ES2347464T3 - Metodo para el calentamiento uniforme de productos. - Google Patents

Abstract

Método para el calentamiento uniforme de productos, en el que los productos se calientan en un tubo calentador por un campo alterno electromagnético, particularmente un campo de AF, por el que se calientan primeras zonas de los productos más intensamente que segundas zonas y en el que las primeras zonas se refrigeran al menos antes o durante el calentamiento en el campo alterno por medios y/o mediadas adicionales para la transmisión de calor y/o las segundas zonas se calientan por medios y/o medidas adicionales para la transmisión de calor, evacuándose sobrecalentamientos en el tubo calentador por la transmisión del calor en un portador térmico.

Description

Método para el calentamiento uniforme de productos.

Campo técnico de aplicación

La invención se refiere a un método para el calentamiento uniforme de productos, particularmente para la homogeneización del perfil de temperatura en productos alimenticios, farmacéuticos y/o cosméticos durante el calentamiento en un campo alterno electromagnético de alta frecuencia.

Los métodos de calentamiento se necesitan, entre otras cosas, para desinfectar y, de este modo, conservar alimentos o productos farmacéuticos. Son ejemplos la pasteurización o esterilización de alimentos como, por ejemplo, conservas en vasos o latas.

Estado de la técnica

Se conocen métodos para el calentamiento de productos mediante intercambiador de calor o autoclave de vapor. De este modo, se calienta, por ejemplo, leche durante la pasteurización en intercambiadores de calor de placas, se mantiene durante un tiempo definido a temperatura de pasteurización y, a continuación, se refrigera de nuevo. Este método está establecido y se ha demostrado eficaz desde hace tiempo para alimentos líquidos.

Las latas o vasos de conserva con verduras, frutas, platos preparados, cocidos o con contenidos similares se calientan casi exclusivamente en autoclaves y se conservan de este modo. Se introduce vapor caliente con temperaturas superiores a 120ºC a la autoclave. El vapor transmite la energía por condensación al lado externo de las latas. Desde ese lugar, se produce un calentamiento casi exclusivamente a través de conducción de calor, de manera que los productos han alcanzado solamente después de 30 a 60 minutos la temperatura final deseada en el centro de la conserva.

Algo comparable es válido en el calentamiento de artículos en trozos en sustancias matrices líquidas como, por ejemplo, de trozos de carne en salsas o de frutas en preparaciones de fruta o confituras. Estas suspensiones se tienen que calentar durante mucho tiempo, debido a que en el interior de los trozos de sólidos también se tiene que alcanzar la temperatura deseada y el calor se transmite por conducción de calor. Esto conduce a que el producto se tiene que calentar durante mucho tiempo y, de este modo, se producen empeoramientos masivos del sabor, del contenido de vitaminas, así como de la consistencia y el color de los productos. Debido a esto, los alimentos conservados en latas tienen solamente una inferior calidad de consumición y presentan modificaciones pronunciadas en comparación con el producto fresco inicial, por ejemplo, las frutas. A partir del documento US 4091119A se conoce un método similar.

Los productos que se tienen que calentar con el objetivo de la pasteurización, esterilización o por otros motivos son, entre otros:

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Sólidos y artículos en trozos en una fase líquida circundante (por ejemplo, pescado o carne en salsas, frutas en agua o zumos, mermelada con trozos de fruta, preparaciones de fruta para productos lácteos, líquidos con trozos de proteína, etc.),

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Alimentos, productos farmacéuticos y productos cosméticos envasados como líquido, sólido o suspensión en envases como blisteres, láminas, tubos, cubiertas de salchicha, intestinos, envases poliméricos y otros,

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Líquidos y pastas, salsas, cremas, espumas viscosos o pastosos y/o de contenido de sólidos y otros sistemas de varias fases que, debido a la composición heterogénea y/o contenidos de sólidos y/o gas, no se pueden calentar, o solamente de forma muy heterogénea, en intercambiadores de calor de placas o intercambiadores de calor de tubos convencionales,

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Sustancias que conducen a incrustaciones, depósitos, daños térmicos y similares en las superficies del intercambiador de calor sobrecalentados, así como

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Sustancias que son muy sensibles a la temperatura como, por ejemplo, productos farmacéuticos, disoluciones de infusión, alimentos médicos líquidos u otras sustancias, que se tienen que calentar de forma particularmente uniforme y con cuidado.

