ES2345060T3 - Esterilizacion de liquidos en unos recipientes hermeticamente cerrados. - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de esterilización o de pasteurización de un líquido a tratar contenido en unos recipientes herméticamente cerrados, que comprende el transporte de los recipientes a una zona de tratamiento en la que los recipientes son sumergidos en un flujo de fluido de transporte exterior, el calentamiento en volumen del líquido a tratar a una velocidad superior a 28ºC por segundo, hasta una temperatura de tratamiento T que se sitúa entre 20ºC y 66ºC, la agitación del recipiente durante el calentamiento del líquido, y según el valor de la temperatura de tratamiento T, la exposición del líquido a un campo eléctrico de tratamiento por electroporación inmediatamente o poco después del calentamiento del líquido, seleccionándose la amplitud E del campo eléctrico en V/cm de manera que satisfaga la ecuación: **(Ver fórmula)** para los valores: **(Ver fórmula)** en las que T es la temperatura de tratamiento en grados Celsius.

Description

Esterilización de líquidos en unos recipientes herméticamente cerrados.
La presente invención se refiere a un procedimiento de esterilización de líquidos contenidos en unos recipientes herméticamente cerrados, y a un dispositivo para la realización del procedimiento.
Uno de los métodos de esterilización utilizado habitualmente en la industria es mediante autoclave, en el que se tratan unos recipientes por lotes (en inglés "batches") típicamente a una temperatura comprendida entre 90ºC y 130ºC durante varios minutos, a unas cadencias de varios miles de recipientes por hora. Sin embargo, la esterilización a estas temperaturas puede alterar sustancialmente las propiedades del producto tratado, (color, sabor, olor, cualidades biofísicas, bioquímicas y otras). En un procedimiento convencional de esterilización térmica, la elevación de temperatura se efectúa lentamente y permite que los microorganismos se adapten y resistan mejor el aumento de temperatura.
Unos procedimientos que prevén reducir el umbral de temperatura necesario para esterilizar un líquido acuoso, mediante la aplicación de campos eléctricos, se han descrito en las patentes US nº 4.695.472 y EP 1 328 167. El procedimiento descrito en la patente US nº 4.695.472 se refiere sin embargo sólo a la esterilización de flujo de líquido y no se puede utilizar para la esterilización de botellas o de otros recipientes llenos de líquido. La amplitud del campo eléctrico propuesto, aplicado a una botella de una decena de centímetros de diámetro, necesitaría unas tensiones muy elevadas, difíciles de generar y de aplicar de manera homogénea.
En el documento EP 1 328 167, se describe un procedimiento para la esterilización de botellas o de otros recipientes llenos de líquido. Se propone limitar la temperatura umbral T_{S} de esterilización sometiendo al producto simultáneamente a un calentamiento por campo eléctrico y a la acción de vibraciones ultrasónicas. Esta tecnología resulta sin embargo poco eficaz en la práctica, por un lado porque diferentes microorganismos tienen unas sensibilidades diferentes a las vibraciones ultrasónicas, en función de la frecuencia y de la amplitud, y por otro lado porque la aplicación homogénea de ultrasonidos en todo el volumen del recipiente es difícil de llevar a cabo.
Por otro lado, con los procedimientos de esterilización por electroporación conocidos, es difícil obtener una buena uniformidad de tratamiento de recipientes herméticos que contienen líquido, debido a la rapidez de calentamiento y a la forma de los recipientes, que provocan unas disparidades de temperaturas y de campo eléctrico en el volumen de líquido a esterilizar. Para compensar estas disparidades, con el fin de asegurar una destrucción fiable e irreversible de microorganismos en todo el volumen de líquido, se podría aumentar la temperatura media y/o la amplitud o el tiempo de aplicación del campo eléctrico. Sin embargo, la consecuencia sería una alteración incrementada de las propiedades del líquido.
Durante el calentamiento, la presión en el interior del recipiente aumenta y puede acompañarse de una deformación irreversible del recipiente, en particular cuando se trata de botellas o de otros recipientes en material plástico. Los procedimientos de esterilización mediante campo eléctrico tienen la ventaja de disminuir la temperatura y el tiempo de esterilización con relación a un procedimiento de pasteurización térmico convencional. Sin embargo, existe una ventaja en disminuir la temperatura y el tiempo de tratamiento todavía más para reducir los efectos debidos al incremento de la presión interior.
Unos dispositivos de compensación de presión en el campo de la esterilización de recipientes a alta temperatura se han descrito en las patentes GB 390 768, US nº 2.909.436, FR 1 436 405 y FR 2 035 678. En estos sistemas, la presión interna está compensada por la presión del líquido que rodea el recipiente, determinado por la altura de la columna de líquido en la que los recipientes están sumergidos. Este líquido sirve asimismo para calentar el contenido del recipiente, haciendo el procedimiento de esterilización relativamente lento, con unas consecuencias nefastas sobre la alteración de las propiedades del alimento en el recipiente. Dichos procedimientos no están tampoco previstos, ni adaptados, para la esterilización de botellas en PET o de otros recipientes en materiales plásticos cuya resistencia a la fluencia disminuye en gran medida a la temperatura de pasteurización térmica convencional.
Un objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento de esterilización o de pasteurización con buenos rendimientos, eficaz y fiable a unas cadencias industriales, apropiado para esterilizar o para pasteurizar unos líquidos contenidos en unos recipientes herméticos, incluidos unos recipientes de tamaños y de formas corrientes en el campo alimenticio en plástico o de otros materiales que no soportan unas temperaturas elevadas. Un objetivo es asimismo suministrar un dispositivo para la realización de dicho procedimiento.
Otro objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento de esterilización o de pasteurización apropiado para esterilizar o pasteurizar, a unas cadencias industriales, unos líquidos contenidos en unos recipientes herméticos incluyendo unos recipientes de tamaños y de formas corrientes en el campo alimentario, que no altere, o que altere poco, las propiedades del líquido.
