o

Pasteurizarea i sterilizarea

Teodor Ioan Trac

Operaii, aparate i utilaje n industria alimentar

Capitolul III

PASTEURIZAREA I STERILIZAREA III.1. Definire. Clasificare. Evoluia temperaturii i presiunii

Pasteurizatoarele i sterilizatoarele sunt utilaje utilizate n industria alimentar pentru:

realizarea tratamentelor termice de stabilizare microbiologic;

asigurarea nclzirii i meninerii produsului la temperatura tratamentului termic;

rcirea produsului pn la temperatura de ambalare, depozitare sau temperatura necesar pentru urmtoarea faz tehnologic.

Pasteurizarea reprezint operaia ce are drept scop distrugerea majoritii microorganismelor i, n particular, a bacteriilor patogene nesporulate prezente n produsul alimentar, cu cea mai mic pierdere posibil a calitilor senzoriale ale acestuia. Pasteurizatoarele lucreaz, n general, la presiune atmosferic pentru a asigura temperaturi de lucru sub 100(C.

Sterilizarea este operaia ce are drept scop distrugerea tuturor microorganismelor, att a formelor vegetative, ct i a celor sporulate. Sterilizatoarele lucreaz la presiune atmosferic sau suprapresiune pentru a asigura temperaturi de lucru egale sau mai mari de 100(C.

Pasteurizatoarele i sterilizatoarele se pot clasifica astfel:

- funcie de regimul de funcionare: utilaje cu funcionare discontinu (vane de pasteurizare, autoclave) i utilaje cu funcionare continu (majoritatea pasteurizatoarelor i sterilizatoarelor);

- funcie de modul cum se prezint produsul supus tratamentului termic: utilaje pentru tratamente termice de stabilizare a produselor n vrac i utilaje pentru tratamente termice de stabilizare a produselor ambalate n recipiente.

Curba evoluiei temperaturii n interiorul produsului, funcie de procesul termic, se numete curb de termopenetraie (THC: Temperature History Curve).

De obicei, evoluia temperaturii se urmrete pentru centrul termic al produsului. n general, centrul termic se confund cu centrul geometric al produsului. n cazul produselor solide ambalate, datorit spaiului liber din ambalaj, punctul cu nclzirea cea mai slab este sub centrul geometric al ambalajului. n cazul rcirii, considernd teoretic c distribuia temperaturii n recipient este uniform la nceperea operaiei, fluxul termic are direcia din interior spre exterior, iar punctul geometric al produsului este punctul cu temperatura cea mai ridicat.

n ceea ce privete evoluia presiunii, n timpul sterilizrii, n interiorul recipientelor se creeaz o presiune ridicat ca urmare a dilatrii produsului, a aerului din recipient, a gazelor i vaporilor de ap degajai de produs. Datorit valorilor ridicate ale presiunii interioare, exist pericolul ca aceasta s nu mai fie compensat de presiunea exterioar i, ca urmare, s apar deformaii remanente n falul cutiei cu apariia de ciocuri, care creeaz pericolul pierderii etaneitii, iar la borcane aruncarea capacului. Presiunea interioar este parial echilibrat de presiunea din utilaj (autoclav) pe durata operaiei de sterilizare a produselor alimentare ambalate n recipiente. Pericolul este mai mare n prima parte a rcirii, cnd datorit introducerii apei reci presiunea scade bruc.

Pentru a preveni pierderea etaneitii recipientelor, se practic sterilizarea cu suprapresiune de aer, n special pentru recipientele din sticl sau din material plastic.

III.2. Pasteurizarea i sterilizarea produselor n vrac

Pentru ca un produs alimentar neambalat (n vrac) s poat fi pasteurizat sau sterilizat, el trebuie s fie pompabil. Pasteurizarea i sterilizarea produselor n vrac se poate deci aplica produselor lichide (lapte, smntn, vin, bere, sucuri de fructe etc.) i vscoase sau cu un coninut de particule mici (nectaruri, supe, sosuri, creme, deserturi).

Pasteurizatoarele i sterilizatoarele pentru produse n vrac pot fi:

cu aciune indirect: schimbtoare de cldur tubulare sau cu plci, cu agent de nclzire abur sau ap cald;

cu aciune direct: cu injecie sau infuzie de abur.III.2.1. Instalaii cu sistem de nclzire indirect

a) Pasteurizatoare tip vanPasteurizatoarele tip van se utilizeaz pentru capaciti mici de producie. Ele au funcionare discontinu. Transferul termic este slab, astfel diferena de temperatur ntre mediul de nclzire i produsul supus tratamentului termic de pasteurizare este mare i apare pericolul supranclzirii produsului. Pentru evitarea acestui neajuns, se recomand un regim de pasteurizare la temperatur joas i durat mare (LTLT: Low Temperature Long Time).