En la presente solicitud de patente, las sustancias y mezclas de sustancias que se han mencionado se denominan productos.

Un planteamiento para acortar el tiempo de calentamiento y, de este modo, la mejora de la calidad de los productos se representa por el calentamiento rápido, penetrante con campos alternos electromagnéticos. Además del calentamiento por microondas, cuya reducida profundidad de penetración de 5 a 20 mm no es suficiente para un calentamiento uniforme de los productos que se han mencionado, se ofrece con esta finalidad sobre todo el uso de un campo alterno de alta frecuencia (calentamiento de AF). Los calentadores de AF habituales consisten en dos electrodos que se disponen de forma paralela, a los que se aplica un campo alterno eléctrico con una frecuencia de, a modo de ejemplo, 27,14 MHz y una tensión de 2 a 10 kV. Estos campos son capaces de penetrar profundamente en los sólidos y suspensiones líquidos eléctricamente conductivos y calentar los mismos. En el caso ideal de un desarrollo totalmente uniforme del campo electromagnético, se pueden calentar sustancias uniformemente.

El objetivo del calentamiento de AF es un calentamiento rápido y uniforme y, de este modo, con cuidado, de sustancias sensibles a la temperatura, que no son accesibles, o solamente difícilmente, para un calentamiento convencional en intercambiadores de calor.

Un calentamiento de AF se selecciona en muchos casos para calentar productos uniformemente a través de todo el corte transversal, por ejemplo, con el objetivo de la pasteurización, esterilización o la preparación. Sin embargo, se muestra que en calentadores de AF, que configuran en aire un campo electromagnético homogéneo durante el funcionamiento con los productos que se han mencionado, se producen parcialmente extremas heterogeneidades del campo y la temperatura. Los productos se calientan de forma muy heterogénea, lo que anula la ventaja del calentamiento penetrante y puede conducir a daños considerables del producto.

De este modo, se muestran, por ejemplo, en el caso de sólidos envasados, particularmente en los bordes de los envases, en el lado externo y en sitios particularmente delgados de los productos temperaturas excesivas pronunciadas. Se pueden producir en estos sitios sobrecalentamientos y daños de los productos. En este caso, las zonas internas de los sólidos se calientan muchas veces solamente de forma insuficiente, a pesar de las temperaturas altas que dañan los productos de las zonas externas.

Los mismos efectos se pueden observar también con la utilización de tubos calentadores de AF, en los que se colocan electrodos en el exterior de un tubo no conductivo (por ejemplo, de vidrio de sílice). A través del tubo se pueden transportar para el calentamiento líquidos o suspensiones altamente viscosas, pastosas. En este caso, se muestran daños pronunciados sobre todo en las paredes del tubo. En este lugar, se producen sobrecalentamientos intensos. En el centro del tubo se consiguen solamente temperaturas insuficientes, a pesar de las altas temperaturas en la pared del tubo. De este modo, se producen problemas similares con heterogeneidades de la temperatura en el corte transversal del tubo y con la formación de depósitos en la pared del tubo como en el caso de intercambiadores de calor de tubos convencionales que se calientan desde el exterior.

Otra desventaja de un calentamiento no uniforme se da por la modificación de la conductividad eléctrica en los sitios mas calientes. Los sitios calientes presentan en muchos casos una conductividad eléctrica aumentada, por lo que se calientan en muchos casos todavía más rápidamente en el campo de AF. Este procedimiento puede conducir a la producción de denominados "puntos calientes", debido a que se calientan los sitios calientes de forma desproporcionada. De este modo, las heterogeneidades de la temperatura se potencian cada vez más.