Es ventajoso proporcionar un procedimiento de esterilización de un líquido que no caliente el líquido, incluso localmente, por encima de 70ºC, sino preferentemente no por encima de 65ºC.
Los objetivos de la invención se alcanzan mediante un procedimiento de esterilización según la reivindicación 1, y mediante un dispositivo según la reivindicación 16.
El procedimiento de esterilización de recipientes herméticamente cerrados que contienen un líquido a esterilizar según la presente invención, comprende el transporte de los recipientes a una zona de tratamiento en la que los recipientes son sumergidos en un flujo de fluido exterior, situándose el calentamiento en volumen del líquido a esterilizar por ondas electromagnéticas a un índice superior a 28ºC por segundo hasta una temperatura de tratamiento T comprendida entre 20ºC y 65ºC, la agitación del recipiente durante el calentamiento del líquido, y según el valor de la temperatura de tratamiento T, la exposición del líquido a un campo eléctrico en impulsos inmediatamente o poco después del calentamiento del líquido, siendo la amplitud E del campo eléctrico en V/cm seleccionada de manera que se verifique la ecuación:
1
para los valores:
2
en las que T es la temperatura de tratamiento en grados Celsius.
De manera muy sorprendente, los inventores han descubierto que calentando el líquido muy rápidamente, a una velocidad superior a 28ºC por segundo, el campo eléctrico a aplicar para destruir los microorganismos se puede reducir en gran medida con relación a los procedimientos conocidos. Así, a unos valores de temperatura de tratamiento de 64 a 66ºC, la amplitud del campo eléctrico puede incluso ser nula. En otras palabras, si se calienta el líquido en volumen en cualquier parte a más de 28ºC por segundo, la pasteurización eficaz y fiable del líquido no necesita ninguna exposición al campo eléctrico para una temperatura de tratamiento más allá de 64ºC, y para unas temperaturas inferiores, la pasteurización se puede llevar a cabo con una exposición a un campo eléctrico de amplitud muy inferior a lo que se propone convencionalmente.
Debido a la importancia de la velocidad de calentamiento sobre la eficacia de pasteurización, el calentamiento uniforme en volumen es muy importante para asegurar que la totalidad del volumen del líquido sea sometida a un calentamiento rápido. Con este fin, el líquido se agita o se somete a turbulencia, y el calentamiento en volumen se lleva a cabo mediante ondas de alta frecuencia o microondas. El calentamiento mediante ondas de HF o microondas permite obtener un calentamiento mediante agitación de las moléculas de agua minimizando el calentamiento óhmico mediante corriente eléctrica, para evitar unos problemas de efecto de "pinch" que induce unas no-uniformidades de calentamiento. Las frecuencias de estas radiaciones son preferentemente de más de 1.000 KHz.
El campo eléctrico de tratamiento mediante electroporación es preferentemente alternativo y suministrado por impulsos, situándose la frecuencia del campo alternativo preferentemente entre 100 KHz y 1.000 KHz.
Para la mayoría de los microorganismos que representan un peligro para los productos alimenticios y en particular las bebidas, pero también para unos productos farmacéuticos y médicos, el mecanismo de adaptación del microorganismo al incremento de la temperatura no se realiza a unas velocidades de calentamiento superiores a 28ºC por segundo durante toda la duración del procedimiento de calentamiento.
Las tensiones térmicas sobre las membranas de los microorganismos debidas al aumento tan rápido de la temperatura del líquido se añaden a las tensiones debidas a los efectos del campo eléctrico alternativo, cuya frecuencia se selecciona para hacer oscilar los efectos de tensión sobre las membranas y por consiguiente amplificar las tensiones locales máximas que sufren estas membranas. Esta combinación permite concentrar mejor la energía del campo eléctrico sobre la destrucción de los microorganismos por electroporación, minimizando la pérdida de energía eléctrica en calor y por lo tanto la potencia eléctrica necesaria para la destrucción irreversible de los microorganismos. Esto permite tratar volúmenes más grandes y evitar más fácilmente unos problemas de perforación y de calentamiento local que pueden alterar las propiedades del líquido a esterilizar.
La energía calorífica total aportada al líquido a tratar por dicho o dichos impulso(s) de campo eléctrico puede ventajosamente ser muy baja, en particular inferior a 0,05 J/cm^{3}.
Una ventaja de la presente invención es por lo tanto poder efectuar muy rápidamente y a unas temperaturas inferiores a 66ºC, con un campo eléctrico relativamente bajo, incluso nulo, unas operaciones de destrucción o de electroporación colectiva irreversibles sobre unas células que se encuentran en gran cantidad en una disolución acuosa, en particular que se encuentran en el interior de un recipiente herméticamente cerrado. En este caso, ha resultado posible realizar de manera irreversible la destrucción de los microorganismos, tales como mohos y levaduras en estado vegetativo y en forma de esporas, a unas temperaturas que no sobrepasan los 65ºC, para unos tiempos de procedimiento que no sobrepasan de uno a dos segundos.
Esto hace posible la esterilización eficaz y de larga duración de productos a base de agua o que contienen agua, en particular de bebidas (tales como las aguas minerales sin gas, las aguas aromatizadas, el té, los zumos de fruta y productos derivados, la leche y productos derivados, la cerveza) encerradas en unos recipientes en material plástico, en particular en PET, cuya temperatura máxima de estabilidad térmica es del orden de 70ºC.
El calentamiento en volumen se puede realizar mediante unas ondas electromagnéticas de alta frecuencia o de microondas. Un flujo de fluido calentado que fluye alrededor de los recipientes permite mejorar, mediante intercambio térmico convectivo, la obtención de un campo de temperatura uniforme en el interior del recipiente. Además, permite, aumentando la presión estática a medida que se produce el calentamiento del recipiente y de su contenido, compensar el aumento de presión en el interior del recipiente relacionado con el calentamiento del producto y por consiguiente evitar una deformación plástica del recipiente.
