Simulación numérica de los perfiles de temperatura y velocidad durante la esterilización de alimentos líquidos envasados en frascos. Análisis de la orientación del frasco e influencia del espacio de cabeza

Abstract

La esterilización por calor es uno de los procesos más utilizados para extender el período de aptitud de alimentos y hacerlos más seguros para el consumo humano. Existe una amplia cantidad de trabajos sobre análisis y simulación de la transferencia de calor durante el tratamiento térmico de alimentos envasados, pero la mayoría de ellos sólo se aplicaron a modelos conductivos con condiciones de contorno constantes, dejando de lado el fenómeno convectivo sobre el cual existen muy pocos trabajos. En el presente trabajo se simularon los perfiles de temperatura y velocidad, durante el calentamiento por convección natural para un alimento líquido viscoso envasado en frasco de vidrio, con temperatura externa variable con el tiempo (característica de autoclaves de baja capacidad). Las ecuaciones de continuidad, conservación de momento y energía fueron resueltas numéricamente por el método de elementos finitos para un dominio de simulación 2D axisimétrico. Se emplearon las propiedades de carboximetil celulosa (0.85 % p/p) (simulante de alimentos líquidos de alta viscosidad), las cuales se asumieron constantes, excepto para la viscosidad (dependiente de la temperatura) y la densidad. Se analizó la influencia de la orientación del frasco (0 y 180°) y el espacio de cabeza (EC) (0 y 1 cm) en la velocidad del fluido, localización de la zona de calentamiento lento, espesor del líquido ascendente y tiempo de proceso. Se encontró que la velocidad de calentamiento para frascos con la tapa hacia arriba (0°) es menor con la presencia de espacio de cabeza; sin embargo, para los frascos con la tapa hacia abajo (180°) se observó una velocidad mayor debido a lo mismo. Esto concuerda con los valores de velocidad del fluido encontrados para dicha configuración. Esto último se debe a que el espacio de cabeza permite un mayor movimiento del líquido y a su vez la zona inferior se calienta más rápidamente que la superior generando una recirculación mayor del líquido que las restantes combinaciones. Por su parte, el espesor de líquido ascendente no depende de las dos variables analizadas (espacio de cabeza y orientación), pero es función del tiempo de proceso. Finalmente los tiempos de proceso necesarios para obtener un valor de letalidad de 3 minutos fueron los siguientes: 4260 s (180 °- con EC), 4374.6 s (180° - sin EC), 4470 segundos (0° - sin EC) y 4545 segundos (0° - con EC). Esto nos indica que el empleo de un mismo tiempo de esterilización para las diferentes configuraciones (de orientación y espacio de cabeza) puede producir, dependiendo del caso, sobrecocción o falta de inocuidad en el alimento.