Modelización de tratamientos térmicos en envases plásticos

La tecnología evoluciona para adaptarse a aplicaciones menos tradicionales

1 de diciembre de 2010

Los tratamientos térmicos continúan siendo una de las mejores estrategias para la conservación de las empleadas por las industrias agroalimentarias. Las aplicaciones tradicionales de los tratamientos térmicos para garantizar la estabilidad y la inocuidad de los productos envasados en hojalata o en vidrio (de geometría muy próxima al cilindro) deben de ser adaptados para los formatos y materiales utilizados para los envases: barquetas y bolsas de distintos materiales plásticos y con geometrías menos sencillas que los tradicionales cilindros.

A. Gómez *, J. Mir-Bel *, R. López *, J. Abril ** y A. Casp **

*CITA La Rioja, Centro Innovación y Tecnología Alimentaria de La Rioja.
** Departamento de Tecnología de Alimentos Universidad Pública de Navarra.

La problemática de la simulación del procesado térmico de los alimentos se complicará a la vez que lo haga la geometría del envase, aunque como siempre la determinación de la evolución de la temperatura en cada punto de la masa del producto deberá establecerse de acuerdo con el mecanismo de transmisión que tenga lugar en cada caso: conducción, convección.

El empleo de modelos matemáticos para simular los tratamientos térmicos de alimentos envasados es hoy una práctica generalizada gracias al uso de ordenadores cuya potencia permite realizar los cálculos necesarios en tiempo real. C.O. Ball (1923 y 1928) fue el primero en abordar el estudio de la penetración de calor por métodos matemáticos para la predicción de la combinación tiempo-temperatura partir de datos experimentales. De aquellos estudios Ball dedujo que la temperatura en centro geométrico de una lata de conserva tiende hacia la temperatura del recinto del autoclave de forma logarítmica. Numerosas variaciones del modelo desarrollado por Ball en los años 20 están disponibles con diversas puntualizaciones en la precisión.

Cuando la transmisión de calor se produce por un mecanismo de conducción será interesante la utilización de soluciones numéricas por diferencias finitas al método de Fourier en el caso de que se utilicen formatos regulares de envase: esferas, cilindros o paralelepípedos. Sin embargo, cuando los envases tengan formas menos regulares (que sería el caso de los envases plásticos) será necesario definir las condiciones de contorno mediante un análisis de elementos finitos, cuya metodología de resolución de numérica es más compleja que la empleada para las diferencias finitas. (Tucker, 1991).

Figura 1. Barquetas llenas de silicona, con las sondas colocadas.

La utilización de productos naturales en la validación de los modelos obtenidos presenta dificultades añadidas. En primer lugar se debería tener en cuenta la variabilidad natural de sus propiedades termofísicas y además que estos productos no permiten más que una sola utilización, ya que el tratamiento térmico modifica sus propiedades físicas y por ello su respuesta al próximo calentamiento. Por ello, a lo largo de las últimas décadas se ha venido trabajando con distintos productos para la simulación de alimentos.

Figura 2. Autoclave rotativo Surdry.

En el presente estudio se empleó para la simulación de alimentos silicona fluida envasada en barquetas de material PP-EVOH-PP utilizado para el envasado de platos preparados (Fig. 1). Los tratamientos térmicos se han realizado en un autoclave de planta piloto Surdry, trabajando con duchas de agua sobrecalentada (Fig.2).

Figura 3. Mallado del modelo trapezoidal tridimensional que representa un cuarto de barqueta. Detalle punto crítico.

Descripción del modelo

En la construcción del modelo de simulación en la geometría de la barqueta se definió un modelo trapezoidal tridimensional en el que quedaba representado el mallado de un cuadrante del volumen definido para la barqueta, representándose también la situación del punto en el que se ha calculado la temperatura (centro térmico). (Fig.3).

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, de propiedades térmicas conocidas, las mantiene constantes a lo largo de todo el proceso térmico.
2) La figura presenta dos planos de simetría, por lo que la simulación se plantea sobre un cuarto de su volumen.
3) Los valores de coeficiente de película (h) en la superficie externa se considerarán constantes o función de la temperatura del recinto.
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 de un cuarto de barqueta, existen caras que se encuentran aisladas (las correspondientes a los planos de simetría) y caras sometidas a flujo de calor convectivo (las correspondientes a la superficie de la barqueta).

