ES2563679B1 - Procedimiento y sistema de control de esterilización de alimentos en un autoclave - Google Patents

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Andrés SOBRIDO TRONCOSO
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Borja Iván CASALES PORTELA
Ángel DACAL NIETO
Pedro Luis MARTÍNEZ GONÇALVES
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    • A23B2/003—Control or safety devices for sterilisation or pasteurisation systems

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Abstract

Procedimiento y sistema de control de la esterilización de alimentos en un autoclave. El procedimiento comprende:#- obtener periódicamente la temperatura en el punto frío (T{sub,frio}) del autoclave (1) durante el proceso de esterilización;#- calcular periódicamente la letalidad acumulada y el tiempo restante (t{sub,rest}) de esterilización para cumplir una determinada letalidad objetivo (F{sub,0});#- calcular, para un conjunto de temperaturas de consigna (T{sub,con}) del autoclave (1), unos valores de degradación de al menos un compuesto del alimento a esterilizar estimados tras el proceso de esterilización;#- seleccionar, en función de los valores de degradación estimados para las distintas temperaturas de consigna, una temperatura de consigna (T{sub,con}) con objeto de minimizar la degradación del alimento;#- aplicar al autoclave la temperatura de consigna (T{sub,con}) seleccionada.#El procedimiento permite realizar un control del proceso de esterilización en función de la letalidad y del deterioro de las propiedades organolépticas y nutricionales del producto, minimizando así la degradación del producto.

Description

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Procedimiento y sistema de control de esterilizacion de alimentos en un autoclave
DESCRIPCION
Campo de la invention
La presente invencion se engloba dentro del campo de los sistemas de control de autoclaves.
Antecedentes de la invencion
Un autoclave es una camara estanca en la que se aplican unas condiciones de temperatura y presion sobre una serie de elementos durante un determinado tiempo. Una de las aplicaciones de un autoclave es la esterilizacion de envases alimentarios (conservas y alimentos enlatados). El proceso de esterilizacion se puede llevar a cabo de diferentes formas: por vapor directo, por recirculation o por inundation. Asi, existen en la actualidad distintos tipos de autoclaves: de inundacion, de ducha estaticos y ducha en rotativo.
El proceso de esterilizacion en un autoclave se suele dividir normalmente en tres fases diferenciadas: fase de calentamiento, fase de esterilizado y fase de enfriado. En la fase de calentamiento el autoclave se calienta hasta alcanzar la temperatura de consigna. En la fase de esterilizado se mantiene la temperatura de consigna durante un tiempo de esterilizado suficiente para asegurar la elimination de los posibles microorganismos patogenos existentes en las conservas y alimentos enlatados. En la fase de enfriado se deja de aplicar la temperatura de consigna al autoclave y se comienza a introducir agua fria hasta que se enfria el producto a una temperatura determinada, normalmente ligeramente superior a la temperatura ambiente, entre 37°C y 43°C.
Las variables de presion y temperatura son controladas durante todo el ciclo por el sistema de control del autoclave, dependiendo de un programa de trabajo del autoclave. El control del proceso suele llevarse por un PLC que ejecuta un algoritmo de control para que el autoclave alcance unas determinadas condiciones teoricas conocidas y controladas de presion y temperatura, por medio del ajuste y utilization de las entradas y salidas del autoclave.
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El proceso de esterilizacion se basa principalmente en tres parametros interrelacionados: tiempo, temperatura y letalidad:
• Durante un tiempo determinado, y alcanzando una cierta temperatura, se alcanza una determinada letalidad.
• Durante un tiempo determinado, para una letalidad deseada, se necesita alcanzar una determinada temperatura.
• Para una temperatura determinada a alcanzar, y una letalidad deseada, se necesita un cierto tiempo de proceso.
Esto significa que:
• Para una temperatura, existen infinitas combinaciones tiempo-letalidad.
• Para un tiempo, existen infinitas combinaciones temperatura-letalidad.
• Para una letalidad, existen infinitas combinaciones tiempo-temperatura.
El proceso suele definirse con una temperatura alcanzable o conocida del autoclave y una letalidad F0 objetivo, que garantice la seguridad alimentaria a un determinado nivel normalmente legislado y, con ello, la destruccion de todos los microorganismos nocivos para el ser humano al termino de la esterilizacion del producto. Con estas variables, solo queda el tiempo como parametro a calcular de manera teorica y a aplicar en el proceso. Los calculos de letalidad se realizan teniendo en cuenta normalmente la bacteria Clostridium Botulinum, por ser la mas resistente. La temperatura de referencia empleada para el Clostridium Botulinum es de 121,1°C. Durante la esterilizacion el programa de control calcula la letalidad acumulada, y en funcion de la misma amplia o disminuye el tiempo restante de esterilizacion para cumplir con el objetivo de letalidad F0 marcado.
Sin embargo, los autoclaves son dispositivos complejos, con multitud de entradas y salidas tanto fisicas como logicas, y subsistemas independientes, que conjuntamente permiten realizar una operacion tan critica como una esterilizacion. Esta complejidad origina una serie de errores en los que las condiciones de esterilizacion no pueden ser predichas de una manera estatica, lo que causa que se pierda el control del proceso. Un ejemplo es que la caldera que aporta agua a una cierta temperatura no sea capaz de proporcionar la temperatura deseada en un determinado momento del proceso.
En estos casos, a pesar de que el control de proceso utiliza algoritmos PID que ajustan las entradas y salidas del autoclave para alcanzar la temperatura deseada ante una gran
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variabilidad de parametros, los calculos teoricos del tiempo de esterilizacion dejan de tener utilidad, al no ser mantenidas las condiciones teoricas. En este punto, la ejecucion de la esterilizacion utilizando el tiempo teorico inicial causaria la obtencion de una letalidad diferente debido a la variacion de las condiciones teoricas.
Asi pues, en caso de que la temperatura del proceso sea diferente a la teorica, aunque sea ligeramente, y el tiempo teorico no se modifique, la letalidad a obtener en el proceso variara inexorablemente. Esto es, en caso de una variation inesperada de la temperatura, sera necesario modificar el tiempo de esterilizacion para obtener la letalidad inicialmente planificada. Este tiempo debe ser comunicado al control del proceso, de modo que el proceso se ajuste dinamicamente.
El autoclave realiza calculos estaticos y dinamicos del tiempo de esterilizacion. El calculo estatico supone que el proceso se desarrolla ejecutando un calentamiento estandar, de modo que se supone que la carga pasa por una serie de temperaturas conocidas. En cierto modo, se realiza una prediction de que el proceso se producira de dicho modo. El calculo dinamico, por su parte, no realiza una prediccion, sino que simplemente suma el acumulado de letalidad alcanzado en cada momento del proceso. Por ello, este metodo es potente ante variaciones de temperatura, que es precisamente el escenario de errores de calentamiento. Un autoclave tiene por tanto la capacidad de predecir de manera teorica las variables de un proceso de esterilizacion, pero tambien puede adaptarse ante variaciones de las condiciones mediante un contador de letalidad proporcionada, entre otras cosas, por el analisis de la sensorizacion del autoclave.
Tambien hay que tener en cuenta que el autoclave es un dispositivo de gran tamano donde se esterilizan grandes cargas en cada proceso de esterilizacion. Las cargas son normalmente envases hermeticos esterilizables, envases plasticos, bolsas alummicas o.envases metalicos que se distribuyen en jaulas, intentando aprovechar la maxima cantidad de espacio, de modo que cada proceso sea lo mas rentable posible. Sin embargo, no todos los envases reciben la misma cantidad de temperatura, ni alcanzan las mismas temperaturas al mismo tiempo. Es importante recalcar que la prediccion teorica tampoco es plenamente efectiva con respecto a la composition y densidad de los productos a esterilizar, ya que muchos no son totalmente homogeneos (por ejemplo, una sopa o salsa), con lo que esterilizara de diferente forma.