Un calentamiento rápido en volumen del producto encerrado en el recipiente crea unas disparidades de temperatura debidas al hecho de que las propiedades dieléctricas del material del recipiente son sustancialmente diferentes de las del producto que contiene agua. Esto significa que la densidad de potencia desarrollada en el producto es muy superior a la desarrollada en el material del recipiente. A unas velocidades de calentamiento superiores a 30ºC por segundo, las diferencias de temperaturas pueden alcanzar más de 10ºC, y los gradientes más de 1.000ºC por centímetro. Las no-uniformidades se amplifican en las zonas de engrosamiento de la pared del recipiente, por ejemplo el cuello y el fondo de la botella. Es en estos sitios donde se puede producir un riesgo de que el procedimiento de esterilización sea incompleto.
Puesto que el calentamiento de las paredes tiene lugar prácticamente sólo por conducción térmica y por convección, las no-uniformidades del campo de las temperaturas se reducen intensificando los intercambios de calor por conductividad térmica y por convección, por un lado agitando el recipiente durante su calentamiento, y por otro lado sumergiendo el recipiente en un flujo de fluido (líquido o gas) exterior calentado a una temperatura igual o ligeramente superior (por ejemplo de 1 a 2ºC) a la prevista para el líquido en el interior del recipiente.
La velocidad relativa del flujo de fluido con relación a los recipientes determina la intensidad del flujo de calor del fluido hacia el recipiente y la diferencia local de las temperaturas entre el líquido y la pared del recipiente que lo contiene. Por ejemplo, sumergiendo unas botellas en PET de 1/2 litro llenas de té en un flujo de agua a 67ºC, calentándolas mediante microondas a razón de 28ºC por segundo de 20ºC a 65ºC (como media), para una velocidad de paso de las botellas en la estación de esterilización de 0,42 metros por segundo y a una velocidad de flujo de agua a 67ºC de 1,2 metro por segundo, se ha obtenido un campo uniforme de temperatura (+/- 0,5ºC) en casi un segundo.
Preferentemente, el flujo de fluido en el que se sumergen los recipientes se somete a turbulencia, lo que permite agitar simultáneamente los recipientes.
Ventajosamente, se puede utilizar la misma estación de esterilización para calentar el contenido de los recipientes y el flujo de líquido exterior.
Preferentemente, se aplica el campo eléctrico alternativo después de una pausa del orden de uno a dos segundos tras la etapa de calentamiento. Esta pausa sirve para uniformizar las temperaturas por conductividad térmica y por convección. En el procedimiento de esterilización según la invención, el calentamiento del líquido puede tener lugar simultáneamente con el impulso o los impulsos de campo eléctrico.
Es ventajoso espaciar la zona de acción del impulso térmico de la del impulso de campo eléctrico. Por ejemplo, se puede insertar una zona de tránsito entre las dos, en la que el campo eléctrico es nulo o despreciable y en la que el campo de temperatura está uniformizado en el volumen del líquido de manera que la diferencia de temperatura entre las partes centrales y periféricas del líquido no sobrepase un grado. El líquido a tratar atraviesa esta zona de tránsito durante la pausa mencionada anteriormente entre el calentamiento del líquido y la aplicación del campo eléctrico.
Otros objetivos y características ventajosos de la invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de las reivindicaciones y de la descripción detallada presentada a continuación, a título ilustrativo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
\ding{226} La figura 1 muestra un gráfico que ilustra la relación entre la temperatura de tratamiento y la amplitud del campo eléctrico según la invención;
\ding{226} La figura 2 muestra un gráfico que ilustra unos impulsos de campo eléctrico según la invención;
\ding{226} La figura 3 muestra un dispositivo para la realización de un procedimiento de esterilización según una forma de realización de la presente invención;
\ding{226} La figura 4a muestra un dispositivo distribuidor de campo eléctrico según un primer modo de realización; y
\ding{226} La figura 4b muestra un dispositivo distribuidor de campo eléctrico según un segundo modo de realización;
\newpage
\ding{226} La figura 5 muestra un dispositivo para la realización de un procedimiento de esterilización según otra forma de realización de la presente invención;
\ding{226} La figura 6a muestra una parte del conducto que comprende un dispositivo de juntas (el caso de botellas de sección no circular en este caso);
\ding{226} La figura 6b es una vista en sección según la línea A-A de la figura 6a; y
\ding{226} La figura 7 es una vista en sección de una parte de conducto de transporte de recipientes según una variante de la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento de esterilización según la presente invención comprende el calentamiento del líquido a tratar por un campo eléctrico que tiene una frecuencia superior a 1 MHz, a una velocidad superior a 28ºC por segundo, hasta una temperatura de tratamiento T que se sitúa entre 20ºC y 66ºC. Según el valor de la temperatura de tratamiento T, el líquido se expone a un campo eléctrico alternativo en impulsos inmediatamente o poco después del calentamiento del líquido, eligiéndose la amplitud E del campo eléctrico en V/cm de manera que se satisfaga la ecuación empírica:
3
para los valores:
4
en las que T es la temperatura de tratamiento en grados Celsius.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta relación se ilustra por el gráfico de la figura 1.
B(T) representa el límite superior de la amplitud del campo eléctrico razonablemente necesario para pasteurizar o esterilizar un líquido a base de agua en unas condiciones industriales de pasteurización de productos según la presente invención.
C(T) representa el límite inferior de la amplitud del campo eléctrico por debajo del cual no existe ninguna destrucción de todos los microorganismos típicos que representan un peligro para la calidad y la conservación del producto o para la salud del consumidor o del individuo.
A(T) representa el límite inferior de la amplitud del campo eléctrico por debajo del cual no tiene lugar, según la presente invención, la pasteurización de un producto a base de agua y que contiene los microorganismos típicos que representan un peligro para la calidad y la conservación del producto o para la salud del consumidor o del individuo.
\vskip1.000000\baselineskip
Por ejemplo, el valor del campo eléctrico necesario para pasteurizar un líquido según A(T) es:
5
Se observará que esta relación proporciona sólo una primera estimación, que puede ser precisada empíricamente en función de los microorganismos (de las células) a destruir y de las propiedades del líquido.