Din punct de vedere constructiv funcional, vanele de pasteurizare sunt prevzute cu manta cu serpentin, agitator, dispozitive de msurare i nregistrare a temperaturii, sisteme de control.

n unele cazuri, pentru asigurarea continuitii procesului tehnologic se utilizeaz dou vane de pasteurizare succesive, (sistem flip flop). b) Instalaii cu schimbtoare de cldur cu plci

Schimbtoarele de cldur cu plci sunt cele mai utilizate schimbtoare de cldur ce intr n componena instalaiilor de pasteurizare i sterilizare n vrac. Caracteristica lor principal este posibilitatea de a genera un regim de curgere turbulent la valori mici ale coeficientului lui Reynold. Se asigur astfel coeficieni mari de transfer termic i deci un flux de cldur mbuntit;

Din punct de vedere constructiv, instalaiile de pasteurizare sterilizare cu schimbtoare de cldur cu plci au un aranjament compact, astfel suprafeele de transfer termic fiind mari n condiiile unui spaiu de amplasare redus.

Un alt avantaj al acestui tip de pasteurizatoare sterilizatoare l reprezint posibilitatea recuperrii cldurii prin nclzirea produsului nesupus tratamentului termic de ctre produsul deja pasteurizat sau sterilizat, reducndu-se astfel cantitatea de agent de nclzire, respectiv rcire. Eficiena regenerativ este de 90 93%.

Regenerarea "produs-produs" n cazul schimbtoarelor de cldur cu plci din componena instalaiilor de pasteurizare sterilizare const n circulaia produsului nepasteurizat pe o fa a plcii i a celui pasteurizat pe cealalt fa. Poate ns apare riscul unei posibile scurgeri de la produsul nepasteurizat la cel pasteurizat, cu contaminarea microbiologic a celui din urm. Ca urmare, ordonana referitoare la pasteurizarea laptelui (PMO: Pasteurized Milk Ordinance - SUA) prevede: la proiectarea instalaiilor de pasteurizare trebuie s se asigure o presiune pozitiv pe partea circulaiei produsului pasteurizat, astfel nct dac scurgerile au loc, ele s se produc de la produsul pasteurizat la cel nepasteurizat.

Instalaiile de pasteurizare cu schimbtoare de cldur cu plci prezint avantajul posibilitii realizrii unui tratament termic la temperatur nalt pentru durat scurt (HTST: High Temperature Short Time), sau pasteurizare "flash".

Acest tip de instalaii au funcionare continu i se utilizeaz n industria alimentar la pasteurizarea laptelui, vinului, berii, sucurilor de fructe i legume, buturilor rcoritoare.

n figura III.1 este prezentat ca exemplu schema unei instalaii de pasteurizare a laptelui tip APV Pasilac.

Componenta principal a instalaiei este schimbtorul de cldur cu plci mprit n patru zone: zona de recuperare a cldurii (zona de regenerare) 6, zona de pasteurizare 4, zona de nclzire a apei 1 i zona de rcire 7. Instalaia se mai compune din serpentina de meninere 2, pompa pentru ap 3, valva de deviere a fluxului 5, pompa auxiliar 8, omogenizatorul 9, compomasterul 10, separatorul centrifugal 11, dispozitivul de reglare a fluxului 12, pompa pentru vehicularea laptelui 13 i tancul de egalizare 14.

Modul de funcionare al instalaiei este urmtorul: laptele este alimentat (prin pompare) n tancul de egalizare 14, de unde, cu ajutorul pompei 13, ajunge n schimbtorul de cldur cu plci, i anume n zona de regenerare 6. Aici are loc nclzirea laptelui de la 4 la 60(C, n contracurent cu lapte pasteurizat. ntre pompa 13 i schimbtorul de cldur este dispus dispozitivul de reglare a fluxului 12 (o valv de reglare a debitului), cu scopul de a asigura un flux constant. Din zona de regenerare 6, laptele trece la separatorul centrifugal 11 unde are loc curarea laptelui i separarea grsimii, rezultnd astfel dou componente: lapte degresat i smntna. Din separatorul 11, cele dou componente laptele degresat i smntna ajung la compomasterul 10, cu rol de a recompune laptele la un coninut standardizat de grsime. Laptele standardizat ajunge la omogenizatorul 9 (regim de lucru: presiune p = 100-200 bar, temperatur t = 65(C), de unde este pompat prin intermediul pompei auxiliare 8 din nou n schimbtorul de cldur, i anume n zona de pasteurizare 4. Aici are loc nclzirea laptelui la 72-78(C, agentul termic fiind apa cald. Laptele este meninut la temperatura de pasteurizare timp de 16 s, n serpentina de meninere 2. La ieirea din serpentina de meninere 2 este dispus valva de deviere a fluxului 5: n cazul n care temperatura de pasteurizare a fost sub valoarea prescris, laptele este dirijat din nou ctre tancul de egalizare.