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Esto ocasiona que, para una configuration de carga determinada, siempre existira un punto en el que la temperatura sea mas baja que en el resto del autoclave, el cual se denomina punto frio. Para cualquier calculo referente a la letalidad de la esterilizacion, y por consiguiente al tiempo de la misma, siempre se toma este punto frio como la referencia, ya que se considera el peor caso dentro del autoclave.
No obstante, si bien el punto frio tendra una determinada letalidad, el resto de puntos del autoclave siempre acumularan mas letalidad, debido a que su temperatura es mayor. Esta sobre-esterilizacion es una medida mas de seguridad en un proceso destinado a garantizar la salubridad de los productos alimentarios.
Con respecto al sistema de control automatico de autoclaves, el documento de patente WO0027227-A1 divulga un controlador para un esterilizador rotativo que permite manejar en tiempo real las desviaciones de temperatura producidas durante el proceso de esterilizacion. El controlador emplea un modelo de simulation por diferencias finitas para simular las variaciones temporales de la temperatura del punto frio cuando ocurre una desviacion de la temperatura.
Sin embargo, los procesos de esterilizacion en autoclaves conllevan una perdida de las cualidades nutricionales del producto a esterilizar. En primer lugar, esa perdida se origina por la sobre-esterilizacion en el resto de puntos del autoclave distintos al punto frio. Ademas hay que tener en cuenta que en los procesos actuales de esterilizacion en autoclaves, a pesar de paliar los contratiempos del proceso mediante un calculo dinamico de las variables tiempo-temperatura-letalidad, no todas las combinaciones tiempo-temperatura para alcanzar una letalidad son iguales, ya que cada una tiene un efecto diferente sobre la calidad del producto, y sobre la degradation de los compuestos presentes en la carga a esterilizar.
Por tanto, en los autoclaves actuales no se tiene en cuenta en ningun momento durante el proceso de esterilizacion las degradaciones nutricionales del producto alimentario derivadas de la propia esterilizacion, pudiendo ocurrir por ejemplo que para alcanzar la letalidad objetivo el producto se haya deteriorado al final del proceso de esterilizacion hasta un limite inaceptable.
La presente invention resuelve este problema, permitiendo realizar un control en el proceso de esterilizacion del autoclave en funcion no solo de la letalidad objetiva marcada, sino
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tambien en funcion del deterioro de las propiedades organolepticas y nutricionales del producto previstas antes y/o durante el proceso de esterilizacion, de forma que no se compromete la seguridad alimentaria del producto al final de la esterilizacion, minimizando de esta forma la degradation de los productos en el proceso de esterilizacion.
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La presente invencion se refiere a un autoclave inteligente que utiliza algoritmos para controlar el ciclo de esterilizacion de los productos. Integra en su sistema de control el
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metodo de Ball para el control del ciclo de esterilizado. Ademas, utiliza algoritmos para conocer las degradaciones sensoriales y nutricionales derivadas de la esterilizacion (en cuanto a degradation de vitaminas, y atributos organolepticos: textura, color, sabor, olor, etc.).
La presente invention permite un control de la esterilidad del producto sin comprometer la calidad del producto ante la caida de las variable del sistema (P, T), al tener en cuenta durante la esterilizacion las propiedades nutricionales y organolepticas del producto, de forma que no se compromete su seguridad alimentaria. El autoclave dispone de un sistema de control basado en redes neuronales que permite responder de forma eficiente ante desviaciones en el ciclo termico y controlar el deterioro de propiedades organolepticas y nutricionales durante el proceso de esterilizacion. De esta forma en el autoclave se realiza una gestion del tiempo de proceso de esterilizacion en base por una parte a una configuracion deseada, y por otra parte en base a la actividad real del proceso.
Un automata es el elemento encargado de llevar el control activo del autoclave, mientras que un sistema de control informatico registra datos recogidos en el autoclave y los procesa usando algoritmos inteligentes que se encargan de:
- Estimation del tiempo restante de proceso, teniendo en cuenta la letalidad acumulada y la temperatura instantanea.
- Estimacion de como se estan degradando diversos compuestos durante la esterilizacion, y como quedaran a termino si se aplica el tiempo restante estimado.
- Estimacion de como sera la calidad del producto al termino del proceso mediante red neuronal, teniendo en cuenta el tiempo estimado y la estimacion de degradacion realizada.
Para la realizacion de estas estimaciones, y a pesar de que el automata recoge decenas de datos del autoclave, el unico parametro recogido del autoclave que se utiliza es la temperatura en el punto frio. El resto de datos necesarios para la estimacion se encuentran almacenados en el sistema de control informatico tras haber sido configurados previamente (datos relativos a productos, alimentos, degradacion de compuestos, parametros espedficos de programa, autoclave, sensores, etc.).
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Para que el sistema de control informatico cambie el comportamiento del autoclave debe modificar algun registro del automata. El sistema de control informatico escribe en un registro del automata la estimation de tiempo restante del proceso. De este modo, dicha estimation se emplearia para alargar o acortar el proceso. El resto de information generada con los algoritmos inteligentes puede ser utilizada como apoyo a la toma de decisiones por parte de un tecnico, es decir, serviria como informacion para valorar si el proceso debe o no modificarse. Asi, el tecnico podria variar tambien la temperatura de consigna del autoclave para minimizar la degradation de ciertos compuestos.
Tambien se contempla que el sistema de control informatico modifique de manera automatica otros parametros del autoclave, como por ejemplo la temperatura de consigna del autoclave, teniendo en cuenta las estimaciones relativas a la degradacion y la calidad del producto. Asi por ejemplo, el sistema de control informatico puede determinar unos umbrales de degradacion de compuestos a partir de los cuales escribiria cierta informacion en el automata para modificar el proceso con el objetivo de conservar los compuestos en la cantidad deseada. Por ello, el sistema de control puede modificar no solo el tiempo de proceso, sino tambien la temperatura o los pasos a seguir en el ciclo de esterilizacion. De igual modo se puede realizar con la estimacion de la calidad, en caso de que la red neuronal prediga en algun momento que la calidad a alcanzar no sea la deseada.
Un primer aspecto de la presente invention se refiere a un procedimiento de control de la esterilizacion de alimentos en un autoclave. El procedimiento comprende:
- Obtener periodicamente la temperatura en el punto frio del autoclave durante el proceso de esterilizacion.
- Calcular periodicamente la letalidad acumulada y el tiempo restante de esterilizacion para cumplir una determinada letalidad objetivo.
- Calcular, para un conjunto de temperaturas de consigna del autoclave, unos valores de degradacion de al menos un compuesto del alimento a esterilizar estimados tras el proceso de esterilizacion.
- Seleccionar, en funcion de los valores de degradacion estimados para las distintas temperaturas de consigna, una temperatura de consigna con objeto de minimizar la degradacion del alimento.
- Aplicar al autoclave la temperatura de consigna seleccionada.
En una realization preferente el procedimiento comprende obtener diferentes propuestas de
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consigna segun la degradation, dichas propuestas de consigna incluyendo distintas temperaturas de consigna; mostrar en un interfaz de usuario las propuestas de consigna; y seleccionar a traves del interfaz de usuario la temperatura de consigna adecuada.
En otra realization preferente el procedimiento comprende iterar diferentes propuestas de temperatura de consigna y seleccionar de forma automatica la temperatura de consigna que minimiza la degradacion del alimento.