El aspecto del impulso del campo eléctrico alternativo se ilustra en la figura 2 en la que se indican los tiempos t_{1}, t_{2} y t_{3}.
La oscilación del campo eléctrico es preferentemente de forma esencial sinusoidal, pero puede ser de otra forma.
Las características y la forma de los impulsos de campo eléctrico alternativo están configuradas para maximizar la electroporación de las membranas de los microorganismos y reducir la generación de corriente eléctrica perdida en calor. Con este fin, el periodo t_{1} de una oscilación del campo eléctrico tiene preferentemente un valor
6
Por debajo de este tiempo, los microorganismos son insensibles a las oscilaciones del campo eléctrico.
Para una amplitud de campo eléctrico constante, cuanto más grande es t_{1} más intensas son las pérdidas de corriente debidas al calentamiento óhmico que acompaña el paso de la corriente eléctrica oscilante a través del medio calentado, a la vista de la resistividad eléctrica finita del medio. En el caso del calentamiento de contenedores en material plástico llenos de bebida por corrientes de alta frecuencia, con el fin de minimizar estas pérdidas, es muy ventajoso limitar la frecuencia a 100 KHz, es decir t_{1} a 10 \mus, preferentemente a 5 \mus.
Por lo tanto se tiene para t_{1} la condición limitativa:
7
El tiempo t_{2} de un impulso de campo eléctrico oscilante es más grande que el periodo t_{1} de una oscilación del campo eléctrico:
8
El valor superior de t_{2} se determina mediante el calentamiento total de las zonas de perturbaciones térmicas debidas al hecho de que la resistencia de los electrolitos -las bebidas son uno de esTos casos en particular- disminuye con el aumento de la temperatura. La corriente eléctrica, en este caso, se concentrará siempre en unas zonas más o menos cilíndricas a lo largo del vector de campo eléctrico. Estas zonas, más adelante, se contraen rápidamente, estimuladas por los efectos "pinch". La temperatura en estas zonas crece exponencialmente, lo cual conduce a unos calentamientos locales inaceptables, incluso a unas perforaciones.
Estas presiones conducen a la relación limitativa para t_{2}:
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9
\vskip1.000000\baselineskip
en la que c, dT, R y E son, respectivamente, el calor específico, la diferencia límite de temperatura, la resistividad del medio, y la amplitud del campo eléctrico.
Teniendo en cuenta el hecho experimental de que la resistividad eléctrica de un medio acuoso tal como una bebida no sobrepasa 10 Ohm.m y que c = 2 megajoules/m^{3}-grado, para dT < 5 grados y E = 1.000 kV/m, se tiene:
\vskip1.000000\baselineskip
10
\vskip1.000000\baselineskip
El tiempo t_{3} es el lapso de tiempo entre dos impulsos de campo eléctrico. Es preferentemente superior al tiempo de compensación de las perturbaciones de calentamiento óhmico por las pulsaciones de turbulencia hidrodinámica.
Si v es la velocidad característica de las inestabilidades hidrodinámicas y L es su amplitud, la condición de compensación es:
11
Para el caso de la pasteurización de botellas llenas de bebida y selladas, según la presente invención, se tiene L > 0,003 m y v < 1 m/s, dando como resultado t_{3} > 0,001 s.
El límite superior para t_{3} viene dado por la condición de obtener por lo menos un impulso por contenedor tratado. En este caso t_{3} < LL/vv, en la que LL es la dimensión característica del contenedor en el sentido de su movimiento a través del campo eléctrico, y vv su velocidad.
Para el caso típico de la pasteurización de botellas de 0,5 l, LL = 0,3 m y vv > 1 m/s, se tiene:
12
Si se trata un flujo de líquido, t_{3} < LLL / vvv, en la que LLL es la longitud de la zona de aplicación del campo eléctrico y vvv la velocidad de este flujo a través de esta zona.
Para el caso típico en el que LLL = 0,3 m y vvv > 1 m/s, se tiene:
13
En el procedimiento de esterilización según la invención, el calentamiento del líquido puede tener lugar simultáneamente con el impulso o los impulsos del campo eléctrico. En la práctica, es más ventajoso someter en primer lugar el líquido al impulso de calentamiento, y aplicar a continuación el impulso o los impulsos de campo eléctrico. Esta pausa es útil para uniformizar mejor el campo de temperatura en el líquido a esterilizar de manera que todas las zonas del líquido, incluidas las de las capas límites en las interfaces líquido-sólido del recipiente, adquieran esencialmente la misma temperatura antes de la aplicación del campo eléctrico.
Si x es el espesor característico de la capa límite (como máximo 0,3 mm), el tiempo de pausa tp es preferentemente superior a:
14
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en la que d, c y z son respectivamente la densidad, la capacidad térmica y la conductividad térmica del líquido a esterilizar. Para la mayoría de las aplicaciones, el tiempo de esta pausa no sobrepasa 1 ó 2 segundos.
Para algunas aplicaciones, es ventajoso espaciar la zona de acción del impulso térmico de la del impulso de campo eléctrico. Por ejemplo, se puede insertar una zona de tránsito entre las dos, en la que el campo eléctrico es nulo o despreciable y en la que el campo de temperatura está uniformizado en el volumen del líquido de manera que la diferencia de temperatura entre las partes centrales y periféricas del líquido no sobrepasa un grado. El líquido a tratar atraviesa esta zona de tránsito durante la pausa mencionada anteriormente, entre el calentamiento del líquido y la aplicación del campo eléctrico.
Las figuras 3 y 5, ilustran esquemáticamente unos dispositivos de realización del procedimiento según diferentes formas de realización de la presente invención.
El dispositivo 1 comprende un sistema de transporte 2 del líquido a tratar 3, una estación de calentamiento en volumen 4 del líquido a tratar y una estación de aplicación de un campo eléctrico en impulsos 5.