Figura 4. Perfiles de temperatura del cuadrante izquierdo de la barqueta a los 60 min del proceso térmico.

Para obtener estos perfiles de temperatura representados en la figura 4 se ha optimizó la función que representa la penetración de calor en el sistema tomando como variable el valor del coeficiente de película y ajustándolo hasta conseguir minimizar el error cometido en la simulación.

Se han planteado tres supuestos:

Figura.5. Modelo de simulación en el punto geométrico de la barqueta bajo el supuesto de un coeficiente de película constante a lo largo de todo el proceso (h = cte = 115,64).

1. Mantener constante el valor del coeficiente de película a lo largo de todo el procesado térmico. (Fig.5).

Figura.6. Modelo de simulación en el punto geométrico de la barqueta bajo el supuesto de un coeficiente de película que varía en función de la temperatura de recinto (h =1,25xT _ rec).

2. Hacer que el coeficiente de película sea función de la temperatura del recinto. (Fig.6).

Figura.7. Modelo de simulación en el punto geométrico de la barqueta bajo el supuesto de un coeficiente de película variable en función de la temperatura de recinto. Optimizando la fase de mantenimiento (h =1,63xT _ rec).

3. Optimizar el ajuste del supuesto 2 para la fase de mantenimiento, que es cuando se produce la mayor cuenta de F0 del proceso (Fig. 7.).

En todos los casos el error se ha calculado a través de la aplicación matemática Matlab.

Conclusiones

La utilización de modelos que asumen que el coeficiente de película exterior se mantiene constante durante el tratamiento térmico lleva a cometer errores excesivamente grandes. Para minimizar estos errores es necesario considerar que el coeficiente de película es función de la temperatura del medio de calefacción lo que complica el cálculo a la vez que se acerca a la realidad.

El modelo establecido de esta forma es capaz de simular el comportamiento térmico de las barquetas llenas de silicona de alta viscosidad con un error razonablemente pequeño. Para reducir este error se deberá tener en cuenta que, aunque la viscosidad de la silicona empleada sea muy alta, se producen corrientes de convección en el interior de la barqueta que consiguen que la transmisión de calor no pueda considerarse como puramente conductiva.

El presente artículo forma parte de una ponencia pronunciada en la pasada edición del VI Congreso Español de Ingeniería de Alimentos, celebrado en Logroño los pasados 6, 7 y 8 de octubre de 2010.

Comportamiento de envases flexibles y semiflexibles ante cambios de altitud durante su distribución

Muchos clientes nos han consultado respecto a como solucionar los problemas de fallas de empaques fabricados en Lima pero que se comercializan en zonas altas tales como Arequipa, Cuzco. Las fallas que se presentan son colapsamiento de empaques rigidos o fallas de los sellos de las bolsas flexibles. Este articulo presenta una solucion muy adecuada.


¿Cómo saber con certeza el comportamiento que tendrán los empaques cuando son transportados a diferentes zonas geográficas? En este artículo el ingeniero José Antonio Rodríguez Tarango, presidente del Instituto Mexicano de Profesionales en Envase y Embalaje (IMPEE), aborda este importante tema y entrega las fórmulas que predicen si un envase tiende a colapsarse o a inflarse, dependiendo de los cambios de altura.

Hemos tenido varias experiencias profesionales en las que un envase colapsa, se infla y presenta rompimiento de sellos y fugas, quedando el contenido expuesto al medio ambiente. Esto ocurre cuando el producto es transportado desde una región geográficamente alta hacia una al nivel del mar, o viceversa.
Este fenómeno tiene lugar debido a los cambios de presión atmosférica que sufre el envase, ya que la atmósfera dentro del empaque resulta diferente a la de su exterior, lo que genera un diferencial de presión responsable del efecto de colapsamiento, o de que el envase se infle.
En el IMPEE hemos desarrollado una metodología para predecir el efecto que tendrá un cambio de esta naturaleza en un envase determinado, justo antes de distribuir el producto, para no encontrar sorpresas de colapsamientos, debilitamiento de sellos y fugas de producto. La aplicación de esta metodología garantiza que nuestro sistema de envasado sea el correcto y que el producto llegue en perfectas condiciones a su destino final.

Gráfica 1....