El procedimiento puede ademas comprender predecir, mediante un algoritmo de prediction basado en inteligencia artificial y para un conjunto de temperaturas de consigna del autoclave, la calidad del alimento tras el proceso de esterilizacion, donde los valores de degradacion estimados son variables de entrada del algoritmo de prediccion; donde la seleccion de la temperatura de consigna del autoclave se realiza tambien en funcion de la prediccion de calidad estimada para las distintas temperaturas de consigna. La prediccion de la calidad se puede en este caso realizar al iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion, o durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto frio.
De manera similar, el calculo de los valores de degradacion se puede realizar antes de iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion, o durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto frio.
Un segundo aspecto de la presente invention se refiere a un sistema de control de la esterilizacion de alimentos en un autoclave. El sistema comprende:
- Una sonda de temperatura para obtener periodicamente la temperatura en el punto frio del autoclave durante el proceso de esterilizacion.
- Un primer modulo encargado de calcular periodicamente la letalidad acumulada y el tiempo restante de esterilizacion para cumplir una determinada letalidad objetivo.
- Un segundo modulo encargado de calcular, para un conjunto de temperaturas de consigna del autoclave, unos valores de degradacion de al menos un compuesto del alimento a esterilizar estimados tras el proceso de esterilizacion.
El sistema esta configurado para obtener, en funcion de los valores de degradacion
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estimados para las distintas temperaturas de consigna, una temperatura de consigna con objeto de minimizar la degradation del alimento; y aplicar al autoclave la temperatura de consigna seleccionada.
El sistema puede comprender un tercer modulo encargado de obtener diferentes propuestas de consigna segun la degradacion, dichas propuestas de consigna incluyendo distintas temperaturas de consigna; y un interfaz de usuario para mostrar las propuestas de consigna y permitir la selection manual de la temperatura de consigna adecuada.
Alternativamente, el sistema puede comprender un tercer modulo encargado de iterar diferentes propuestas de temperatura de consigna y de seleccionar de forma automatica la temperatura de consigna que minimiza la degradacion del alimento.
El sistema preferiblemente comprende ademas un cuarto modulo encargado de predecir, mediante un algoritmo de prediction basado en inteligencia artificial y para un conjunto de temperaturas de consigna del autoclave, la calidad del alimento tras el proceso de esterilizacion, donde los valores de degradacion estimados son variables de entrada del algoritmo de prediccion; donde la seleccion de la temperatura de consigna del autoclave se realiza tambien en funcion de la prediccion de calidad estimada para las distintas temperaturas de consigna.
El cuarto modulo puede estar configurado para realizar la prediccion de la calidad al iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion, o alternativamente puede estar configurado para realizar la prediccion de la calidad durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto frio. El sistema puede comprender adicionalmente un modulo de entrenamiento de la red neuronal de prediccion de la calidad.
De manera similar, el segundo modulo puede estar configurado para realizar el calculo de los valores de degradacion antes de iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion; o puede estar configurado para realizar el calculo de los valores de degradacion durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto frio.
El sistema puede comprender un automata encargado de establecer en el autoclave la
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temperatura de consigna y el tiempo restante de esterilizacion; y un interfaz de comunicacion con el automata.
Breve description de los dibujos
A continuation se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invention y que se relacionan expresamente con una realization de dicha invencion que se presenta como un ejemplo no limitativo de esta.
La Figura 1 representa un diagrama del sistema de control del proceso de esterilizacion en un autoclave de acuerdo a una primera realizacion preferente de la presente invencion.
La Figura 2 muestra una recta de aproximacion de temperaturas para la prediction de tiempo restante realizada con el metodo de Ball.
La Figura 3 muestra una tabla con valores teoricos de degradation de compuestos.
La Figura 4 muestra una tabla con las cantidades de compuesto por alimento.
Las Figuras 5A-5E muestran diferentes graficas de prediccion de degradacion de
compuestos para una primera referencia.
Las Figuras 6A-6E muestran diferentes graficas de prediccion de degradacion de
compuestos para una segunda referencia.
Las Figuras 7A y 7B muestran, respectivamente, la conservation de compuestos para la primera y segunda referencia, en porcentaje.
La Figura 8 muestra, a modo de ejemplo, diferentes instancias de una base de conocimiento de la red neuronal de prediccion de la calidad del producto.
La Figura 9 representa un diagrama del sistema de control del proceso de esterilizacion en un autoclave de acuerdo a una segunda realizacion.
Descripcion detallada de la invencion
La Figura 1 muestra un diagrama esquematico del sistema de control del proceso de
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esterilizacion realizado en un autoclave 1, de acuerdo a una realization preferida de la presente invention. El autoclave 1 es controlado por un automata 2, el cual se encarga de establecer, entre otras variables, la temperatura de consigna Tcon del autoclave y el tiempo restante trest de esterilizacion.
El sistema de control dispone de un primer modulo 11 encargado del calculo del tiempo esterilizacion, un segundo modulo 12 encargado del calculo de la degradation de compuestos durante la esterilizacion, un tercer modulo 13 encargado de obtener las propuestas de consigna segun la degradacion y un cuarto modulo 14 de prediction de la calidad del producto mediante red neuronal.
Ademas, el sistema de control dispone de una interfaz de comunicacion 10 con el automata 2, para configurar al menos los parametros de temperatura de consigna Tcon del autoclave y tiempo restante trest de esterilizacion, y una interfaz de usuario 16 a traves de la cual el usuario puede interactuar con el sistema de control para, por ejemplo, monitorizar el proceso de esterilizacion, configurar diferentes parametros del proceso de esterilizacion (definition del autoclave y automata utilizados, definicion del producto a esterilizar, etc.) e incluso realizar un control manual del proceso de esterilizacion (e.g. cambio de la temperatura de consigna Tcon o del tiempo de esterilizacion trest).
El sistema de control tiene acceso a una base de datos 17 para obtener information relevante del autoclave 1, del producto a esterilizar y de sus compuestos, informacion que sera empleada por los distintos modulos. El sistema de control dispone de un modulo 18 de entrenamiento de la red neuronal de prediccion de la calidad (para el entrenamiento del cuarto modulo 14).
El primer modulo 11 del sistema de control realiza un calculo del tiempo de esterilizacion, lo cual incluye el calculo estatico y el calculo dinamico del tiempo. La gestion del tiempo de proceso de esterilizacion se realiza en base, por una parte, a una configuracion deseada, y por otra parte, en base a la actividad real del proceso. La gestion en base a una configuracion es una gestion estatica del tiempo de proceso, ya que supone unicamente una prediccion inicial en base a unos calculos teoricos, mientras que la gestion en base a la actividad del proceso es una gestion dinamica, ya que supone una actualizacion continua y en tiempo real del tiempo restante de esterilizacion, y se adapta a cada caso espedfico de esterilizacion en base a datos captados por sensores instalados en el autoclave 1.
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La gestion del tiempo de esterilizacion incluye un conjunto de calculos que llevan al sistema a conocer en todo momento el tiempo necesario para llegar a un determinado nivel de letalidad deseado dentro de unas condiciones previamente configuradas. Es decir, la sensorizacion del autoclave se analiza durante el proceso y los resultados se utilizan para la toma de decisiones, que redunda en la modification del proceso para llegar al resultado de letalidad deseado.
En la gestion estatica del tiempo de esterilizacion se realiza una prediction del tiempo asumiendo unas condiciones teoricas, utilizando el metodo de Ball. El metodo de Ball supone una simulation de lo que sera la esterilizacion, en base a un gran conjunto de parametros que modelan el comportamiento del autoclave y la carga durante el proceso. La simulacion calcula como se incrementa la temperatura en la carga mientras se llega a la letalidad objetivo, y con ello el tiempo que haria falta para conseguirlo.