El sistema de transporte 2 comprende una estación de entrada 6, un conducto de transporte 7, y una estación de salida 8. Los recipientes pueden ser conducidos mediante una cinta transportadora estándar 33 y depositados sobre una cadena de cangilones (o cualquier otro mecanismo equivalente) en una parte de columna 7a del conducto 7.
El sistema de transporte puede comprender además un sistema de bombeo 9a, 9b, para la circulación del líquido de transporte 10 en el que están sumergidos unos recipientes herméticos 11 que contienen el líquido a tratar. El sistema de transporte puede comprender ventajosamente un circuito caliente 12a y un circuito frío 12b, cada uno provisto de un sistema de bombeo 9a, 9b y de recirculación del líquido de transporte. El circuito caliente transporta los recipientes a través de las estaciones de calentamiento y de aplicación del campo eléctrico y retorna el líquido de transporte mediante un conducto de retorno 13a al conducto de transporte 7, en la proximidad de la estación de entrada. El circuito frío 13b comprende asimismo un sistema de bombeo 9b y un conducto de retorno 13b que interconecta el conducto de transporte 7 entre una posición en la proximidad de la estación de salida 8 y una interfaz 14 que separa los circuitos caliente y frío.
La interfaz 14 comprende ventajosamente uno (o varios) dispositivo(s) de juntas 15 (véanse las figuras 6a y 6b) que comprende(n) una pluralidad de paredes flexibles o elásticas 15a yuxtapuestas en una sección del conducto 7, por ejemplo en caucho, que comprende unas aberturas 15b que coinciden con el perfil del recipiente a tratar. Así, los recipientes participan en la creación de la estanqueidad entre los circuitos frío y caliente. Unos dispositivos de juntas 15 pueden estar dispuestos asimismo en otros sitios a lo largo del conducto de transporte 7, por ejemplo corriente arriba de la estación de calentamiento 4.
Los circuitos frío y caliente pueden comprender además unos intercambiadores de calor 31, 32 sobre el conducto de retorno, para recuperar el calor del líquido de transporte y/o del líquido a tratar.
El circuito frío permite disminuir rápidamente la temperatura del líquido a tratar con el fin de conservar las propiedades del líquido y, llegado el caso, reducir los problemas de deformación de recipientes en material plástico.
La estación de calentamiento 4 comprende un sistema de generación de impulsos térmicos 35 alimentado por un generador de energía térmica 37. El generador térmico puede, por ejemplo, estar en forma de un generador de campo eléctrico de alta frecuencia que funciona a una frecuencia superior a 1 MHz o de un generador de microondas. La energía se transfiere del generador 37 al sistema 35 por medio de un cable coaxial o de una guía de ondas 16. Es posible prever varios generadores dispuestos de manera yuxtapuesta a lo largo del conducto de transporte 7.
La estación de aplicación de un campo eléctrico 5 comprende un distribuidor de impulsos de campo eléctrico oscilante bipolar 17 conectado a un generador de impulsos de campo eléctrico oscilante bipolar 18 por medio de un cable coaxial 19. Conviene subrayar que, tal como se ha evocado anteriormente, para unas temperaturas de tratamiento superiores a 64ºC, es posible librarse de la estación de aplicación de campo eléctrico.
Las estaciones de impulso térmico 4 y de aplicación del campo eléctrico 5 están separadas por una sección de tránsito del conducto térmicamente aislado 20 creando una pausa entre el tratamiento térmico y el tratamiento de impulsos eléctricos. Esta pausa permite ventajosamente uniformizar el campo de temperatura en el líquido a tratar y sobre las superficies de los cuerpos sólidos en su contacto.
En el ejemplo de realización de la figura 3, el líquido a esterilizar está contenido en unos recipientes 11 sumergidos en un líquido de transporte 10 que fluye en el conducto 7 para transportar los recipientes. Los recipientes pueden por ejemplo ser unas botellas de plástico, llenas por ejemplo de una bebida o de un alimento líquido.
Es posible asimismo transportar los recipientes que contienen el líquido a esterilizar a través de una estación de calentamiento y una estación de aplicación del campo eléctrico mediante unos medios distintos de un líquido en un conducto, por ejemplo mediante un flujo de gas a presión en un conducto (siendo la presión del gas seleccionada de manera que compense la presión en el interior del contenedor, lo cual permite evitar cualquier deformación del contenedor debida al calentamiento) o mediante un mecanismo de transporte mecánico tal como un sistema de cinta transportadora. Sin embargo, un sistema de transporte por fluido tiene la ventaja de permitir una buena uniformidad en la distribución de temperatura alrededor del recipiente durante su calentamiento y durante la pausa antes de la aplicación del campo eléctrico. El uso de un líquido de transporte que tiene unas propiedades dieléctricas similares a las del líquido a esterilizar permite ventajosamente dominar bien el calentamiento del líquido a esterilizar así como la aplicación del campo eléctrico local en el líquido a esterilizar.
Los recipientes, en material dieléctrico, pueden estar en cualquier forma de contenedores rígidos, tales como unas botellas de vidrio o de plástico (por ejemplo PET, o también otros polímeros).
Unos o varios dispositivos de agitación 21 se pueden añadir al sistema para agitar el líquido de transporte y los recipientes que se encuentran en el líquido de transporte. En una variante, el dispositivo de agitación comprende uno o varios chorros (boquillas) (no ilustrados) dispuesto(s) sobre la pared del conducto y que desembocan en el interior del conducto, para inyectar un fluido con el fin de crear unas turbulencias en el fluido de transporte que fluye en el conducto, uniformizando así el campo de temperatura en el líquido. Asimismo, unos recipientes transportados en el conducto pueden ser agitados o puestos en rotación, por ejemplo mediante un control de corrientes en vórtice en el líquido de transporte, con el fin de uniformizar el líquido a tratar en el interior de los recipientes. Unos dispositivos de agitación 21 pueden estar asimismo dispuestos en la parte de circuito frío 12b para acelerar el enfriamiento del líquido en el recipiente después del tratamiento de esterilización o de pasteurización.
