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PRODUÇÃO DE LEITE LONGA VIDA Dois métodos são utilizados para a produção de leite longa vida: a) Esterilização na embalagem, com o produto e a embalagem sendo aquecidos a, aproximadamente, 116ºC por volta de 20 minutos. b) Tratamento de temperaturas ultra altas (UHT), com o produto sendo aquecido a 135ºC por 15 segundos (150ºC - 4 segundos), sendo embalado assepticamente em seguida em embalagens que o protegem contra luz e oxigênio atmosférico. ESTERILIZAÇÃO NA EMBALAGEM Dois processos são usados para esterilização em garrafas ou latas • Processamento em lote em autoclaves (1) • Sistema de processamento contínuo, como: o Torres hidrostáticas verticais (2) o Esterilizadores horizontais (3) (1) (2) (3) PROCESSAMENTO EM LOTE O sistema em bateladas pode ser operado por três métodos: 1) em pilhas de caixas em recipientes de pressão estática (autoclave - figura) 2) em uma gaiola que pode ser rodada em uma autoclave estática 3) autoclave rotatória Os métodos rotatórios possuem uma vantagem em relação aos estáticos devido as maiores taxas de transferência de calor e uniformidade do tratamento - em respeito à morte de bactérias e coloração final do produto. Na esterilização na autoclave, geralmente o leite é pré-aquecido para 80ºC e então transferido para garrafas limpas e aquecidas. As garrafas são tampadas, colocadas numa câmara de vapor e esterilizadas, normalmente a 110ºC - 120ºC por 15 - 40 minutos. O lote é então resfriado e a autoclave preenchida com um novo lote. O princípio é o mesmo para latas. Esterilização em lotes em autoclaves é uma técnica usada mais frequentemente para sólidos enlatados do que para produtos líquidos. O fato de que a esterilização ocorre após engarrafar/enlatar elimina a necessidade de manuseamento asséptico, entretanto materiais resistentes ao calor devem ser utilizados. PROCESSAMENTO CONTÍNUO Sistemas contínuos são normalmente preferidos quando mais de 10000 unidades por dia são produzidas. Para continuidade da operação, o design das máquinas para produção contínua depende do uso de um sistema de trava de pressão onde os containeres com produto passem de uma condição de baixa temperatura e pressão para uma zona de relativamente alta temperatura e pressão e, depois, sejam sujeitados a diminuição de temperatura e pressão. Existem 2 tipos principais de máquinas no mercado para esterilização contínua no mercado, diferindo basicamente no tipo de trava de pressão utilizada. 1) Garrafa esterilizadora hidrostática vertical 2) Esterilizador horizontal rotatório selado com válvula Esterilizador Vertical Hidrostático Esse tipo de esterilizador também conhecido como torre esterilizante (figura), consiste basicamente em uma câmara central mantida na temperatura da esterilização por vapor sob pressão, contrabalanceado por colunas de água com pressão equivalente. A água no lado interior é aquecida e a do exterior é resfriada, a temperaturas previamente estabelecidas para fornecer a maior absorção/retirada de calor compatível com o vidro para evitar a quebra devida ao choque térmico. Na torre hidrostática, os containeres de leite são conduzidos lentamente pelas zonas de aquecimento e resfriamento. Essas zonas são dimensionadas para corresponder as necessidades de temperatura e tempo de retenção nos vários estágios do tratamento. Em muitos casos, o leite é pré-aquecido em um sistema pré-esterilizante similar a um sistema UHT. O leite é aquecido a 135ºC, ou mais, por alguns segundos e então resfriado a 30ºC - 70ºC (dependendo o material da garrafa, como as garrafas plásticas comuns requerem temperaturas mais baixas) e transferido para garrafas limpas e pré- aquecidas antes de ser tratado na torre hidrostática. A pré-esterilização pode acontecer em um sistema direto ou indireto; não precisa ser tão intenso quanto à esterilização de um estágio, visto que o propósito principal é diminuir o número de esporos para reduzir a necessidade de calor na torre de aquecimento. O tempo de ciclo no esterilizador hidrostático é aproximadamente 1 hora, incluindo 20-30 minutos para passagem através da seção de esterilização a 115ºC- 125ºC. O esterilizador hidrostático é adequado para tratamento de calor de 2000 x 0,5 L até 16000 x 1L unidades por hora. Garrafas de plástico e vidro podem ser utilizadas. Esterilizador Horizontal O esterilizador