Para el calculo del tiempo segun el metodo de Ball son precisos una serie de datos:
- fh: Se corresponde con la velocidad de calentamiento. Es el tiempo en minutos para
que la recta de penetration de calor atraviese un ciclo logaritmico. Esta expresado en minutos, y es un valor que difiere para cada referencia.
- jh: Es el factor lag de calentamiento, o tiempo de induction termica para una
referencia en concreto.
- CUT: Es el tiempo (en minutos) para que el autoclave llegue a la temperatura para la
que se ha programado. Segun el enunciado original del metodo de Ball, para los calculos solamente se suma el 42% del CUT. Esta es la principal causa de divergencias entre el metodo de Ball y el metodo general, que comienza a sumar el acumulado de letalidad desde el primer instante (y no desde el 58% del CUT, como hace el metodo de Ball).
- Temperatura inicial del producto: Expresada tanto en °C como en °F, dependiendo
del sistema, es la temperatura a la que se encuentra el producto antes de comenzar la esterilizacion.
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- F0: Es el valor de letalidad objetivo a alcanzar al termino de la esterilizacion.
- Z: Valor z para el Clostridium Botulinum, que en este caso es 18°F o 10°C. Los
calculos de letalidad se realizan teniendo en cuenta esta bacteria, por ser la mas resistente.
- Temperatura de referencia para el Clostridium Botulinum: Se utiliza 250°F o bien
121,1°C (su equivalencia en °C).
Con estos datos se realizan una serie de operaciones que desembocan en el tiempo necesario para la esterilizacion a una temperatura de referencia dada, para alcanzar una letalidad F0 objetivo: U=F0*10(Tref"Tprod)/z es el tiempo requerido para que, a la temperatura del dispositivo de tratamiento, se lleve a cabo la misma cantidad de destruction microbiana, equivalente al valor F del proceso.
Posteriormente se realiza la operation Log(fh/U). Si el resultado de fh/U es inferior a 0,6 se utiliza la siguiente ecuacion:
Log(g)=(0,71*(fh/U)-1)/(fh/U)
En caso contrario habria que realizar la siguiente operacion:
Log(g)= 0,042808*log(fh/U)5-0,35709* log(fh/U)4+1,1929* log(fh/U)3-2,1296* log(fh/U)2+2,4847* log(fh/U)-0,28274
Con el resultado de Log(g) se puede obtener la diferencia de temperatura que deberia haber entre el autoclave y el punto frio de la siguiente manera: g = 10Log (g). Este resultado sera en °F, que se transforma a °C dividiendo entre 1,8.
El siguiente calculo es Log (jh(T1-T0)), donde T1 es la temperatura de funcionamiento del autoclave y T0 es la temperatura de inicio del producto.
Para acabar con la ecuacion final, la que indica el tiempo de proceso, es necesario realizar la siguiente operacion:
Tiempo de Ball = fh*((Log (jh(T1-T0))-Log(g))
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Con esto se obtiene el tiempo del proceso segun Ball, a lo que hay que sumarle el 42% del CUT.
Por otro lado, en la gestion dinamica del tiempo de esterilizacion se realiza una suma del acumulado de letalidad, utilizando lo que se denomina tradicionalmente como metodo general. En el metodo general se emplean una serie de definiciones previas:
- Temperatura en el punto frio (Tfrio): Se obtiene mediante una sonda de temperatura 3 espedfica ubicada en dicho punto frio, el cual depende de cada configuration de carga. Aunque no es una practica frecuente disponer de dicha sonda por la complejidad de su utilizacion e instalacion, es un requisito imprescindible para proporcionar la capacidad de calculo necesaria para este metodo general.
- Temperatura de trabajo del autoclave: La temperatura de trabajo del autoclave durante la esterilizacion.
- Z: El parametro Z se corresponde con el numero de grados necesarios para reducir el parametro D del compuesto en cuestion en un ciclo logaritmico, lo cual significa dejar el parametro D en una decima parte. Generalmente se utiliza el parametro D de la bacteria Clostridium Botulinum, que es el causante del botulismo en las conservas y es el objetivo de la esterilizacion. En base a esto se utiliza como parametro Z=18°F o Z=10°C (siendo la transformation entre las escalas Celsius y Farenheit de 1.8).
Una vez se dispone de estos datos, se procede a calcular la letalidad instantanea con la siguiente formula:
L=10(T " Tref)/z
Este calculo permite obtener la letalidad para un instante de 1 minuto, la cual se acumulara a la conseguida en las sensorizaciones anteriores, sabiendo asi cuanto se ha esterilizado un producto. Visto de otro modo, la letalidad restante es la objetivo menos la acumulada:
F RESTANTE=F OBJ - LACUMULADA
Sabiendo este datos se obtiene la F restante, que se corresponde con los minutos que hacen falta para alcanzar el objetivo deseado a la temperatura de referencia para el
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Clostridium Botulinum, que en este caso es de 250°F o 121,1 °C, en la que se genera una letalidad de 1.
Para la letalidad que se esta generando actualmente en este instante a la temperatura que se registro en la sonda de temperatura 3, hay que dividir la F resultante entre la letalidad, obteniendo el resultado en minutos del tiempo que haria falta para que, con la letalidad actual, y sabiendo la L acumulada, se pueda llegar al F objetivo:
t = F restante/Lactual
Con ello se obtiene el tiempo teorico necesario para poder alcanzar la F objetivo y asi completar la esterilizacion. En caso que las condiciones teoricas se mantengan en el autoclave, los metodos dinamico y estatico daran un resultado muy parejo, casi equivalente.
Los algoritmos estatico y dinamico de calculo del tiempo de esterilizacion permiten conocer, desde ambos puntos de vista, el tiempo necesario para llegar a una determinada letalidad.
Una esterilizacion puede verse como un triangulo tiempo-temperatura-letalidad, donde fijando una de las variables (por ejemplo, marcar una letalidad objetivo) existen infinitas posibles combinaciones de las otras variables, tiempo y temperatura, para llegar a la letalidad objetivo. Pero no todas las combinaciones tiempo-temperatura para alcanzar una cierta letalidad son iguales, ya que cada combination tiene un efecto diferente sobre la calidad del producto y sobre la degradation de los compuestos presentes en la carga a esterilizar.
La esterilizacion de un alimento en un autoclave, a pesar de realizarse en un envase estanco, tiene consecuencias irreparables en el alimento a nivel bioquimico. La temperatura y presion a la que se ve sometido provoca que los distintos compuestos que lo forman se degraden, convirtiendose en nuevos compuestos que modifican las propiedades nutricionales, fisicas y quimicas.
La presente invention permite predecir y medir la degradacion para disenar el mejor programa de esterilizacion. Para ello, la bibliografia cientifica (de manera teorica) y los analisis desarrollados por los productores (de manera practica) proporcionan indices de degradacion de una serie de compuestos para una serie de alimentos, para unas
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temperaturas determinadas. Estas formulas de degradation se utilizan para permitir un mejor conocimiento del proceso de esterilizacion, ya no desde el punto de vista del tiempo de esterilizacion, sino desde el punto de vista de la degradacion de compuestos.
El objetivo es disponer de:
- un predictor de degradacion previo a la esterilizacion.
- un contador de degradacion al termino de la esterilizacion.
- un hibrido de contador + predictor durante la esterilizacion.
De este modo se conoce mejor el proceso, permitiendo la toma de decisiones en situaciones extremas. Un ejemplo es una perdida de temperatura en la caldera durante la esterilizacion. El tiempo de esterilizacion extra para llegar a la letalidad objetivo puede conocerse, pero actualmente se desconoce, en tiempo real, que efectos causara dicho tiempo extra en cuanto a degradacion de los alimentos. Los algoritmos descritos a continuation lo permitiran.