Unas tuberías en material dieléctrico (cuarzo por ejemplo) 22 están montadas en el conducto de manera que aseguran el paso del campo eléctrico que sirve para el calentamiento del líquido en el interior del conducto.
Unos sensores de temperatura 23 están dispuestos a lo largo del conducto para medir la temperatura del líquido a la entrada de la estación de generación de impulsos térmicos, en la zona de calentamiento, a la salida de esta zona y a la salida de la sección de tránsito 20 del conducto.
Un sensor de campo eléctrico 24 está dispuesto en la zona de aplicación del campo eléctrico.
En una forma de realización del dispositivo, se prevé un mecanismo para asegurar una velocidad variable del desplazamiento de los cuerpos sólidos durante su paso en el conducto, por ejemplo cambiando la sección (diámetro) del conducto con el fin de variar la velocidad del flujo del líquido de transporte.
Un dispositivo distribuidor de campo eléctrico, según una primera variante, se representa en la figura 4a. En esta variante, el distribuidor comprende unos electrodos 25a, 25b dispuestos a ambos lados del conducto para asegurar el paso de impulsos de campo eléctrico alternativo de frecuencia comprendida entre 100 KHz y 1.000 KHz transversalmente a través del conducto 7 (de la figura 3), tal como se ha ilustrado mediante las líneas de campo 26.
En particular, el campo eléctrico pasa del electrodo superior 25a al electrodo inferior 25b, estando los dos electrodos montados en el interior de un tubo 27 (en cuarzo por ejemplo), herméticamente integrado en el conducto. La distancia "a" entre los electrodos se puede optimizar empíricamente de manera que asegure la mejor uniformidad posible del campo eléctrico transversal en el volumen de los contenedores 11. Si la distancia a es por ejemplo del orden de 4 cm, para obtener una amplitud de campo eléctrico efectivo de 1 a 3 kV/cm, se debe tener una diferencia de potencial entre los electrodos del orden de 400 a 1.200 kV.
La figura 4b ilustra un dispositivo de campo eléctrico según una segunda variante. En esta variante, los impulsos del campo eléctrico se crean mediante un sistema de inducción y las líneas de campo eléctrico 26' son esencialmente longitudinales. El conducto 7, lleno de agua como líquido de transporte 10 que transporta unos recipientes 11, tales como unas botellas que contienen un líquido a esterilizar, atraviesa un cuerpo del sistema de inducción 25. El dispositivo distribuidor de campo eléctrico está provisto de un núcleo 28 y de uno o varios arrollamientos primarios 29 conectados a una alimentación por unas conexiones 30a, 30b. La cantidad de arrollamientos primarios se puede determinar empíricamente, por ejemplo midiendo el campo eléctrico presente en el líquido de transporte.
En la forma de realización de la figura 3, los recipientes 11 están sumergidos a una profundidad H en una parte de columna 7a del conducto de transporte 7 lleno del líquido de transporte 10.
La columna de líquido de transporte ejerce una presión exterior que tiende a compensar la presión interior durante el calentamiento del líquido a tratar según la fórmula (2) que permite determinar la altura H de la columna que corresponde a la temperatura T > T_{1}.
15
en la que:
"H" es la altura de la columna de líquido en la que se sumergen los recipientes a tratar;
"d" es la densidad del líquido exterior;
"g" es la aceleración local de la gravedad;
"P_{0}" es la presión inicial del líquido compresible en el recipiente a su entrada en el dispositivo;
"V_{s}" es la diferencia entre las presiones de los vapores saturados del líquido incompresible a las temperaturas T_{2} y T_{1}. Para el agua, a T_{1} = 20ºC por ejemplo, la presión de los vapores saturados es muy baja y, prácticamente, V_{s} es igual a la presión de los vapores saturados del agua a temperatura T_{2}. Por ejemplo, si T_{2} = 65ºC, entonces V_{s} = 0,25 bares;
"C" es igual a (k x V_{v}) en la que k es el coeficiente de elasticidad volúmica del material del recipiente a la temperatura T_{2} y V_{v} es la deformación volúmica;
"V_{p}" es la variación de presión interior debida a la variación de saturación del líquido incompresible por el líquido compresible. V_{p} se mide en un recipiente no deformable (por ejemplo en vidrio) de igual forma y volumen que el recipiente tratado, como la diferencia de presión entre la presión manométrica real a la temperatura t_{2} y la presión P_{2} = P_{0} x (T_{2} / T_{1}). Para unas bebidas no saturadas de CO_{2}, tal como por ejemplo las aguas aromatizadas o la leche, V_{p} es próximo a cero. La compensación es total cuando C = 0.
\vskip1.000000\baselineskip
Se puede disminuir la profundidad H aumentando la densidad d del medio líquido exterior utilizado en el que se sumergen los recipientes. En particular, se pueden añadir a este líquido unos cuerpos sólidos de pequeña dimensión p (p debe ser muy inferior a la dimensión característica del recipiente), pero de densidad superior a la del líquido, por ejemplo en forma de polvo. Esta medición será eficaz sólo cuando la presión ejercida por los cuerpos sólidos sea igual en todas las direcciones. Se necesitará para ello que los cuerpos sólidos estén provistos de un movimiento caótico cuya velocidad media será superior a la raíz cuadrada de gp en la que:
"g" es la aceleración local de la gravedad
"p" es la dimensión de los cuerpos sólidos
y que su cantidad específica n (cantidad de cuerpo sólido por unidad de volumen) corresponda al aumento de densidad d prevista.
\vskip1.000000\baselineskip
Para satisfacer esta condición, se necesita que la fuerza de gravedad del cuerpo sólido de masa m, es decir mg, sea inferior a la fuerza F ejercida por este cuerpo sobre cualquier pared a consecuencia de su inercia. Si v es la velocidad de movimiento caótico, se puede obtener para F el orden de magnitud siguiente: F = m x (v / t), en la que t = d/v, entonces F = (mv^{2}) / d. Se necesita por lo tanto que F >> mg, y por lo tanto que v >> (g/d)^{(1/2)}.