horizontal selado com válvula (figura) é comparativamente uma máquina simples com um rotor de válvula mecânico, pelo qual os containeres são passados pela zona de alta pressão e temperatura, onde são submetidas a temperaturas esterilizantes na ordem de 132-140ºC por 10-12 minutos. Com um tempo de ciclo total de 30-35 minutos, podendo atingir uma capacidade de 12000 unidades por hora pode ser atingida. O esterilizador horizontal selado com válvula pode ser utilizado para garrafas plásticas e de vidro como para containeres flexíveis de filme plástico e laminados plásticos. Outro sistema que merece ser mencionado nesse contexto é a autoclave rotatória horizontal contínua para leite evaporado em latas. O design do esterilizador compreende três dutos cilíndricos, cada um contendo uma tira helicoidal unida a um cilindro dentro do duto. Além disso, um número de canais é formado para que as latas sejam passadas adiante no cilindro durante processamento e rotação simultânea. Esse tipo de esterilizador também é equipado com um sistema de detector duplo que torna possível detectar latas não esterilizadas: um na saída do pré-aquecimento e outro no final do resfriador de pressão. TRATAMENTO UHT Em um sistema UHT moderno, o leite é bombeado através de um sistema fechado. No caminho é pré-aquecido, tratado com altas temperaturas, homogeneizado, resfriado e embalado assepticamente. Líquidos de baixa acidez (pH acima de 4.5) são tratados usualmente a 135-150°C por alguns segundos, tanto por aquecimento indireto, injeção de vapor direta ou infusão. Produtos de alta acidez (pH abaixo de 4.5), como sucos, são normalmente aquecidos 90-95°C por 15-30 segundos. Todas as partes do sistema são de desenho asséptico, para eliminar o risco de reinfecção. Comparado com esterilização em torres hidrostáticas tradicional, o tratamento UHT economiza tempo, trabalho, energia e espaço. UHT é um processo de alta velocidade e menos efeito no sabor do leite. Entretanto, consumidores regulares de leite esterilizado por autoclave, acostumados com o gosto "cozinhado" ou de caramelo, podem achar o produto tratado por UHT "sem gosto". O Processo UHT UHT é uma técnica para preservar os alimentos líquidos expondo-os a um breve, mas intenso, aquecimento. Esse tratamento destrói os MOs no produto. Isso se aplica somente enquanto o produto se mantiver em condições assépticas, então para evitar reinfecção é necessário embalar o produto em embalagens pré- esterilizadas sob condições assépticas após o tratamento de calor. Qualquer armazenamento entre o aquecimento e a embalagem deve ser feito em condições assépticas. Por isso, o tratamento UHT é conhecido também por tratamento asséptico. Desenvolvimento do UHT Experimentos na esterilização de leite em garrafas foram feitos por Louis Pasteur, mas somente em 1960, quando tanto processamento e enchimento assépticos ficaram disponíveis comercialmente, que o desenvolvimento do tratamento UHT começou. Leite e outros produtos tratados por UHT agora são aceitos no mundo todo, mas não foi sempre assim. Os primeiros sistemas UHT operavam baseado no princípio de injeção direta de vapor. Comparados com os sistemas de esterilização em container, os novos sistemasUHT logo receberam uma reputação de produzir um excelente sabor. Os primeiros sistemas indiretos foram introduzidos no mercado 10 anos após. Pesquisa e desenvolvimento têm sido intensas desde que UHT foi introduzido. Sistemas modernos entregam um produto superior com cor e valores nutricionais praticamente inalterados. Sistemas UHT O tratamento UHT é um processo contínuo, assim sua aplicação é limitada a produtos que podem ser bombeados. O tratamento UHT pode ser aplicado a uma grande variedade de alimentos e laticínios. Os sistemas UHT são normalmente projetados para serem flexíveis, permitindo o processamento de um grande número de produtos. Tanto alimentos pouco ácidos (pH > 4,5) quanto os ácidos (pH < 4,5) podem ser tratados. Entretanto, somente os pouco ácidos requerem o tratamento UHT para ser comercialmente esterilizados. Esporos não conseguem se desenvolver em produtos muito ácidos (como suco), assim o tratamento de calor tem a intenção de matar apenas bolores e leveduras. Temperatura de pasteurização normal (90-95°C por 15- 30 segundos) é suficiente para garantir que alimentos muito ácidos sejam comercialmente esterilizados. Sistemas