ES2938838T3 - Método y reactor de esterilización - Google Patents

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Abstract

Se describen un método y un dispositivo para tratar líquidos para reducir la cantidad de microorganismos en el líquido a un nivel preseleccionado y/o para mitigar el crecimiento de microorganismos. Utilizando el método o dispositivo, el producto líquido se rocía en una cavidad de un reactor usando una boquilla que produce un rociado plano para proporcionar medios para el calentamiento y tratamiento eficientes del líquido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y reactor de esterilización
Campo de la invención
La invención se refiere a sistemas para reducir una serie de microorganismos en un líquido; más particularmente, la invención se refiere a sistemas que usan un cambio en la presión y/o temperatura del líquido para matar o mitigar el crecimiento de microorganismos, tales como bacterias. El sistema se puede utilizar para productos o sustancias líquidos en cualquier industria, como la industria alimentaria o farmacológica.
Antecedentes de la invención
Existe un método conocido de tratamiento térmico de productos líquidos destinado a destruir o disminuir la cantidad de microorganismos dañinos (también denominados en el presente documento simplemente microorganismos) en el que los microorganismos se eliminan al mezclar un producto líquido con un medio de calentamiento (por ejemplo, vapor de agua estéril) calentando así el producto líquido y manteniéndolo a una temperatura que asegure la pasteurización o esterilización.
Un inconveniente de este método conocido es que el producto líquido se mezcla con agua cuando el vapor se condensa durante el proceso de enfriamiento del producto. Esto aumenta la masa del producto en promedio aproximadamente un 30% y, como resultado, es necesaria la eliminación del agua. La eliminación de agua generalmente requiere equipo, etapas de procesamiento, tiempo y gastos adicionales. Otro inconveniente de este método conocido es el posible deterioro de la calidad y el sabor del producto después de la pasteurización debido a la destrucción de las vitaminas y la coagulación de las proteínas debido a la temperatura a la que se eleva el producto.
Otro método conocido con características técnicas similares es aquel en el que el producto líquido se mezcla con un medio de calentamiento de vapor de condensación, y el producto líquido se calienta a una velocidad de aproximadamente 1400 °C/seg o más para la pasteurización y alrededor de 7600 °C/seg. o más para la esterilización a una temperatura que no supere la temperatura a la que tienen lugar cambios cualitativos en el producto líquido (dichos cambios cualitativos y temperaturas son conocidos por los expertos en la técnica). El producto se difunde en gotas preferentemente de no más de 0,3 mm de diámetro (este proceso se describe en la patente rusa n.° 2.052.967). Este método promueve un tratamiento térmico eficiente del producto líquido, elimina suficientemente los microorganismos y no afecta negativamente los aspectos cualitativos del producto líquido, porque aumenta la velocidad a la que se calienta el producto líquido y solo mantiene el producto a una temperatura alta durante una corta duración. El producto líquido se calienta solo a una temperatura inferior a la que no afecta los cambios cualitativos en el producto líquido. Este método se realiza en un dispositivo de pasteurización, que contiene un difusor de producto líquido, una cámara de pasteurización, una boquilla para vapor, un generador de vapor, una cámara de enfriamiento y una bomba de vacío. La solicitud de patente internacional n.° WO 00/56161 da a conocer un aparato y método de tratamiento térmico de un producto alimenticio fluido con vapor que incluye un recipiente a presión que tiene una entrada de vapor en un extremo y una salida de producto en el extremo opuesto. Se propone que un tabique interior que tenga un extremo abierto defina la cámara de introducción y tratamiento del producto e incluya un dispositivo de distribución de fluidos adaptado para proporcionar una pluralidad de pulverizaciones turbulentas discretas que impacten de manera turbulenta en la superficie interior del tabique para luego fluir hacia abajo hasta el extremo abierto de manera turbulenta mientras que el vapor fluye hacia arriba hacia un respiradero ubicado en la parte superior de la cámara de tratamiento. El flujo equilibrado de vapor se efectúa mediante deflectores perforados que se extienden entre la pared interior del recipiente y el tabique.