Laptele pasteurizat ajunge din nou n schimbtorul de cldur, n zona de regenerare 6, unde este rcit pn la 11(C (agentul de rcire este laptele nepasteurizat), rcirea final pn la temperatura de 4(C avnd loc n zona de rcire 7.

Figura III.1 Instalaia de pasteurizare a laptelui tip APV Pasilac

O astfel de instalaie de pasteurizare poate avea capaciti de 5000 50000 l/h.

Sterilizarea indirect la temperatur foarte nalt (UHT: Ultra High Temperature), tip SIH, este un procedeu care se bazeaz pe nclzirea i rcirea indirect a produsului ntr-un schimbtor de cldur cu plci. Produsul i mediul de nclzire au viteze egale sau viteza mediului este chiar mai mic dect a produsului. Astfel, produsul se nclzete uniform, cu o valoare mic n domeniul de temperatur critic (de la 85C pn la temperatura de sterilizare), cu timp de meninere redus la temperatur nalt i astfel durat mai mare de valabilitate.

De exemplu, n cazul laptelui, procedeul SIH expune laptele la un stres termic redus, ceea ce mbuntete gustul i valoarea nutritiv.

Aceste instalaii de sterilizare UHT realizeaz sterilizarea produselor la temperaturi de 135-145(C, cu durate de meninere de 2-6 s. O caracteristic a instalaiei de sterilizare indirect UHT este circuitul apei de nclzire care, din cauza temperaturii foarte nalte (140C), trebuie s fie sub presiune i de aceea este un circuit total nchis. La acest circuit este legat un vas sub presiune, echipat cu un sistem de alimentare cu aer, care menine presiunea la aproximativ 3 bar, pentru a preveni fierberea.

n figura III.2 este prezentat schema unei instalaii de sterilizare a laptelui tip APV Pasilac (tip SIH). Componenta principal a instalaiei este schimbtorul de cldur cu plci, cu ase zone: zona de recuperare 4, zona de prenclzire cu ap 5, zona de nclzire la temperatura de sterilizare 6, zona de nclzire a apei sub presiune 9, zona de rcire a laptelui 10 i de rcire a apei sub presiune 11. Instalaia se mai compune din tancul de egalizare 1, pompa 2, omogenizatorul 3 i dou tuburi de meninere, timp de 30s (7) i timp de 4s (8).

Modul de funcionare al instalaiei este urmtorul: laptele crud este alimentat n tancul de egalizare 1, de unde este pompat de pompa 2 n schimbtorul de cldur, i anume n zona de regenerare 4. Aici are loc nclzirea laptelui pn la o temperatur de 75(C (agent termic laptele sterilizat). Laptele prenclzit din zona de regenerare 4 a schimbtorului de cldur cu plci ajunge n omogenizatorul neaseptic 3, unde este omogenizat la presiunea de 170-200 bar. Urmeaz o nou nclzire la temperatura de 90(C, n zona de prenclzire cu ap 5. Laptele trece apoi n tubul de meninere 7 (meninere timp de 30 s), cu scopul stabilizrii proteinelor. Urmeaz din nou o nclzire cu agent termic ap n zona de nclzire 6, pn la temperatura de sterilizare de 137(C. Laptele este meninut la temperatura de sterilizare timp de 3-4 s n tubul de meninere 8, dup care este rcit rapid pn la o temperatur de 80(C n zona de rcire 10. De aici, laptele sterilizat ajunge n zona de regenerare produs-produs 4, unde are loc rcirea pn la temperatura de ambalare de 20-25(C.