A pesar de los ensayos para la homogeneización del campo eléctrico y la densidad de energía entre los electrodos por el ajuste de la geometría de los electrodos, no se consigue evitar sobrecalentamientos y heterogeneidades de la temperatura con los métodos conocidos de acuerdo con el estado de la técnica. Las temperaturas casi siempre están considerablemente elevadas en los lados externos de los productos, mientras que en sitios en el interior de los productos a menudo existen temperaturas considerablemente inferiores. Esto es válido particularmente para sólidos que se calientan, por ejemplo, de forma envasada en el campo de AF, y para líquidos y suspensiones de alta viscosidad en tubos calentadores de AF.

Por lo tanto, las desventajas de los calentadores de AF de acuerdo con el estado de la técnica se pueden resumir como a continuación:

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calentamiento no uniforme a través del corte transversal del producto o tubo;

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configuración de un campo de AF no uniforme, debido a que se calientan sitios calientes en el producto cada vez más rápidamente;

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daño térmico en algunos sitios de los productos, muchas veces en los lados externos.

El objetivo de la presente invención consiste en indicar un método, con el que se puedan calentar productos más uniformemente. Particularmente, se debe conseguir con el método una homogeneización de la distribución de la temperatura en los productos y, de este modo, reducirse o evitarse heterogeneidades de la temperatura.

Representación de la invención

Se resuelve el objetivo con el método de acuerdo con la reivindicación 1. Las configuraciones ventajosas del método son objeto de las reivindicaciones dependientes o se pueden obtener a partir de las siguientes descripciones.

En el método propuesto para el calentamiento uniforme de productos, se exponen los productos a un campo alterno electromagnético, preferiblemente un campo de AF. Por un campo de AF se debe entender en este caso un campo electromagnético en el intervalo de frecuencias de aproximadamente 10 kHz a aproximadamente 300 MHz, en el que se calientan los productos por calentamiento dieléctrico. Preferiblemente, se usan las frecuencias 13,5 MHz, 27,12 MHz o 40,68 MHz, que están liberadas para aplicaciones industriales. Sin embargo, generalmente también son adecuadas otras frecuencias para un calentamiento de AF. El método se distingue por que se refrigeran primeras zonas de los productos, que se calientan más intensamente por el campo alterno que segundas zonas, al menos antes o durante el calentamiento en el campo alterno por medios y/o medidas adicionales para la transmisión de calor y/o las segundas zonas se calientan por medios y/o medidas adicionales para la transmisión de calor.

Por lo tanto, en el método de acuerdo con la invención, se superpone al calentamiento de los productos en el campo alterno eléctrico una homogeneización de la temperatura, que se consigue por un transporte de calor dirigido adicional por convección o conducción de calor.

La homogeneización de la temperatura se consigue por un calentamiento adicional de los sitios más fríos de los productos y/o una refrigeración adicional de los sitios calientes de los productos. Este procedimiento se realiza en una configuración particularmente ventajosa de la invención directamente en el campo alterno, preferiblemente en un campo de AF, al que se refiere de forma ilustrativa en las siguientes descripciones.

El calentamiento y/o la refrigeración adicional de los productos se puede producir de diferentes
modos.

De acuerdo con la invención, se consigue una evacuación de los sobrecalentamientos en un tubo calentador, en el producto o de lados externos del producto o del envase por la transmisión del calor en un portador térmico adecuado. Este portador térmico puede ser, por ejemplo, aceite térmico, agua o similares, que fluye directamente alrededor del producto o que está separado del producto por superficies del intercambiador de calor o por el envase.

De ese modo, puede fluir agua desde el exterior alrededor de los productos o los productos envasados o los tubos calentadores. Esto se puede conseguir, por ejemplo, por la utilización de un tubo de doble cubierta como tubo calentador o por que los productos envasados se encuentran en un baño de agua o un flujo de agua fluye alrededor de los mismos. En este caso, el agua debe presentar una temperatura inferior o, como máximo, igual de alta que la temperatura máxima pretendida del producto. De este modo, se garantiza una evacuación de calor de zonas con una temperatura excesiva. Los sitios de contacto entre la pared del tubo o el envase del producto y el producto se refrigeran de este modo, se reduce la conductividad eléctrica del sitio del producto y se consigue una homogeneización de la temperatura. Los denominados puntos calientes y sobrecalentamientos locales se pueden evitar en estos sitios. Además de agua, se pueden utilizar naturalmente también otros medios adecuados como portador térmico.