Una desventaja de este método es que no excluye la mezcla del producto con condensado de vapor, lo que puede afectar negativamente la estabilidad de las propiedades organolépticas y fisicoquímicas (como sabor, olor, color y consistencia) de tales productos líquidos, que incluyen, por ejemplo, jugos concentrados no congelados (“NFC”) y productos lácteos, y no garantiza la destrucción necesaria de microorganismos resistentes al calor.
Sumario de la invención
El propósito de la invención es crear un método y dispositivo de tratamiento de presión y/o temperatura de productos líquidos eficiente que promueva la estabilidad organoléptica y fisicoquímica de los productos líquidos. Se ha descubierto que proporcionar una corriente plana (o “pulverización plana”) de líquido entre superficies calentadas sustancialmente paralelas de una cavidad interior de un reactor aumenta la eficacia y el rendimiento del método y sistema de tratamiento, y los costes operativos generales se reducen en comparación con dispositivos y métodos relacionados.
Según la presente invención, se proporciona un reactor según la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.
La invención proporciona un método y dispositivo de tratamiento altamente eficientes y rentables sin cambios significativos en sus características organolépticas o fisicoquímicas.
Breve descripción de las figuras de dibujos
Las realizaciones a modo de ejemplo de la presente invención se describirán en relación con las figuras de dibujos adjuntas, en las que:
La figura 1 ilustra un reactor para tratar un líquido según realizaciones a modo de ejemplo de la divulgación;
la figura 2 ilustra una parte del reactor ilustrado en la figura 1;
la figura 3 ilustra una boquilla para su uso en el tratamiento de un líquido según realizaciones adicionales de la invención; y
la figura 4 ilustra un método de tratamiento de un líquido según realizaciones adicionales de la invención.
Se apreciará que las figuras no están necesariamente dibujadas a escala. Por ejemplo, las dimensiones de algunos de los elementos de las figuras pueden exagerarse con respecto a otros elementos para ayudar a mejorar la comprensión de las realizaciones ilustradas de la presente invención.
Descripción detallada de realizaciones preferidas
La descripción de realizaciones a modo de ejemplo de la presente invención que se proporciona a continuación es meramente a modo de ejemplo y está destinada únicamente a fines ilustrativos; la siguiente descripción no pretende limitar el alcance de la invención descrita en el presente documento.
Como se establece con más detalle a continuación, se puede usar un reactor y un método a modo de ejemplo para tratar un líquido, como una sustancia alimenticia, para pasteurizar, esterilizar o reducir de otro modo la cantidad de microorganismos en un líquido de una manera rentable y eficaz. El reactor y el proceso tienen un rendimiento relativamente alto en comparación con dispositivos y procesos de tratamiento similares, porque el dispositivo y el proceso descritos en el presente documento están configurados para calentar eficientemente una corriente plana de líquido. Al hacer que las paredes del reactor sean planas y crear una cavidad interior entre las mismas, se pueden formar muchas más cavidades interiores dentro de un volumen dado que con los reactores anteriores, que generalmente son grandes recipientes abiertos. Además, debido a que las superficies interiores del reactor son, de manera preferible, sustancialmente paralelas y preferiblemente se introduce entre las mismas una pulverización plana de líquido que va a tratarse, el calor de las superficies interiores calienta el líquido de manera más eficiente. Como ejemplo, si un reactor actual tiene un volumen del tamaño de una sala, numerosos reactores según los aspectos de la invención podrían caber en el mismo espacio y se podría tratar una cantidad significativamente mayor de líquido durante un periodo de tiempo determinado en la misma cantidad de espacio.
El reactor y el método descritos en el presente documento pueden usarse para tratar una variedad de líquidos y pueden ser particularmente adecuados para el tratamiento de sustancias alimenticias, tales como lácteos, jugos concentrados no congelados y similares. Como se usa en el presente documento, “corriente plana” o “pulverización plana” significa una pulverización que es sustancialmente plana. A modo de ejemplo, la pulverización puede ser sustancialmente plana en una primera dirección y el ángulo de la pulverización en una dirección perpendicular a la primera dirección puede ser de aproximadamente veinte grados o menos, de aproximadamente diez grados o menos, de aproximadamente cinco grados o menos o de aproximadamente dos grados o menos. La pulverización tiene preferiblemente un grosor de aproximadamente 5 mm a 30 mm.