Figura III.2 Instalaia de sterilizare a laptelui tip APV Pasilac (SIH)

n cazul pasteurizrii sau sterilizrii unor produse vscoase sau cu coninut de particule, bucile solide n suspensie creeaz probleme transportului mecanic i asigurrii termopenetraiei n interiorul particulelor. Transferul termic n particule se realizeaz prin conducie i este cu mult mai slab dect pentru lichide. Instalaia utilizat trebuie s realizeze transportul acestor particule, s nu se blocheze i s nu creeze cderi de presiune excesive.Pentru produse vscoase sau cu coninut de particule, schimbtoarele de cldur cu plci au interstiiu mare (pn la 13 mm) sau curgere liber.

c) Instalaii cu schimbtoare de cldur tubulare

Schimbtoarele de cldur tubulare se utilizeaz n componena instalaiilor de sterilizare a sucurilor sau altor produse cu pulp sau fibr. Astfel de schimbtoare de cldur sunt de tip eava n eav, cu dou sau trei evi concentrice. Sistemul tubular este spiralat ntr-un aranjament compact. Mai multe baterii de evi spiralate pot fi utilizate pentru o instalaie complet de pasteurizare sau sterilizare prevzut cu zone de nclzire, regenerare i rcire.

ntr-un aranjament cu dou evi concentrice, produsul circul n interior, iar mediul de nclzire sau de rcire la exterior, cu excepia regenerrii produs - produs.

ntr-un aranjament cu trei evi concentrice, produsul circul prin seciunea din mijloc, iar mediul n celelalte dou, ceea ce asigur un transfer de cldur mult mbuntit.

Caracteristica esenial a configuraiei eav n eav o reprezint "trecerea unic, adic o singur trecere continu de la prenclzire pn la rcirea final. n acest caz nclzirea produsului este mai uniform dect n cazul circulaiei paralele de la schimbtoarele de cldur multitubulare.

n figura III.3 este prezentat schema unei instalaii de pasteurizare Stork, utilizat la pasteurizarea sucurilor de fructe, nectarurilor de fructe i sucurilor de fructe concentrate cu particule mici. Componenta principal a instalaiei este ansamblul de dou evi concentrice. Produsul trece ntotdeauna, n mod continuu i neted, prin eava central. eava exterioar are bare de distanare care ar putea s rein fibrele ce trebuie s rmn n produs.

Instalaia de compune dintr-un rcitor 1, o zon de rcire 2, una de regenerare 3, una de recuperare 5 i una de nclzire 6, un tub de meninere 4, un sistem de contrapresiune 7, un tanc de egalizare 8 i o pomp 9.

Modul de funcionare al instalaiei este urmtorul: materia prim (sucul de fructe) este alimentat n tancul de egalizare 8, de unde este pompat cu pompa 9 n prima zon de nclzire 5, care este o zon de regenerare ap-produs. De aici produsul ajunge n zona de nclzire cu abur 6, unde este nclzit pn la temperatura de pasteurizare. Produsul fierbinte este meninut la temperatura de pasteurizare n tubul de meninere 4 i apoi trecut n zona de rcire 3 (regenerare produs-ap) i zona de rcire final 2, n care ajunge aduce la temperatura final de 10-20(C la care este trecut la staia de umplere.

Pentru a evita regenerarea produs-produs prin circulaia produsului n eava exterioar, instalaia are n componen un sistem de circulaie a apei printre zonele de regenerare din amonte i aval (cldura primit de ap prin rcirea produsului este utilizat pentru nclzirea produsului care intr n instalaie).

Deoarece capacitatea instalaiei este n general cu 5 10% mai mare dect capacitatea staiei de umplere, este necesar un circuit de recirculare a surplusului de produs pasteurizat. Pe acest circuit se afl un sistem de contrapresiune 7 care asigur fluxul cerut de staia de umplere.

O astfel de instalaie mai poate fi dotat cu staie de umplere aseptic i/sau circuit de sterilizare.

Figura III.3 Instalaia de pasteurizare Stork

d) Instalaii cu schimbtoare de cldur cu suprafa raclat sau splat

Schimbtoarele de cldur cu suprafa raclat sau splat sunt formate din unul sau mai muli cilindri cu manta exterioar pentru circulaia agentului de nclzire sau de rcire. Cilindrii sunt prevzui n interior cu un rotor pe care sunt fixate lamele rzuitoare, n contact cu suprafaa interioar a cilindrilor pentru prevenirea depunerilor de produs i pentru realizarea unui coeficient de transfer termic ridicat.

Schimbtoare de cldur cu suprafa raclat sau splat se utilizeaz pentru tratamente termice de stabilizare pentru produse cu vscozitate mare sau cu coninut de particule (de exemplu budinci, deserturi, supe, sosuri, pulpe de fructe) sau pentru produse care formeaz depuneri n timpul nclzirii.

7071