Para el calculo de la degradacion de los compuestos organicos del producto durante una esterilizacion, deben conocerse las temperaturas por las que ha pasado el envase, o predecir las temperaturas por las que pasara, en funcion de si se requiere un calculo a priori o a posteriori de la degradacion.
En el caso del calculo a priori, el tiempo se predice mediante el metodo de Ball. Este metodo, a diferencia del general, predice un tiempo en funcion de un calentamiento hipotetico. Ya que el metodo de Ball no proporciona una medida por cada unidad de tiempo (lo cual es necesario para el calculo de la degradacion), es necesario, mediante la recta de calentamiento de temperatura, calcular que temperatura tiene el envase (en el punto frio) para una serie de puntos intermedios que permiten calcular la degradacion.
Sabiendo la temperatura inicial del producto (Ta producto) y la temperatura de funcionamiento del autoclave, con ello se obtiene que la temperatura del envase (Ta) es:
Ta = ((Ta autoclave - Ta producto) / tiempo total) x tiempo + Ta producto
Con esta ecuacion de primer grado se obtiene una linea que simula bastante bien la trayectoria de la curva de calentamiento (ver ejemplo de la Figura 2), haciendo que el
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resultado entre la medicion de cada punto y la teoria no difieran mucho. Se ha comprobado una diferencia aproximada de entre el 1% y el 3%, lo que hace a la ecuacion de primer grado ideal para una prediction de cara a la degradation sin una carga excesiva de procesamiento.
Para el calculo de la degradacion, al igual que en los calculos del tiempo de esterilizacion, el calculo se realiza mediante la toma de valores por unidad de tiempo, aplicandose un factor de correction en caso de que se quisiera realizar mediciones en una escala mayor o menor que la que se usa normalmente, establecida en 1 minuto.
La formula utilizada para la supervivencia puntual de un compuesto es:
Nt = No x 10 -t/D
En la que Nt es la cantidad del componente que sobrevive a un periodo de tiempo t, N0 es la cantidad inicial del componente antes del tratamiento termico y D es el tiempo de reduction decimal para una Ta, el cual se ha de recalcular para adaptarlo a las diferentes temperaturas por la que pasa el producto, ya que no se comporta igual un componente a 55° como a 120°.
Para recalcular D a una cierta temperatura T se emplea la siguiente formula:
Dt = Dtref x 10 (Tref-T)/Zc
En la cual, Dtref es el tiempo de reduccion decimal que se tiene como referencia para ese componente en ese alimento, Tref es la temperatura a la que se calcula Dtref, T es la nueva Temperatura para la que se quiere calcular Dt y Zc es el numero de grados [° C, ° F] necesarios para lograr un cambio de diez veces de los valores de Dt.
Sumando las diferentes unidades supervivientes para cada minuto, se obtiene una cantidad degradada para toda la esterilizacion. Conociendo la cantidad inicial del componente en el alimento, se puede calcular el porcentaje degradado y, por consiguiente, el porcentaje salvado.
La diferencia entre la degradacion tomando como datos de temperatura los proporcionados por el metodo de Ball y el metodo general radica en la validez de las medidas obtenidas.
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Mientras el metodo de Ball (calculo a priori) proporciona una estimation, el metodo general (calculo a posteriori) aporta las medidas reales, siendo cada metodo util para momentos diferentes de la esterilizacion:
- Al inicio, utilizando Ball, se obtiene una degradation teorica con las temperaturas esperadas por Ball, y el tiempo restante de Ball.
- Durante la esterilizacion, y habiendo sumado la degradacion real, puede estimarse la degradacion restante mediante el tiempo estimado por el metodo general para alcanzar la letalidad objetivo, a la temperatura actual.
- Al termino de la esterilizacion puede calcularse la degradacion real por medio de la sensorizacion recogida durante todo el proceso de esterilizacion.
La Figura 3 muestra a modo de ejemplo una tabla con valores teoricos de degradacion de compuestos (vitamina A, vitamina B1, vitamina C, catalasa y clorofila) por alimento (zanahoria, espinacas y guisantes) [Tucker et al].
Para obtener las proporciones de las vitaminas por alimento se utilizan tablas de composition por alimento (
www.nutriguia.com/alimentos/) en las que se indica la cantidad de cada compuesto por alimento en escala de mg/100g, resultados que se han pasado a mg/g y posteriormente se ha multiplicado por la cantidad inicial de cada alimento para saber la cantidad inicial de cada componente. La Figura 4 muestra una tabla con las cantidades de compuesto (vitaminas A, B1, C) por alimentos del ejemplo de la Figura 3.
A continuation se presenta un ejemplo de prediction de degradacion de compuestos utilizando el metodo de Ball para un rango de temperaturas del autoclave y para una primera referencia. Para las pruebas con esta primera referencia se han usado los siguientes datos:
fh = 149,94887 min. jh = 1,94059 Fo = 6,5
Taautoclave = Es la temperatura del rango, entre 105°C y 130°C CUT = 23 min.
Z = 10°C
T inicialProducto = 55.64 C
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Los alimentos que se han usado son la zanahoria y los guisantes, que existen en una proporcion de un 5% en una lata de albondigas tomada como referencia, lo que hace que haya 21,5 g por lata.
Las concentraciones de los compuestos para este supuesto son los siguientes:
• Vitamina B1 en Guisantes = 0.074375mg
• Vitamina B1 en Zanahoria = 0.01.625mg
• Vitamina C en guisantes = 5.7375mg
• Vitamina A en Zanahoria = 0.1581 mg
Teniendo estos valores y realizando los calculos anteriormente detallados, se obtuvieron las siguientes graficas para la primera referencia:
- Grafica tiempo-temperatura (Figura 5A): En esta grafica se comprueba que cuanta mas temperatura se introduce, menos tiempo es necesario para alcanzar la letalidad objetivo de 6.5.
- Grafica de la cantidad resultante de vitamina B1 dependiendo de la temperatura del autoclave (Figura 5B): En esta grafica se presenta, para una serie de programas simulados de los cuales simplemente se indica su temperatura en el eje x, el valor de vitamina B1 restante para cada uno de los programas (eje y, en mg). Se aprecia que existe un optimo alrededor de 112°C en el que se maximiza la cantidad de B1 conservada. A temperaturas muy altas el compuesto se degrada en exceso.
- Graficas de la cantidad resultante de vitamina A (Figura 5C), vitamina C (Figura 5D) y de la clorofila en % (Figura 5E) dependiendo de la temperatura: En estas tres graficas se indica el mismo comportamiento para vitamina A, vitamina C y clorofila para los mismos programas, comprobandose que para cada uno de ellos se reproduce una degradation diferente debido a los indices propios de cada componente, su presencia en los alimentos de la referencia, y las cantidades de los alimentos en dicha referencia.
Para verificar el exito del uso de la recta en la prediction de las temperaturas por las que posteriormente pasa el programa, los resultados finales se verifican con una temperatura determinada utilizada en los datos conocidos de una prueba real en un autoclave:
• La vitamina B1 en los guisantes se mantiene en un 57.73% en el calculo del metodo general, mientras que en la recta teorica el resultado es de un 56,252%.
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• La vitamina A en la zanahoria se mantiene un 42.44% con el metodo general, mientras que la recta teorica indica un 39.759%.