La figura 1 ilustra un reactor 100 según realizaciones a modo de ejemplo de la divulgación. Como se muestra, las paredes, las superficies y la cavidad interior de esta realización están orientadas verticalmente. El reactor 100, como se muestra, incluye dos superficies 102, 104 paralelas calentadas, una fuente de calor y una boquilla 112. El reactor 100 puede incluir paredes adicionales, no ilustradas, para formar una cavidad 110 interior dentro del reactor. La cavidad interior puede sellarse herméticamente. El reactor 100 también puede incluir opcionalmente un depósito 116 para recoger el líquido. El reactor 100 puede incluir adicionalmente uno o más orificios para introducir vapor u otro fluido calentado, como aire, a la cavidad 110 interior. Opcionalmente, también puede incluir una fuente 114 de vacío, que es preferiblemente una bomba de vacío.
Durante el funcionamiento del reactor 100, se introduce líquido presurizado en una entrada del reactor 100, por ejemplo, cerca o en la parte superior del reactor 100, a través de la boquilla 112, y el líquido se proyecta hacia abajo como una pulverización plana entre las superficies 106, 108 interiores, respectivamente de las paredes 102, 104. Cuando el líquido entra en la cavidad 110 interior en la entrada 110A, el líquido experimenta un cambio rápido de presión y/o temperatura. El líquido se calienta preferiblemente a través de calor radiante procedente de las superficies 106, 108. Proporcionar una pulverización plana de líquido a la cavidad 110 interior permite un calentamiento rápido del líquido, lo que reduce o elimina la necesidad de añadir cualquier fluido calentado adicional, como aire o vapor, para calentar el líquido. Debido a que se requiere menos o ningún fluido adicional para calentar el líquido tratado, en comparación con otros sistemas que usan vapor, se requiere menos inversión de capital para tratar el líquido, porque se tendría que eliminar menos agua del líquido tratado si se calentara usando vapor.
Aunque no se ilustra, un sistema que incluye el reactor 100 puede incluir una fuente de calor opcional adicional, como un generador de vapor, una fuente de aire caliente, radiación infrarroja o cualquier otro método de calentamiento adecuado. Un sistema a modo de ejemplo que incluye una fuente de calor adicional y una cámara de enfriamiento se da a conocer en la patente estadounidense n.° 7.708.941, en la medida en que dicho contenido no entre en conflicto con la presente divulgación.
Haciendo referencia de nuevo a la figura 1, cada pared 102, 104 tiene una superficie 106, 108 interior, respectivamente. Una cavidad 110 interior entre las superficies 106, 108 interiores define al menos parte de una cavidad interior dentro del reactor 100. Las paredes que se calientan y/o las paredes que no se calientan pueden definir cualquier parte restante de la cavidad 110 interior. Las paredes se pueden acoplar entre sí usando cualquier técnica adecuada, tal como soldadura, o las paredes pueden formarse de manera solidaria. A modo de ejemplo, las paredes 102, 104 pueden tener unas dimensiones de 1200 mm x 1200 mm y la separación entre las paredes puede ser de aproximadamente 60 mm. Las paredes 102, 104 pueden estar formadas por cualquier material adecuado, como acero inoxidable, y tener cualquier dimensión o espacio adecuado entre las mismas.
En el ejemplo ilustrado, la pared 102 y la pared 104 son verticales y el líquido que va a tratarse se desplaza desde una entrada entre las paredes 102, 104 hacia abajo, hacia la parte inferior del reactor 100 y puede recogerse en el depósito 116. Debido a que el líquido preferiblemente se desplaza en una dirección sustancialmente vertical, tiende a permanecer en el centro de la cavidad interior y calentarse uniformemente.