Cuando un envase está sellado o cerrado en forma hermética, con una atmósfera no modificable dentro del empaque, puede suceder una de las siguientes situaciones:
1. Cuando el envase es transportado de una región geográficamente alta a una baja, la presión externa del envase es mayor a la interna, es decir, existe un diferencial de presión negativo. En dado caso, el envase tenderá a colapsarse, teniendo varios efectos estéticos, y es posible que se presenten fugas de producto si éste ha sido llenado con muy poca cámara de aire. En el caso de las bolsas de frituras, por ejemplo, esta pérdida de volumen interno puede afectar al producto, porque al disminuir el volumen de aire el contenido puede maltratarse mecánicamente en mayor grado.
2. Cuando el envase es transportado de una región geográficamente baja a una alta, la presión externa al envase es menor a la interna, es decir, existe un diferencial de presión positivo. En este caso, el envase tenderá a inflarse, teniendo efectos de abombamiento. En cuanto a los envases flexibles, el incremento de la presión interna puede aplicar una fuerza excesiva sobre los sellos, debilitándolos o (en algunas ocasiones) venciéndolos, lo que redunda en la apertura del envase.
Paso 1
Es necesario entender el fenómeno físico involucrado en esta situación, para lo cual se debe conocer que la presión atmosférica promedio en nuestro planeta, al nivel de mar (0 m snm, cero metros sobre el nivel del mar), es de 760 mm Hg (milímetros de mercurio). Esto constituye la mayor presión atmosférica a la que es sometido cualquier objeto sobre la superficie del planeta. A medida que un artículo es transportado a tierras altas, esta presión atmosférica disminuye, por lo que la presión atmosférica está en relación directa con la altitud de la región donde se encuentre el objeto y está determinada por la siguiente relación:
P = 760 – 0,076 (A)
Donde:
P = Presión atmosférica en mm Hg.
A = Altitud en metros sobre nivel del mar (m).
Por ejemplo, si se requiere conocer la presión promedio que existe en la Ciudad de México, que se encuentra a 2308 m snm, se aplica la fórmula de la siguiente manera:
P = 760 – 0,076 (2308) = 760 – 175,408 = 584,59 mm Hg.
En el caso de la ciudad costera de Acapulco, México, que se encuentra a 28 m sobre el nivel del mar, tenemos una presión de:
P = 760 – 0,076 (29) = 760 – 2,204 = 757,79 mm Hg.
Si consideramos que el producto es fabricado en Ciudad de México y, posteriormente, enviado a Acapulco, se tiene el siguiente diferencial de presión (DP) de la siguiente manera:
DP = P(Ciudad de México) – P(Acapulco) = 584,59 – 757,79 = - 173,2 mm Hg (nótese el signo negativo).
Por el contrario, si el producto es elaborado en Acapulco y enviado a Ciudad de México, se tiene el siguiente cambio de presión:
DP = P(Acapulco) – P(Ciudad de México) = 757,79 – 584,59 = 173,2 mm Hg (nótese el signo positivo).

Cámara de vacío.... Paso 2 Para determinar el efecto que tiene el diferencial de presión en el sistema de envasado (para lo cual se pueden realizar pruebas que simulen dicho diferencial) se recomienda utilizar una cámara de vacío que permita efectuar estos cambios de presión de magnitud conocida. Caso 1: Colapsamiento del envase de plástico Para el caso de presión negativa en un envase rígido de plástico, una prueba consiste en ubicar el envase vacío sobre una superficie sellada y proceder a sacarle el aire hasta obtener un vacío igual a la presión, que en nuestro ejemplo es de – 173.2 mm Hg. Si el envase se colapsa, esto mismo le ocurrirá a los empaques que sean enviados de la Ciudad de México a Acapulco, y aunque no se presenten derrames, la estética del producto en el anaquel será extraña e inadecuada:

Gráfica 2..... Caso 2. Determinación de eficiencia de sello en un envase rígido También es necesario evaluar los sistemas de cierre de un envase. Aunque algunos empaques no se colapsan, como los de vidrio, el producto puede salirse, debido a un sello deficiente de la tapa con el envase. En este caso se procede a realizar una prueba en la que se posiciona el envase en la cámara y se genera el vacío hasta lograr la presión señalada (en nuestro ejemplo: -173.2 mm Hg). Si al llegar a esta presión el envase presenta fugas, con toda certeza ocurrirá lo mismo en la operación de distribución cuando el producto llegue a su destino, por lo que se deberá prevenir tal situación verificando la hermeticidad del sello en la tapa actual. Es recomendable realizar pruebas de hermeticidad con diferentes liners o sistemas de cierre.