• La vitamina B1 en la zanahoria se mantiene un 81,15% en el metodo general, mientras que en la recta teorica se mantiene un 79,279%
• La vitamina C en los guisantes se mantiene en un 94,78% en el metodo general, mientras que en la recta teorica se mantiene en un 93,83%
A continuation se realiza otro ejemplo de prediction de degradation de compuestos utilizando el metodo de Ball para un rango de temperaturas del autoclave y para una segunda referencia. Para las pruebas con esta segunda referencia se han usado los siguientes datos:
fh= 166,6666667min. jh= 1,978206679 F0 =6,5
Taautoclave= Es la temperatura del rango, entre 105°C y 130°C CUT = 23 min.
Z=10°C
T inicialProducto=55.64 C
Los alimentos que se han utilizado son la zanahoria, espinacas y guisantes que existen en una proportion ficticia en una lata de comida, lo que hace que haya 35,0 g por lata de espinacas y zanahorias y 27,0 g de guisantes.
Las concentraciones de los compuestos para este supuesto son los siguientes:
• Vitamina B1 en Guisantes = 0,0945 mg
• Vitamina B1 en Zanahoria = 0,0175 mg
• Vitamina B1 en Espinaca = 0,028 mg
• Vitamina C en Guisantes = 7,29 mg
• Vitamina C en Espinacas = 10,5 mg
• Vitamina A en Zanahoria = 0,259 mg
Con estos valores se obtuvieron las siguientes graficas para la segunda referencia:
- Grafica tiempo-temperatura (Figura 6A).
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- Graficas de la cantidad resultante de vitamina B1 (Figura 6B), A (Figura 6C), vitamina C (Figura 6D) y de la clorofila en % (Figura 6E) dependiendo de la temperatura. En estos resultados se ha obviado la catalasa porque su valor siempre da 0, ya que es muy poco resistente a la temperatura.
Para ambas referencias se han generado graficas globales de degradation (Figura 7A para la primera referencia y Figura 7B para la segunda referencia), que permitan visualizar todos los compuestos al mismo tiempo, de modo que sea mas sencillo escoger el programa mas adecuado (esto es, la temperatura de autoclave) en funcion de los compuestos objetivo a maximizar. En este caso, y para permitir unos resultados coherentes, todos los compuestos se indican en porcentaje conservado, el lugar de mg. conservados. En dichas figuras se aprecia que la degradacion de compuestos global para la segunda referencia es mas caotica que en la primera referencia.
Antes de iniciar el proceso de esterilizacion, el tecnico encargado de seleccionar el programa del autoclave es capaz de obtener la prediccion de degradacion de los compuestos del producto o referencia a esterilizar para distintos programas y, una vez obtenida, evaluar cual es el programa del autoclave optimo para minimizar la degradacion de los compuestos. Para ello el usuario debe seleccionar, mediante el interfaz de usuario 16:
- Una referencia concreta precargada en el sistema. La referencia consta de alimentos, dichos alimentos de compuestos, y dichos compuestos de un mdice de degradacion a ciertas temperaturas. Toda esta information (referencias disponibles, alimentos incluidos en cada referencia, compuestos incluidos en cada alimento, mdice de degradacion de los compuestos a ciertas temperaturas) se puede obtener accediendo a la base de datos 17, donde esta almacenada.
- Un F0 objetivo en la esterilizacion.
- Un rango de temperaturas a simular (temperatura inicial, final e intervalo).
Para cada combination F0-Temperatura, el primer modulo 11 calcula el tiempo de Ball correspondiente. Teniendo en cuenta dicho tiempo, y los compuestos presentes en la referencia seleccionada, el segundo modulo 12 calcula cuanto se degradaran, para cada programa, cada uno de los compuestos.
El tercer modulo 13 obtiene las propuestas de consigna segun la degradacion. Para facilitar al usuario la visualization de las diferentes propuestas de consigna, el tercer modulo 13
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presenta en el interfaz de usuario 16 una tabla ordenable por columnas, presentable por porcentaje conservado o por miligramos conservados, indicando el maximo y el mmimo de cada compuesto, y resaltando aquel programa que mas ha conservado dicho compuesto. Por otra parte tambien se habilita la visualization en el interfaz de usuario 16 de una serie de graficas globales y por compuesto para facilitar al tecnico el analisis de los datos, de modo que sea facilmente observable determinar que programa es el mas adecuado para maximizar un determinado compuesto.
El tecnico encargado de seleccionar el programa del autoclave (bien antes de empezar la esterilizacion o durante el propio proceso de esterilizacion), es capaz de evaluar toda la information visualizada en el interfaz de usuario 16 para determinar el programa del autoclave optimo (por ejemplo, fijar la temperatura de consigna Tcon del autoclave) que produzca una degradation menos agresiva en los alimentos de la referencia a esterilizar. Asi, el tecnico puede seleccionar un programa concreto al inicio de la esterilizacion, en base a las predicciones de degradacion mostradas. Pero tambien puede modificar el programa del autoclave durante el proceso de esterilizacion, en funcion de la evolucion de la degradacion de compuestos que se haya producido (lo cual se evaluara en funcion de los registros de la temperatura en el punto de frio Tfrio) y de la degradacion estimada para el tiempo restante.
Por otro lado, el cuarto modulo 14 permite obtener una prediction de la calidad del producto utilizando una red neuronal. Este modulo aporta informacion valiosa que da soporte al tecnico durante la esterilizacion para la toma de decisiones de selection del programa del autoclave.
Durante la esterilizacion se registra periodicamente la sensorizacion del autoclave (temperatura en el punto frio Tfrio segun las medidas de la sonda de temperatura 3), y los modulos realizan diferentes tareas cada vez que se recibe dichos datos:
- En cuanto al tiempo restante de esterilizacion, se conoce el F0 objetivo a alcanzar, por lo que es posible calcular el F0 acumulado por medio de la lectura de la temperatura en el punto frio Tfrio. Por tanto, el primer modulo 11 calcula el F0 restante y estima, en funcion de la temperatura instantanea, el tiempo restante recomendado para finalizar el proceso.
- En cuanto a la degradacion, se conoce una degradacion objetivo para varios compuestos (esto es, la degradacion esperada para un determinado compuesto como
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resultado de la simulation del programa a priori) y como estos se degradan en funcion de la temperatura (valores almacenados en la base de datos 17). Por ello, el segundo modulo 12 calcula el acumulado de degradation, y teniendo en cuenta el tiempo restante recien recomendado se predice como se degradarian a la temperatura instantanea durante dicho tiempo recomendado, es decir, su estado final tras la esterilizacion.
- En cuanto a la calidad del producto, se define calidad como un unico mdice de calidad organoleptica obtenido mediante una media ponderada de las distintas valoraciones realizadas en catas organolepticas, puntuando (por ejemplo, de 1 a 10, de 1 a 5, de muy malo a muy bueno, etc.) distintos atributos como color, aroma, sabor y textura. En cada caso, y dependiendo del tipo de producto se le dara mas peso/valor a un determinado atributo (por ejemplo en un pate 30% a la textura, 20% al color y 50% al sabor). El cuarto modulo 14 predice periodicamente tras cada lectura de temperatura en el punto frio Tfrio que calidad se obtendra al termino de la esterilizacion, por medio de una prediction basada en reconocimiento de patrones supervisado por inteligencia artificial, cuya entrada son los valores de degradacion finales calculados en cada momento.
Con estos datos, el tecnico del proceso tiene datos durante el proceso para valorar las acciones a realizar, especialmente el como reaccionar a una desviacion de proceso, por medio de la variation en los parametros de esterilizacion, o valorar que merece la pena descartar la carga, en caso de que no cumple un determinado nivel mmimo de calidad.
Un sistema de prediccion basado en reconocimiento de patrones permite, a partir de una base de conocimiento formada por datos representativos, realizar predicciones sobre nuevos casos, mediante la comparacion con los datos de la base de conocimiento.