Si se tratan unas botellas secuencialmente y en el sentido de la longitud, unas detrás de otras, un empujador 34 envía las botellas a la parte de conducto horizontal 7c.
Una vez remontados en la parte de columna de salida del conducto 7b, los recipientes pueden ser evacuados mediante un empujador u otro mecanismo sobre una cinta transportadora 33.
En la variante ilustrada en la figura 7, el conducto de transporte 7' está en forma de un tubo configurado para poder insertar unas botellas en el sentido de su longitud en la parte de entrada 7a' del conducto, y guiarlas así hasta la salida del conducto en la parte de circuito frío. Con este fin, el tubo comprende unos radios de curvatura suficientemente amplios para asegurar la transición entre las partes de conducto verticales y horizontales. La circulación del líquido de transporte en el sentido del movimiento de los recipientes facilita el desplazamiento de los recipientes a lo largo del conducto, no sólo debido a la presión ejercida en el sentido del movimiento, sino también debido a la portancia (fuerza de Arquímedes) y de la lubricación creadas por la presencia del líquido alrededor de los recipientes.
El fluido de transporte también puede sin embargo ser un gas a presión, separado del entorno del que proceden los recipientes por dos esclusas mecánicas o por dos esclusas en las que la presión varía de manera progresiva con el fin de compensar las diferentes presiones interior y exterior y eliminar así las deformaciones del contenedor, en particular durante el enfriamiento del líquido en los recipientes. En resumen, en este caso particular, las zonas de inmersión de altura H y de densidad d son sustituidas por unas esclusas que aseguran el paso de los recipientes del entorno del que proceden a una zona a presión, siendo esta presión P_{x} igual a la presión interior P_{i} que se desarrolla en el recipiente durante su calentamiento.
Haciendo referencia a la forma de realización de la figura 5, con el fin de compensar la presión desarrollada en el recipiente durante su calentamiento, se puede reducir la altura de la parte de columna vertical del conducto generando una presión en la parte de conducto 7c que atraviesa las estaciones de tratamiento 4, 5 y el circuito de enfriamiento, mediante unas bombas 36a, 36b que inyectan el gas o el líquido de transporte en dicha parte de conducto 7c. Unos dispositivos de juntas 15 tales como se han descrito anteriormente, están dispuestos a ambos lados de la sección de conducto 7c bajo presión.
Unos manómetros pueden estar dispuestos sobre todo el circuito para controlar la presión en el conducto, y se pueden prever asimismo unas válvulas de purga para eliminar el aire del sistema o para evacuar el líquido del conducto.
Unas esclusas mecánicas que permiten el paso de los recipientes y que separan una zona de líquido exterior al recipiente que está caliente de una zona en la que este líquido está frío, o cualquier otro sistema de esclusa o sistema clásico que sirve de barrera a la presión pero que permite el paso de los recipientes, pueden sustituir los dispositivos de juntas 15.
Ejemplos
Descontaminación de botellas selladas PET de 0,5 l y llenadas con zumo de naranja recientemente exprimido y contaminado con unos microorganismos "Byssochlamys nivea". El tratamiento ha sido llevado a cabo sobre un dispositivo del tipo ilustrado en la figura 3:
\ding{226}
Concentración inicial de los microorganismos: de 3,6 a 4,2.10^{5} unidades/ml;
\ding{226}
Cantidad de botellas tratadas para cada régimen: 10;
\ding{226}
Temperatura inicial: 20ºC;
\ding{226}
Duración de tratamiento: 3s (paso en el conducto horizontal);
\ding{226}
Calentamiento: microondas 1 GHz, potencia 180 kW (35ºC/s) y 45 kW (9ºC/s);
\ding{226}
Aplicación del campo eléctrico:
\sqbullet
Frecuencia de oscilación del campo eléctrico: 180 kHz;
\sqbullet
Duración de un paquete de oscilación: aproximadamente 0,02 ms;
\sqbullet
Frecuencia de los paquetes de oscilaciones: 15 Hz;
\sqbullet
t_{1} = 6 \mus, t_{2} = 20 \mus, t_{3} = 0,05s;
\sqbullet
Cantidad de impulsos: 12 para 180 kW y respectivamente 35 y 48 impulsos para 45 kW;
\ding{226}
Productividad, velocidad lineal de las botellas: 0,4 m/s para 180 kW y 0,1 m/s para 45 kW. Longitud de la zona de aplicación del campo: 0,3 m; duración de aplicación de los impulsos de campo eléctrico: 0,75 s.
Resultados
\vskip1.000000\baselineskip
16
\vskip1.000000\baselineskip
2. Descontaminación selectiva de botellas PET de 0,5 l, llenadas con zumo de manzana y contaminadas con unas levaduras Saccharomyces cerevisiae y unos mohos Aspergillus Niger. El tratamiento ha sido llevado a cabo sobre un dispositivo del tipo ilustrado en la figura 2:
\ding{226}
Concentración inicial Saccharomyces cerevisiae: 1,2-3,1.10^{5} unidades/ml;
\ding{226}
Concentración inicial Aspergillus niger: 1,5-4,2.10^{5} unidades/ml;
\ding{226}
Cantidad de botellas tratadas para cada régimen: 10;
\ding{226}
Temperatura inicial: 20ºC;
\ding{226}
Duración del tratamiento: 3s (paso en el conducto horizontal);
\ding{226}
Calentamiento: microondas 1 GHz, potencia 180 kW (35ºC/s) y 45 kW (9ºC/s);
\ding{226}
Aplicación del campo eléctrico:
\sqbullet
Frecuencia de oscilación del campo eléctrico: 180 kHz;
\sqbullet
Duración de un paquete de oscilaciones: aprox. 0,02 ms;
\sqbullet
Frecuencia de los paquetes de oscilaciones: 15 Hz;
\sqbullet
t_{1} = 6 \mus, t_{2} = 20 \mus, t_{3} = 0,05 s;
\sqbullet
Cantidad de impulsos: 12 para 180 kW y respectivamente 35 y 48 impulsos para 45 kW;
\ding{226}
Productividad, velocidad lineal de las botellas: 0,4 m/s para 180 kW y 0,1 m/s para 45 kW. Longitud de la zona de aplicación del campo: 0,3 m; duración de la aplicación de los impulsos de campo eléctrico: 0,75 s.