Gráfica 3..... Caso 3: Pérdida de volumen en un envase flexible por cambio de presión atmosférica A continuación se analiza el caso de una presión negativa en un empaque flexible, como el de frituras envasadas con una cámara de aire que tiene el propósito de evitar que las hojuelas de producto se fracturen por presiones mecánicas externas al envase. En este caso la integridad del contenido es sumamente relevante, para que al abrir una bolsa encontremos papas fritas grandes y redondas, y no pequeños trozos del producto. Sin duda, resulta muy importante mantener la cámara de aire generada al momento de envasar el producto; sin embargo, como el cambio de presión es un efecto natural, se debe evaluar si el colapsamiento del envase afectará la protección de las frituras. Hasta el momento, tenemos un cambio de presiones por efecto del envío del producto de la Ciudad de México al puerto de Acapulco. Aplicando la siguiente relación podemos determinar la pérdida de volumen en el envase, que implica el cambio de presión: V2 = (P1 V1) / P2 Donde: V2 = Volumen final del envase (cm3) V1 = Volumen inicial del envase (cm3) P1 = Presión inicial del envase (mm Hg) P2 = Presión final del envase (mm Hg) Para nuestro ejemplo tenemos: P1 = 584.59 mm Hg P2 = 757.79 mm Hg V1 = 500 cm3 Por lo que: V2 = (584.59 x 500) / 757.79 = 385.72 cm3 Es decir, por efecto del incremento de la presión se perderá un volumen de: 500-385.72 = 114.2 cm3 Para este caso se procede a extraer del envase un total de 114.2 cm3, con la cámara de aire original de 500 cm3 y con producto, utilizando una jeringa. Posteriormente se evalúa si esta pérdida de volumen afectará la integridad del producto, pudiendo evaluar comparativamente el producto con el volumen original y con el volumen reducido. Todo esto permite evaluar con certeza en el laboratorio la afectación de estas condiciones sin necesidad de enviar una gran cantidad de producto y tener que analizarlo en el puerto final, con el costo que esto involucra.

Gráfica 4..... Caso 4: Eficiencia en sellos de envases flexibles por incremento de presión interna Se presenta también el caso de un empaque flexible que es envasado al nivel del mar y posteriormente enviado a una región de mayor altitud. En estos casos, el aspecto que más puede preocuparnos es que el sello se abra debido a la tendencia del envase a inflarse, y nos encontremos con que todos los empaques se encuentren abiertos, una vez hayan llegado a la ciudad de mayor altitud, y el producto atraviese por un proceso de deterioro. Y, obviamente, no podrá ser comercializado.

Gráfica 5..... Caso 5: Determinación de presión de vacío dentro de un envase: Otro caso a considerar ocurre cuando el producto ha sido envasado a un nivel de vacío alto, para conservar sus propiedades fisicoquímicas, y cuando es enviado de una región a otra deseamos saber si esta presión se conserva dentro del envase. Para este tipo de situaciones se realiza una medición directa del sistema de envasado con un lector de vacío, como se muestra en la foto, verificando las presiones inicial y final del sistema:

Equipo lector de vacío..... Como se ha podido observar, el transporte de mercancías envasadas entre regiones con diferentes altitudes puede tener como consecuencia efectos en los productos envasados. Por esta razón, resulta importante determinar el nivel de afectación que tendrá en el producto estos cambios de altitud y de presiones atmosféricas. Por una parte, el IMPEE se dio a la tarea de analizar la metodología para el análisis de este tipo de fenómenos, pero también de elaborar cartas de mapas viales de América Latina, con los que el ingeniero de envases puede analizar las rutas que seguirán sus productos, revisando los cambios de altitud en cada trayecto. Esta información puede ser consultada en el “Manual de Fórmulas y Tablas de Envase y Embalaje”, de José Antonio Rodríguez Tarango, editado por el Instituto Mexicano de Profesionales en Envase y Embalaje, IMPEE. Para conocer más información sobre los equipos descritos en este artículo, así como la literatura profesional, visite www.envaseyembalaje.com.mx Por Ing. José Antonio Rodríguez Tarango-Presidente del Instituto Mexicano de Profesionales en Envase y Embalaje (IMPEE), Febrero 2010