El objetivo que se persigue con la creation de una base de conocimiento es la realization de mineria de datos sobre un conjunto de datos conocido para extraer information, y finalmente alimentar a algoritmos de inteligencia artificial (clasificador / predictor), por ejemplo una red neuronal. Para ello, la base de conocimiento recoge conocimiento representativo mediante un conjunto de caracteristicas. Las ocurrencias o instancias se encuentran etiquetadas, de modo que se conoce la “clase” o tipo de cada una. Esto se conoce como reconocimiento de patrones supervisado.
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Posteriormente el cuarto modulo 14 emplea algoritmos de prediction que, mediante procedimientos de validation cruzada sobre la base de conocimiento, maximizan el porcentaje de acierto y correlation con la base de conocimiento.
Una vez desarrollado, el predictor recibe una ocurrencia desconocida, representada por las mismas caracteristicas que las ocurrencias de la base de conocimiento (o un subconjunto de las mismas), de modo que el predictor predice la clase o tipo en la que mejor se encuadra.
En el sistema de prediccion se definen los siguientes parametros:
- La base de conocimiento. Se construye a partir de datos conocidos, en los cuales se conocen datos de entrada y de salida. Para ello se realizan diversos ensayos en los cuales se esteriliza el mismo producto a diferentes temperaturas, alcanzando distintos F0. Para cada caso, y tras la esterilizacion, se analiza el mdice de degradation de una serie de compuestos, y un experto etiqueta la calidad de cada muestra utilizando un mdice de calidad organoleptica.
- La instancia. Una instancia es cada uno de los casos de la base de conocimiento. La instancia la forman un vector de caracteristicas, que definen los datos de entrada, y una clase, que es el dato de salida. En este sistema, el vector de caracteristicas lo forman el resultado de degradacion de una serie de compuestos, asi como la temperatura T alcanzada durante la esterilizacion, el tiempo t de proceso y el F0 alcanzado.
- La clase, es decir, el resultado de la prediccion. La clase es el mdice de calidad organoleptica, el cual es un valor discreto que puede ser numerico (cuantitativo de 1 a 10) o textual (cualitativo: "me gusta“-“no me gusta”; “bueno”-“malo”)
- El algoritmo de clasificacion. Es una red neuronal artificial (RNA), que es uno de los predictores mas adecuados para representar conocimiento experto cuya abstraction es diricil de representar en reglas. Una red neuronal es un algoritmo que simula el comportamiento del cerebro humano, por medio del modelado de una serie de neuronas interconectadas, existiendo un peso en cada interconexion, en el que el conocimiento recae sobre los pesos existentes entre las neuronas.
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Por medio de la presentation de casos conocidos (base de conocimiento), la red aprende (modifica los pesos entre las interconexiones), de modo que la neurona o neuronas de salida proporciona el resultado esperado. De este modo, el modulo 18 de entrenamiento de la red neuronal se encarga de entrenar o preparar la red para que, ante nuevas instancias desconocidas, retorne un resultado coherente con los datos de la base de conocimiento.
La base de conocimiento se crea a partir de ensayos con las siguientes caracteristicas: sobre la misma referencia-producto, sobre el mismo autoclave, utilizando la misma colocation de envases en el autoclave, utilizando la misma tecnica de esterilizacion, y con unas condiciones de tiempo-temperatura que varian lo maximo posible para provocar salidas lo mas diferentes posibles de degradation, y por lo tanto de calidad. Esto muestra a la red neuronal artificial los extremos a predecir. Ademas, la calidad debe ser evaluada para todos los procesos por el mismo experto, bajo las mismas condiciones, conociendo la minima cantidad de datos del proceso para evitar su influencia. Este experto es representativo, con el criterio que se desea introducir en el predictor del sistema.
A modo de ejemplo, se cuenta con una base de conocimiento formada por casos conocidos con la forma ilustrada en la tabla de la Figura 8. Cada fila representa una instancia diferente. A cada instante del proceso, y tras realizar los calculos de tiempo restante (primer modulo 11) y de degradacion (segundo modulo 12), se cuenta con nuevos datos, desconocidos, que es necesario analizar:
Vit A
Vit C Omega3 Catalasa T t Fo
66.6
12.8 49.2 91.1 118.8 133.5 7.1
Estos datos se presentan a la red neuronal (cuarto modulo 14), que predice la clase que corresponde:
Clase
Mal
Esta information se presenta al tecnico (a traves del interfaz de usuario 16) como soporte en
la toma de decisiones de seleccion del programa del autoclave, y es registrada para su
posterior analisis. Asi, el tecnico dispone no solo de informacion relativa a la degradacion de
compuestos obtenida por el segundo modulo 12, sino tambien informacion relativa a la
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prediction de calidad del producto obtenida por el cuarto modulo 14, que sera utilizada para la toma de decisiones.
La red neuronal capta conocimiento experto en un algoritmo software, de modo que es posible utilizar dicho conocimiento de manera desatendida y en tiempo real, para proporcionar information durante el proceso de esterilizacion. Esta information se utiliza:
- antes del proceso, para predecir la calidad de cada programa de esterilizacion
- durante el proceso, para predecir la calidad al termino del proceso, a cada instante.
- tras el proceso, para registrar la calidad al termino, de modo que sea posible trazar esa informacion tras la salida del producto.
Durante el proceso de esterilizacion el sistema de control mide por tanto letalidad, degradation y calidad. El sistema de control puede modificar en el autoclave 1, a traves del automata 2, no solo el tiempo restante sino tambien la temperatura a aplicar. A continuation se explica una posible realization para el calculo automatico del tiempo restante y de la temperatura a aplicar en funcion de las mediciones de letalidad, degradacion y calidad.
Para cada concepto a monitorizar se crea una metrica:
Metrica = Prediccion - Objetivo
Asi, para la letalidad se debe cumplir que el F0 predicho sea igual que el objetivo. Es decir:
Metrica = F0 predicho - F0 objetivo = 0.
Esta metrica se utiliza para diferentes variables o "excesos”:
• exceso_degradacion = degradacion predicha - degradacion objetivo (por ejemplo, se desea una degradacion de un 90% y se predice una degradacion del 92%, con lo que se tiene un 2% de exceso de degradacion)
• exceso_calidad = calidad objetivo - calidad predicha (por ejemplo, se quiere obtener una calidad de 7 sobre 10 y se estima obtener una calidad de 5,5 sobre 10, con lo que se tiene un 1,5 de exceso; para el caso de calidad se calcula al reves, objetivo - prediccion, para que una nota buena sea la negativa).
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• exceso_letalidad = F0 predicho - F0 objetivo (por ejemplo, se quiere esterilizar a 6,5 pero se predice esterilizar a 7,2, con lo que se tiene un 0,7 de exceso)
Con respecto a la variable exceso_degradacion, obviamente no hay un unico exceso de degradacion, sino varios (ya que hay varios compuestos), pero se puede implementar una funcion similar que aune los diversos compuestos, de forma que se obtenga un unico exceso de degradacion. Por ejemplo, en caso de que se monitoricen tres compuestos en un programa (B1, C y catalasa) obtenidos de varios alimentos de la referencia a esterilizar (es indiferente que venga de varios alimentos; finalmente tenemos tres contadores de degradacion de los tres compuestos), se dispondria de 3 exceso_degradacion de cada uno de los compuestos (exceso_degradacion = degradacion predicha - degradacion objetivo) y una funcion que los aune del estilo (donde wi son los pesos que se den a los distintos excesos de degradacion para los distintos compuestos):
exceso_degradacion = I diwdi = exceso_degradacion0 • w0 + ... + exceso_degradacionn
Wn
Y, por ejemplo, en ese caso podria ser:
exceso_degradacion = exceso_B1 • 0,6 + exceso_C • 0,3 + exceso_catalasa • 0,1
En este caso se supone que la degradacion de la vitamina B1 es mucho mas importante que las demas. Cada programa se ejecuta sobre una referencia (producto), que ya utiliza unos compuestos determinados, por lo que cabe esperar que el propio programa defina estos pesos de importancia de cada uno de los compuestos.