En otra realización no ilustrada, las paredes pueden no ser paralelas, pero pueden tener la forma de una “V” invertida, estando más cerca en la parte superior donde se introduce la pulverización de líquido plana. Alternativamente, se podrían formar en forma de “V” estando más separados en la parte superior donde se introduce la pulverización de líquido plana.
Las superficies 106, 108 interiores de las paredes 102, 104 pueden calentarse a temperaturas iguales o diferentes usando una variedad de técnicas. Por ejemplo, las paredes 102, 104 se pueden calentar utilizando uno o más elementos de calentamiento, como los elementos 150 de calentamiento, que pueden ser revestimientos de calentamiento (por ejemplo, revestimientos de vapor u otro fluido calentado) alrededor de una o más partes exteriores o interiores de las paredes. Alternativamente, las paredes 102, 104 pueden calentarse utilizando calor eléctrico o haciendo pasar fluido caliente a través de una parte interior de las paredes. Según realizaciones a modo de ejemplo de la invención, las paredes 102, 104 se calientan a una temperatura de aproximadamente 10 °C-93,33 °C (150 °F-200 °F), aunque pueden calentarse a cualquier temperatura adecuada.
Aunque el reactor 100 se ilustra con dos paredes verticales paralelas, un reactor según la presente invención puede tener más de dos paredes y una pluralidad de cavidades interiores, estando una entre cada dos superficies de pared. Cada cavidad interior definida por dos superficies de pared puede tener una o más boquillas en la entrada de la cavidad, de modo que la corriente plana que sale de la una o más boquillas se proyecta sustancialmente en el centro de la cavidad interior, a la misma distancia de cada superficie de pared.
La boquilla 112 está ubicada en una entrada a la cavidad 110 interior. La boquilla 112 convierte una corriente de líquido entrante (por ejemplo, una corriente cilíndrica o cónica) que fluye en una primera dirección en una corriente plana que fluye en una segunda dirección. En el ejemplo ilustrado, la segunda dirección es perpendicular a la primera dirección. La figura 3 ilustra la boquilla 112 a modo de ejemplo con mayor detalle. La boquilla 112 incluye una entrada 302 en un primer extremo 304, un extremo 306 cónico en un extremo de un conducto 308 entre el primer extremo 302 y el extremo 306 cónico. La entrada 302 y el conducto 308 pueden tener un diámetro entre aproximadamente 1 y 3 mm. La boquilla 112 también incluye una estructura 310 interior que recibe líquido desde el conducto 308 o extremo 306 cónico (por ejemplo, en un patrón cilíndrico o cónico) y convierte el líquido en un patrón de pulverización plana, como se ilustra en la figura 2, que sale por el extremo 312 de la estructura 310 interior. El grosor de la pulverización plana que sale de la boquilla puede ser no superior a 5 mm, no superior a 10 mm, no superior a 20 mm o no superior a 30 mm.
La estructura 310 interior puede incluir, por ejemplo, una placa plana, que puede tener forma de disco. La estructura 310 interior incluye un borde 318 delantero distal al extremo 312. Según aspectos a modo de ejemplo de estas realizaciones, el cambio de presión desde el borde delantero al borde trasero es de al menos aproximadamente 105 Pa/seg a 1010 Pa/seg. El volumen de la boquilla 112 de salida de líquido puede encontrarse, por ejemplo, entre aproximadamente 500 l/h y 1000 l/h o más. La boquilla 112 puede estar formada por cualquier material adecuado, como acero inoxidable apto para uso alimentario.
La boquilla 112 se puede unir a una o más paredes 102, 104 utilizando cualquier técnica adecuada. A modo de ejemplo, la boquilla 112 puede incluir un anillo 314 de junta, un disco 316 de fijación y un mecanismo de sujeción, como un tornillo 318 para fijar la boquilla 112 a la pared 104. La boquilla 112 puede sujetarse, de modo que la pulverización procedente de la boquilla 112 se centre entre las superficies 106, 108, respectivamente, de las paredes 102 y 104, como se ilustra en las figuras 1 -2.