En otra configuración del método de acuerdo con la invención, se utiliza para el transporte del calor un medio líquido o en forma de gas, que no se calienta o solamente de forma reducida en el campo de AF. Como líquido inerte en este sentido es adecuada particularmente agua destilada o desionizada. La misma casi no se calienta en un campo de AF. De este modo, se logra evacuar muy rápidamente calor directamente en la zona del campo de AF de zonas calientes del producto en un medio de refrigeración con una alta capacidad térmica, sin que el propio medio de refrigeración se caliente por el campo de AF.

En una configuración particularmente ventajosa de esta aplicación, se conduce un producto envasado a través de un baño de agua templado de forma definida, con agua desionizada o destilada. De este modo, se puede calentar un producto envasado que se debe calentar hasta, por ejemplo, 90ºC, en primer lugar a través de un baño de agua frío, que presenta una temperatura de, por ejemplo, 40ºC. Por esta medida se consigue que las zonas delgadas del producto y las zonas externas se refrigeren hasta valores significativamente inferiores a 90ºC, mientras que el producto en el baño de agua se somete al campo alterno eléctrico, particularmente a radiación de AF. En cambio, las zonas internas no se refrigeran, de manera que en total se puede conseguir un calentamiento uniforme hasta una temperatura de 90ºC. El producto se puede transportar después, cuando sea necesario, después de abandonar el campo de AF a un baño de agua que presenta una temperatura de 90ºC. En este lugar, se calientan después las zonas externas hasta la temperatura diana deseada y se mantienen en la misma. Por esta conducción del proceso, a pesar de un calentamiento rápido, se puede evitar que se produzcan en el producto temperaturas superiores a 90ºC.

También es posible y en muchos casos puede ser ventajoso introducir calor mediante medios de portador térmico en zonas más frías, por ejemplo, en el centro del tubo calentador. Con esta finalidad, se pueden introducir, por ejemplo, tubos de intercambiador de calor en el centro del tubo calentador, a través de los que fluye, por ejemplo, agua caliente. También por esta medida, se puede conseguir una homogeneización de la distribución de temperatura en el producto. También es adecuada la introducción de un material hacia el interior de los tubos o productos, que se calienta particularmente rápido en el campo de AF como, por ejemplo, metal. De este modo, se puede producir de forma dirigida calor en el centro del producto.

Otra posibilidad para evitar temperaturas excesivas consiste en el caso del calentamiento de productos con un porcentaje de líquido en la reducción de la presión del sistema hasta un valor en el que la temperatura de ebullición del porcentaje de líquido corresponde aproximadamente con la temperatura diana, hasta la que se debe calentar el producto. Si se aplica en un sistema acuoso una presión de, por ejemplo, 200 hPa (200 mbar), se reduce la temperatura de ebullición del agua hasta 60ºC. Si es necesario que la temperatura del producto no supere valores de, por ejemplo, 60ºC y la composición del producto lo permite, se pueden hacer evaporar de este modo de forma dirigida pequeños volúmenes del producto en zonas calientes del producto. Este vapor puede fluir después, de forma comparable con la cavitación de vapor en el calentamiento convencional en superficies calientes, hacia sitios del producto más fríos en el tubo calentador o en el envase. En ese lugar, se condensa el vapor directamente en los sitios del producto fríos y calienta los mismos de este modo. Por la condensación rápida, se evita que se reviente el envase o se aumente la presión en el tubo calentador. También por esta medida se superpone a un calentamiento por radiación una transmisión de calor por conducción de calor y convección y se consigue una homogeneización de temperatura.

Ejemplo de realización

Tubo calentador para suspensiones líquidas

Se transportaron 100 kg de una preparación de fruta consistiendo en fresas, azúcar y espesante a través de un tubo calentador de AF. Como tubo calentador se utilizó un tubo de vidrio de sílice, en el que están colocados en el exterior electrodos de aluminio, a los que se aplicó un campo de AF. En un primer ensayo, se bombeó la preparación de fruta a través del campo de AF. En el lado interno del tubo de vidrio de sílice se ajustó, debido a la alta viscosidad del producto y el tiempo de permanencia mas largo del producto que esto conlleva, una temperatura excesiva en comparación con el flujo central de 30ºK.