A la temperatura en cada instante, y para un tiempo de proceso restante determinado, el sistema de control calcula una funcion (donde wi son los pesos que se den a los distintos excesos):
exceso_total = I xiwi = exceso_degradacion • w1 + exceso_calidad • w2
El sistema de control se encarga de minimizar esta funcion, con la condicion adicional de que:
exceso letalidad= 0
El objetivo es iterar diversas temperaturas a aplicar hasta encontrar uno que minimiza la funcion exceso_total. Para cada temperatura a iterar Ti se calcula el tiempo restante ti que satisface la condicion de letalidad (exceso_letalidad=0). A partir de dichos valores (Ti, ti) se pueden estimar las diferentes degradaciones de los productos y la calidad final del producto 5 y, a partir de ellos, el valor de la variable exceso_total. La temperatura para la que dicha variable exceso_total tenga menor valor sera la temperatura de consigna Tcon seleccionada. El sistema de control escribira el tiempo restante trest y la temperatura de consigna Tcon seleccionada en el automata 2 del autoclave 1.
10 La Figura 9 muestra un diagrama esquematico del sistema de control, donde el tercer modulo 13 se encarga de iterar las distintas propuestas de temperatura de consigna Tcon y de seleccionar aquella que minimiza la variable exceso_total. Por tanto, la temperatura de consigna Tcon puede ser fijada de forma manual por el operario a traves del interfaz de usuario 16 (Figura 1) o de forma automatica mediante el tercer modulo 13 del sistema de 15 control (Figura 9).

Claims (17)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de control de la esterilizacion de alimentos en un autoclave, caracterizado por que comprende:
    - obtener periodicamente la temperatura en el punto frio (Tfrio) del autoclave (1) durante el proceso de esterilizacion;
    - calcular periodicamente la letalidad acumulada y el tiempo restante (trest) de esterilizacion para cumplir una determinada letalidad objetivo (F0);
    - calcular, para un conjunto de temperaturas de consigna (Tcon) del autoclave (1), unos valores de degradation de al menos un compuesto del alimento a esterilizar estimados tras el proceso de esterilizacion;
    - seleccionar, en funcion de los valores de degradacion estimados para las distintas temperaturas de consigna, una temperatura de consigna (Tcon) con objeto de minimizar la degradacion del alimento;
    - aplicar al autoclave la temperatura de consigna (Tcon) seleccionada.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende:
    - obtener diferentes propuestas de consigna segun la degradacion, dichas propuestas de consigna incluyendo distintas temperaturas de consigna (Tcon);
    - mostrar en un interfaz de usuario (16) las propuestas de consigna;
    - seleccionar a traves del interfaz de usuario (16) la temperatura de consigna (Tcon) adecuada.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende iterar diferentes propuestas de temperatura de consigna (Tcon) y seleccionar de forma automatica la temperatura de consigna (Tcon) que minimiza la degradacion del alimento.
  4. 4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende predecir, mediante un algoritmo de prediction basado en inteligencia artificial y para un conjunto de temperaturas de consigna (Tcon) del autoclave (1), la calidad del alimento tras el proceso de esterilizacion, donde los valores de degradacion estimados son variables de entrada del algoritmo de prediccion;
    y por que la selection de la temperatura de consigna (Tcon) del autoclave se realiza tambien en funcion de la prediccion de calidad estimada para las distintas temperaturas de consigna.
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
  5. 5. Procedimiento segun la reivindicacion 4, caracterizado por que la prediction de la calidad se realiza al iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion.
  6. 6. Procedimiento segun la reivindicacion 4, caracterizado por que la prediccion de la calidad se realiza durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto
    fno (Tfrio).
  7. 7. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el calculo de los valores de degradation se realiza antes de iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion.
  8. 8. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el calculo de los valores de degradacion se realiza durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto frio (Tfrio).
  9. 9. Sistema de control de la esterilizacion de alimentos en un autoclave, caracterizado por que comprende:
    - una sonda de temperatura (3) para obtener periodicamente la temperatura en el punto frio (Tfrio) del autoclave (1) durante el proceso de esterilizacion;
    - un primer modulo (11) encargado de calcular periodicamente la letalidad acumulada y el tiempo restante (trest) de esterilizacion para cumplir una determinada letalidad objetivo (Fo);
    - un segundo modulo (12) encargado de calcular, para un conjunto de temperaturas de consigna (Tcon) del autoclave (1), unos valores de degradacion de al menos un compuesto del alimento a esterilizar estimados tras el proceso de esterilizacion;
    y por que el sistema esta configurado para obtener, en funcion de los valores de degradacion estimados para las distintas temperaturas de consigna, una temperatura de consigna (Tcon) con objeto de minimizar la degradacion del alimento; y aplicar al autoclave la temperatura de consigna (Tcon) seleccionada.
  10. 10. Sistema segun la reivindicacion 9, caracterizado por que comprende:
    - un tercer modulo (13) encargado de obtener diferentes propuestas de consigna segun la degradacion, dichas propuestas de consigna incluyendo distintas temperaturas de
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    consigna (Ton);
    - un interfaz de usuario (16) para mostrar las propuestas de consigna y permitir la selection manual de la temperatura de consigna (Tcon) adecuada.
    11 Sistema segun la reivindicacion 9, caracterizado por que comprende un tercer modulo (13) encargado de iterar diferentes propuestas de temperatura de consigna (Tcon) y de seleccionar de forma automatica la temperatura de consigna (Tcon) que minimiza la degradacion del alimento.
  11. 12. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que el sistema adicionalmente comprende un cuarto modulo (14) encargado de predecir, mediante un algoritmo de prediction basado en inteligencia artificial y para un conjunto de temperaturas de consigna del autoclave (1), la calidad del alimento tras el proceso de esterilizacion, donde los valores de degradation estimados son variables de entrada del algoritmo de prediccion; donde la seleccion de la temperatura de consigna (Tcon) del autoclave se realiza tambien en funcion de la prediccion de calidad estimada para las distintas temperaturas de consigna.
  12. 13. Sistema segun la reivindicacion 12, caracterizado por que el cuarto modulo (14) esta configurado para realizar la prediccion de la calidad al iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion.
  13. 14. Sistema segun la reivindicacion 12, caracterizado por que el cuarto modulo (14) esta configurado para realizar la prediccion de la calidad durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto frio (Tfrio).
  14. 15. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado por que el sistema comprende adicionalmente un modulo (18) de entrenamiento de la red neuronal de prediccion de la calidad.
  15. 16. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, caracterizado por que el segundo modulo (12) esta configurado para realizar el calculo de los valores de degradacion antes de iniciar el proceso de esterilizacion, empleando el metodo de Ball para la prediccion del tiempo empleado en dicho proceso de esterilizacion.
  16. 17. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, caracterizado por que el segundo modulo (12) esta configurado para realizar el calculo de los valores de degradation durante el proceso de esterilizacion, utilizando la temperatura en el punto frio (Tfrio).
    5
  17. 18. Sistema segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17, caracterizado por que comprende un automata (2) encargado de establecer en el autoclave (1) la temperatura de consigna (Tcon) y el tiempo restante (trest) de esterilizacion; y un interfaz de comunicacion (10) con el automata (2).
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