Según realizaciones a modo de ejemplo de la invención, la boquilla 112 está diseñada para crear gotas que tienen un diámetro que generalmente no supera los 0,3 mm (aunque es posible que algunas gotas excedan este diámetro incluso en la realización preferida). La velocidad de las gotas en el reactor puede ser de aproximadamente 10 m/seg o más, aunque esto puede variar según los parámetros de funcionamiento deseados.
La fuente 114 de vacío puede incluir cualquier bomba de vacío adecuada. La fuente 114 o bomba de vacío puede configurarse para mantener una presión en la cavidad 110 interior de cualquier cantidad adecuada, y preferiblemente desde menos de una atmósfera hasta aproximadamente 0,25 Pa. La presión en la cavidad 110 interior se selecciona para mantener un tiempo de caída de presión rápido para eliminar microorganismos cuando el líquido sale de la boquilla y entra en la cavidad interior.
La tasa de diferencia de presión a la que se somete el líquido puede variar ampliamente. Por ejemplo, la tasa de diferencia de presión puede ser de aproximadamente 105Pa/seg o más o de aproximadamente 109Pa/seg o más, o entre 105Pa/seg y 1010Pa/seg. Para proporcionar una diferencia de presión deseada, se puede presurizar la boquilla 112 de entrada de líquido.
La figura 4 ilustra un método 400 de tratamiento de un líquido según realizaciones adicionales de la invención. El método 400 incluye las etapas de proporcionar un reactor que tiene una cavidad entre dos paredes paralelas (etapa 402), calentar cada una de las dos paredes paralelas (etapa 406) e introducir una pulverización plana de líquido (por ejemplo, producto alimenticio líquido) en la cavidad (etapa 408). Aunque no se ilustra, el método 400 también puede incluir la creación de un vacío en la cavidad interior, el tratamiento del producto líquido con gases, componentes o sustancias químicamente activos, como uno o más gases químicamente activos que incluyen uno o más del grupo que consiste en oxígeno, cloro y flúor que eliminan bacterias.
La etapa 402 incluye la etapa de proporcionar un reactor que tiene al menos dos paredes paralelas. El reactor puede ser el reactor 100, como se ha descrito anteriormente, y puede incluir más de dos paredes paralelas.
En la etapa 406, se calientan las paredes paralelas del reactor. Como se indicó anteriormente, las paredes se pueden calentar, por ejemplo, usando uno o más revestimientos de calentamiento alrededor de una o más paredes exteriores o interiores, o se pueden calentar de cualquier otra manera adecuada, como haciendo pasar fluido caliente a través del interior.
Durante la etapa 408, se introduce una pulverización plana del líquido en la cavidad. El líquido puede entrar en la boquilla de aproximadamente 10 °C a aproximadamente 100 °C o de aproximadamente a 50 °C a aproximadamente 75 °C y el producto líquido puede difundirse en gotas que generalmente tienen un diámetro que no supera aproximadamente 0,3 mm (aunque es posible que algunas gotas superen este diámetro incluso en la realización preferida). El líquido también puede presurizarse en un primer extremo de la boquilla antes de entrar en la cavidad. La tasa de variación de la presión en combinación con el calor de las paredes es suficiente para eliminar microorganismos preseleccionados o reducir una cantidad de microorganismos a un nivel predeterminado, que a menudo es requerido por normativa gubernamental. La tasa de cambio de presión a la que se somete el líquido puede variar ampliamente, y las tasas preferidas de cambio de presión se mencionan anteriormente. La velocidad preferida de las gotas en la cavidad también se menciona anteriormente y varía según los parámetros de funcionamiento deseados.
Las etapas según el método pueden realizarse en cualquier orden adecuado para el producto final deseado.
El líquido se calienta a una temperatura que no da lugar a sus cambios cualitativos, siendo tales temperaturas propias de cada producto líquido y conocidas por el experto en la técnica.
Aunque no se ilustra, el método 400 puede incluir una etapa adicional de agregar fluido calentado, como aire o vapor, a la cavidad interior para calentar adicionalmente el líquido que se está tratando. Si se usa calentamiento además de las paredes calentadas, el líquido puede calentarse usando vapor de agua sobrecalentado o aire caliente. Adicional o alternativamente, si se aplica calor adicional al líquido, el líquido podría calentarse usando cualquier otro método adecuado, tal como luz infrarroja o frecuencia ultrasónica.