Para el calentamiento suficiente del producto en el flujo central se tuvo que ajustar la velocidad de transporte de tal manera que se produjo en el interior una temperatura de 70ºC. En la pared del tubo se consiguieron de este modo temperaturas superiores a 100ºC, lo que empeoraba considerablemente la calidad de la preparación de fruta.

En un segundo ensayo, que se ejecutó con el método presente, se utilizó un tubo de vidrio de sílice de doble cubierta. En el tubo interno se transportó de nuevo una preparación de fruta. A través de la cubierta externa, el agua destilada fluyó con 60ºC. Por el agua destilada se pudieron evacuar sobrecalentamientos de la pared del tubo de manera que el producto en el interior del tubo se calentó uniformemente hasta 70ºC y tampoco se calentaron más las partes del producto en la pared externa. Se consiguió una pasteurización uniforme.

Ejemplo de realización

Calentador para alimentos envasados

En la primera realización, el calentador consiste en dos electrodos de placa paralelos de 40 cm x 40 cm con una separación de 40 cm entre sí. Por la aplicación de una tensión de 10 kV y una frecuencia de 27,12 MHz en los electrodos se produce en el espacio de aire entre los electrodos un campo de alta frecuencia. Un vaso de conserva de 1000 ml se llenó con frutas en almíbar y se cerró con una tapa roscada. El vaso de conserva se introdujo en el campo de alta frecuencia y se calentó de 20ºC hasta 90ºC.

La velocidad de calentamiento de la mezcla de frutas fue reducida. Además, se produjeron en el fondo del vaso y en el resalte hasta el borde roscado temperaturas elevadas superiores a 100ºC.

En una segunda realización, el espacio entre los electrodos está rellenado con una cubeta octaédrica de agua, cuyas paredes y fondo están realizados a partir de materiales eléctricamente aislantes, por ejemplo, vidrio de borosilicato. La cubeta de agua se llenó con agua desionizada con una temperatura de 70ºC. La tensión de los electrodos fue 10 kV con una frecuencia de 27,12 MHz. Un vaso de conserva en la misma realización y con la misma carga como se ha descrito en la primera realización se introdujo en el baño de agua y se calentó de 20ºC hasta 90ºC en 120 segundos. La velocidad de calentamiento fue aproximadamente superior a un factor 100 en comparación con la primera realización del calentador. Los aumentos de temperatura en el fondo y en el resalte del vaso se pudieron mantener considerablemente más reducidos por el efecto refrigerante del baño de agua que en la primera realización del calentador.

El método en la segunda realización es adecuado en la misma media para productos en bolsas de lámina de plástico, en vasos de plástico y en cubos de plástico.

Claims (5)

1. Método para el calentamiento uniforme de productos, en el que los productos se calientan en un tubo calentador por un campo alterno electromagnético, particularmente un campo de AF, por el que se calientan primeras zonas de los productos más intensamente que segundas zonas y en el que las primeras zonas se refrigeran al menos antes o durante el calentamiento en el campo alterno por medios y/o mediadas adicionales para la transmisión de calor y/o las segundas zonas se calientan por medios y/o medidas adicionales para la transmisión de calor, evacuándose sobrecalentamientos en el tubo calentador por la transmisión del calor en un portador térmico.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el tubo calentador está configurado como tubo de cubierta doble con un volumen interno y un volumen externo y se introducen los productos en el volumen interno y a través del volumen externo fluye el portador térmico o los productos se introducen en el volumen externo y a través del volumen interno fluye el portador térmico.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que como portador térmico se utiliza un medio que no se calienta por el campo alterno o al menos de forma menos intensa que los productos.

4. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el portador térmico se templa.

5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que durante el calentamiento de productos con una proporción de líquido hasta una temperatura diana, particularmente de productos acuosos, se ajusta una presión, con la que la temperatura de ebullición de la proporción de líquido corresponde aproximadamente con la temperatura diana.