UHT são completamente automáticas é possuem 4 modos de operação: pré-esterilização, produção, AIC (Limpeza Asséptica Intermediária) e CIP (Limpeza no Local). Aspectos de segurança devem ser uma consideração principal ao projetar um sistema UHT. O risco de fornecer um produto não esterilizado para a máquina de enchimento asséptico deve ser eliminado. A programação do controle deve prover segurança contra erros de operador e cuidados com o processo. Deve ser, por exemplo, impossível de iniciar o processo se o sistema não estiver pré- esterilizado. Todas as seqüências envolvendo a inicialização, processo e limpeza do sistema são iniciadas pelo painel de controle, que contém todo equipamento necessário para controle, monitoração e gravação do processo. SISTEMAS UHT DIVERSOS Existem dois tipos principais de sistemas UHT no mercado. Nos sistemas diretos, o produto entra em contato direto com o meio de aquecimento, seguido de um resfriamento instantâneo em uma câmara de vácuo e eventualmente outro resfriamento indireto para temperatura de empacotamento. Sistemas diretos são divididos em: • injeção de vapor - vapor é injetado no produto (1) • infusão de vapor - o produto é inserido em uma câmara de vapor (2) (1) (2) Nos sistemas indiretos, o calor do meio é transferido para o produto através de uma superfície (placa ou parede tubular). Os sistemas indiretos podem ser classificados em: • trocador de calor por placas (1) • trocador de calor tubular (2) • trocador de calor de superfície raspada (3) (1) 1 (2) (3) Além do mais, é possível combinar os trocadores de calor no sistema indireto conforme os requerimentos do produto e do processo. FASES DE OPERAÇÃO UHT GERAIS Essas fases de operação são comuns para todos os sistemas UHT e não serão tratadas em cada sistema. Pré-Esterilização Antes de iniciar a produção, o sistema deve ser pré-esterilizado para evitar reinfecção do produto tratado. A pré-esterilização envolve: • Esterilização com água quente na mesma temperatura que o produto atingirá. O tempo mínimo para esterilização com água quente é de 30 minutos, desde o instante que essa temperatura foi atingida em toda parte asséptica do sistema. • Resfriamento do sistema para as condições necessárias para produção. Produção As fases de produção variam conforme os diferentes processos e são descritas abaixo. Limpeza Intermediária Asséptica O ciclo completo de CIP dura de 70 a 90 minutos e normalmente é conduzido imediatamente após a produção. Limpeza intermediária asséptica (AIC) é uma ferramenta útil para sistemas que a produção ocorre durante longas jornadas. Uma AIC de 30 min pode ser efetuada quando for necessário para remover sujeiras na linha de produção sem perder condições assépticas. O sistema não precisa ser reesterilizado após a AIC. Esse método reduz o tempo parado e permite jornadas de produção maiores. CIP O ciclo CIP para sistemas de UHT direto ou indireto pode conter seqüências para pré-remoção/limpeza cáustica/remoção com água quente/limpeza com ácido/remoção final, todas controladas automaticamente de acordo com o tempo/temperatura programadas. O programa de CIP deve ser otimizado para diferentes condições de operação em diferentes laticínios. SISTEMA DE UHT DIRETO BASEADO NA INJEÇÃO DE VAPOR E TROCADORES DE CALOR POR PLACAS No diagrama da figura, o produto em uma temperatura próxima de 4ºC é fornecido do tanque de equilíbrio (1) e impulsionado pela bomba alimentadora (2) para a sessão de pré-aquecimento das placas trocadoras de calor (3). Após pré- aquecido para 80ºC, a pressão do produto é aumentada pela bomba (4) para 4 bar e o produto continua para o injetor de vapor (5). O vapor quente, injetado no produto, aumenta instantaneamente a temperatura dele para aproximadamente 140ºC (a pressão de 4bar impede que o produto ferva). O produto é mantido quente no tubo (6) por alguns segundos, antes de ser rapidamente resfriado. O resfriamento rápido acontece na câmara de expansão com condensadores (7), na qual um vácuo parcial é mantido pela bomba (8). O vácuo é controlado para que a quantidade de vapor retirada do produto seja igual à injetada anteriormente. Uma bomba centrífuga (9) leva o produto tratado por UHT para o homogeinizador de dois estágios (10). Após a homogeneização o produto é resfriado para aproximadamente 20°C no trocador de calor por placas (3) e continua diretamente para