Resultados
17

Claims (22)

1. Procedimiento de esterilización o de pasteurización de un líquido a tratar contenido en unos recipientes herméticamente cerrados, que comprende el transporte de los recipientes a una zona de tratamiento en la que los recipientes son sumergidos en un flujo de fluido de transporte exterior, el calentamiento en volumen del líquido a tratar a una velocidad superior a 28ºC por segundo, hasta una temperatura de tratamiento T que se sitúa entre 20ºC y 66ºC, la agitación del recipiente durante el calentamiento del líquido, y según el valor de la temperatura de tratamiento T, la exposición del líquido a un campo eléctrico de tratamiento por electroporación inmediatamente o poco después del calentamiento del líquido, seleccionándose la amplitud E del campo eléctrico en V/cm de manera que satisfaga la ecuación:
18
para los valores:
19
en las que T es la temperatura de tratamiento en grados Celsius.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el campo eléctrico de tratamiento por electroporación es alternativo con una frecuencia de oscilación que se sitúa entre 100 kHz y 1.000 kHz, y está suministrado en impulsos.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la energía calorífica total aportada al líquido a tratar por dicho o dichos impulsos de campo eléctrico es inferior a 0,05 J/cm^{3}.
4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque la duración de la aplicación de un impulso del campo eléctrico está comprendida entre 10 y 100 microsegundos y la frecuencia de repetición de los impulsos de campo eléctrico se sitúa entre 10 y 100 Hz.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la aplicación del campo eléctrico de tratamiento por electroporación se lleva a cabo después de la etapa de calentamiento del líquido seguida de una pausa durante la cual el campo eléctrico es nulo o despreciable.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la velocidad de calentamiento es superior a 30ºC por segundo.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el fluido de transporte es agua o un líquido a base de agua.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el líquido de transporte está sometido a turbulencia en rotación alrededor de los recipientes.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las presiones estáticas desarrolladas en las zonas de tratamiento están creadas por unos sistemas de bombeo y de esclusas.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las presiones estáticas desarrolladas en la zona de tratamiento están creadas por unas columnas de líquido que constituyen el fluido exterior que domina la zona de tratamiento de los recipientes.
11. Dispositivo para la realización de un procedimiento de esterilización o de pasteurización de un líquido a tratar a base de agua o que contiene agua contenida en unos recipientes herméticamente cerrados, que comprende un sistema de transporte (2) del líquido a tratar (3), una estación de calentamiento en volumen (4) del líquido a tratar que comprende un generador de ondas que funciona a una frecuencia superior a 1 MHz y una estación de aplicación de un campo eléctrico en impulsos (5), comprendiendo el sistema de transporte un conducto de transporte (7, 7') en el que circula un flujo de fluido de transporte, y unos medios de agitación o de turbulización del fluido de transporte en la proximidad de la estación de calentamiento, estando el sistema de calentamiento configurado para calentar el líquido en los recipientes que atraviesan la estación de calentamiento a una temperatura de tratamiento T que se sitúa entre 20ºC y 66ºC a un índice superior a 28ºC por segundo, y estando la estación de aplicación de un campo eléctrico en impulsos (5) configurada para generar un campo eléctrico de tratamiento mediante electroporación inmediatamente o poco después del calentamiento del líquido, de amplitud E en V/cm de manera que se satisfaga la ecuación:
20
para los valores:
21
en las que T es la temperatura de tratamiento en grados Celsius.
12. Dispositivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque la estación de generación de campos eléctricos por impulsos está configurada para generar un campo eléctrico alternativo con una frecuencia de oscilación que se sitúa entre 100 kHz y 1.000 kHz en impulsos con una duración comprendida entre 10 y 100 microsegundos.
13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque el sistema de generación de campo eléctrico por impulsos está configurado para aportar una energía calorífica total inferior a 0,05 J/cm^{3} al líquido a tratar.
14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque el fluido de transporte es agua o un líquido a base de agua.
15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el sistema de transporte comprende una parte de circuito caliente y una parte de circuito frío, cada una provista de un sistema de bombeo y un circuito de retorno de fluido.
16. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el sistema de transporte comprende uno o varios dispositivos de juntas (15) en el conducto de transporte, comprendiendo los dispositivos de juntas una pluralidad de paredes flexibles yuxtapuestas que presentan unas aberturas que coinciden con la forma de los recipientes.
17. Dispositivo según la reivindicación 15, caracterizado porque la parte de circuito caliente y la parte de circuito frío están separadas por uno o varios de dichos dispositivos de juntas.
18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque el sistema de generación de impulsos de campo eléctrico comprende unos electrodos dispuestos a ambos lados de una sección de paso del conducto y son apropiados para generar un campo eléctrico transversal a esta sección.
19. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque el sistema de generación de impulsos de campo eléctrico comprende un inductor con uno o varios arrollamientos primarios dispuestos de manera toroidal alrededor de una sección de paso del conducto y apropiados para generar un campo eléctrico esencialmente longitudinal a esta sección.
20. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19, que comprende por lo menos un sensor de campo eléctrico en la zona de aplicación del campo eléctrico y unos sensores de temperatura a lo largo del conducto de transporte.
21. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 20, que comprende una columna de líquido de transporte que domina la zona de tratamiento de los recipientes y que tiene una altura destinada a generar una presión esencialmente igual a la presión máxima desarrollada en el interior de los recipientes durante el calentamiento del líquido a tratar.
22. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 20, que comprende unos dispositivos de juntas en el conducto a ambos lados de la estación de calentamiento, y un dispositivo de bombeo que crea una presión en una parte de conducto entre dichos dispositivos de junta esencialmente igual a la presión máxima desarrollada en el interior de los recipientes durante el calentamiento del líquido a tratar.
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