El líquido tratado junto con el vapor que se haya podido utilizar se puede enviar a una cámara de enfriamiento donde se puede eliminar el exceso de agua con la ayuda de un condensador y una bomba de vacío, que es conocida en la técnica, y el producto líquido se enfría hasta una temperatura deseada.
El uso de la invención permite una estabilidad microbiológica del producto líquido tratado al tiempo que conserva las propiedades cualitativas del producto líquido en sus niveles originales o cerca de los niveles originales. Esta es una característica importante para la producción industrial de productos líquidos como leche, jugos (como jugos reconstituidos o jugos NFC), néctares y otros productos.
Además, después del tratamiento utilizando un dispositivo y un método según la invención, el líquido tratado se puede tratar una segunda vez utilizando un método de esterilización o pasteurización habitual.
La presente invención se ha descrito anteriormente con referencia a una serie de realizaciones y ejemplos a modo de ejemplo. Debe apreciarse que las realizaciones particulares mostradas y descritas en el presente documento son ilustrativas de las realizaciones a modo de ejemplo de la invención. Se reconocerá que se pueden realizar cambios y modificaciones a las realizaciones descritas en el presente documento sin alejarse del alcance de la presente invención, que se define únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un reactor para reducir el número de patógenos en un líquido, comprendiendo el reactor:
(a) una cavidad interior;
(b) una entrada a la cavidad interior;
(c) dos paredes separadas, en el que cada una de las paredes separadas tiene una superficie interior y un espacio entre las superficies interiores, definiendo el espacio parte o la totalidad de la cavidad interior;
(d) uno o más elementos de calentamiento que calientan las superficies interiores de cada una de las paredes separadas; y
(e) una boquilla, teniendo la boquilla una entrada y una salida en la que entra el líquido en la cavidad interior, proyectando la boquilla una corriente plana del líquido en la cavidad interior.
2. El reactor según la reivindicación 1, en el que las superficies interiores de las paredes separadas son paralelas.
3. El reactor según la reivindicación 2, en el que las superficies interiores paralelas de las paredes separadas están orientadas verticalmente.
4. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la boquilla está centrada entre las superficies interiores de las dos paredes separadas.
5. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la entrada está en la parte superior del reactor y la boquilla proyecta la pulverización plana hacia abajo entre las superficies interiores.
6. El reactor según la reivindicación 1, en el que cada una de las superficies interiores tiene una primera posición adyacente a la entrada y una segunda posición opuesta a la primera posición y están más juntas en la primera posición que en la segunda posición.
7. El reactor según la reivindicación 1, en el que cada una de las superficies interiores tiene una primera posición adyacente a la entrada y una segunda posición opuesta a la primera posición y están más juntas en la segunda posición que en la primera posición.
8. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1 -7 que comprende además un depósito en la parte inferior del reactor para recoger el líquido.
9. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, en el que cada superficie interior se calienta entre 71,11 °C (160 °F) y 93,33 2C (200 °F).
10. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1 -9, en el que la temperatura de la cavidad interior está entre 48 °C y 82 °C, o 50 °C y 72 °C, o una temperatura por debajo de la temperatura de pasteurización del líquido.
11. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1 -10, en el que la presión del líquido cambia a una velocidad de entre 105 y 1010Pa/seg, o 109PA/seg o más, a medida que el líquido se mueve a través de la boquilla y hacia la cavidad interior.
12. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en el que el líquido se calienta antes de entrar en la boquilla.
13. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en el que cada boquilla comprende una entrada, una placa plana entre la entrada y la salida, entrando la placa plana para alterar una corriente cilíndrica o cónica de líquido por la entrada en una corriente plana de líquido que sale por la salida.
14. El reactor según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, 5-7 o 9-11; en el que la temperatura del líquido que entra en la boquilla es 10 °C a 20 °C menor que la temperatura del líquido que sale de la boquilla.
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