENCIAS. Abdul Ghani Al-Baali, A.G. y Farid, M.M. (2006). “Sterilization of Food in Retort Pouches”. Springer. New York. Abril Requena, J. y Casp Vanaclocha, A. (2006). “Empleo de sistemas modelo para el estudio de la transmisión de calor en alimentos envasados”. IV Congreso Español de Ingeniería de Alimentos. Córdoba (España). Bhowmik, S.R. y Hayakawa, K. (1988) “Quality retention and steam consumption of selected thermal processes”. Lebensm.-Wiss. u.- Technol. 21(1) 13-19.

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