a máquina de enchimento asséptico ou tanque asséptico para armazenamento intermediário, antes de ser empacotado. A água resfriada utilizada para condensação é conduzida do tanque de equilíbrio (1b) e, após sair da câmara de expansão (7), é utilizada para o pré- aquecimento após ter passado pelo injetor de vapor. No pré-aquecimento, a temperatura da água cai para 11°C, então ela pode ser utilizada para resfriar o produto após ter saído do homogeneizador. No caso da temperatura cair durante a produção, o produto é desviado para um tanque de rejeição após resfriamento adicional. Simultaneamente o sistema é submetido a um fluxo de água. Após ser limpo pela água, o sistema é limpo (CIP) e esterilizado antes de reiniciar. Sistemas com capacidade de 2000-30000L/h estão disponíveis. SISTEMA DE UHT DIRETO BASEADO NA INJEÇÃO DE VAPOR E TROCADOR DE CALOR TUBULAR Como uma alternativa para o trocador de calor por placas (3 no sistema anterior), uma alternativa é o trocador de calor tubular, quando o produto é de baixa ou média viscosidade com ou sem partículas ou fibras para ser tratado. Seguindo pré-esterilização do sistema e resfriamento para aproximadamente 25°C, o leite por volta de 4°C é conduzido para o trocador de calor tubular (3) para pré-aquecer até 95°C (nas seções 3a e 3c). Após repousar (4a) para estabilizar as proteínas, o leite é novamente aquecido, indiretamente (3d). A injeção de vapor aumenta a temperatura para 140-150°C. O leite é mantido nessa temperatura por alguns segundos (4b), antes de ser resfriado. Pré- resfriamento é executado no trocador de calor tubular (3e) onde a energia (calor) é reutilizada para aquecimento posterior. O vapor injetado é retirado na serpentina de vácuo (6), onde a temperatura do leite cai para 80°C. O sistema de pré-resfriamento melhora a economia de calor e minimiza a perda de aroma. Após a homogeneização asséptica (8), o leite é resfriado para a temperatura de empacotamento, aproximadamente 20°C,e é conduzido para um tanque asséptico para armazenamento intermediário antes de ser assepticamente embalado. As substâncias de aquecimento e resfriamento circulam em um loop de água que transporta calor entre as seções de trocadores de calor do processo. Vapor é injetado para adicionar a pequena quantidade de energia que é requerida durante a produção normal. No caso da temperatura cair durante a produção, o produto é desviado para um tanque de rejeição após resfriamento adicional. Simultaneamente o sistema é submetido a um fluxo de água. Após ser limpo pela água, o sistema é limpo (CIP) e esterilizado antes de reiniciar. SISTEMA DE UHT DIRETO BASEADO NA INFUSÃO DE VAPOR Esse sistema difere da injeção de vapor basicamente pela maneira que o produto e o vapor entram em contato. O principio da infusão de vapor é aquecer o produto, passando-o através de uma atmosfera de calor. O sistema de infusão pode variar, mas o tamanho das gotículas de leite deve ser uniforme, para que a taxa de transferência de calor não varie. Se variar, o infusor irá divergir do modelo teórico no qual o projeto foi baseado. SISTEMA DE UHT INDIRETO BASEADO EM TROCADOR DE CALOR POR PLACAS Sistemas de UHT indireto são construídos para capacidade de 30000L/h. O Produto, a aproximadamente 4ºC, é bombeado do tanque de armazenamento para o de equilíbrio (1) do sistema UHT e de lá para a seção de regeneração do trocador (3) pela bomba de alimentação (2). Nessa seção, o produto é aquecido para 75ºC por leite tratado UHT. O produto pré-aquecido é então homogeneizado na pressão de 18- 25 MPa (180-250 bar). Homogeneização antes do tratamento UHT é possível em sistemas indiretos, o que significa que o homogeneizador não assépticos podem ser utilizados. Entretanto, um homogeneizador asséptico é preferido para melhorar a textura e estabilidade física de certos produtos, como creme. O produto pré-aquecido e homogeneizado continua para a seção de aquecimento do trocador de calor por placas onde é aquecido para aproximadamente 137ºC. O meio de aquecimento é água quente em um circuito fechado com a temperatura regulada por injeção de vapor na água (5). Depois de aquecido, o produto passa no tubo de retenção, projetado para aproximadamente 4 segundos. Finalmente, resfriamento é executado regenerativamente em duas seqüências: a primeira pela seção final fria do circuito de água quente e então pelo produto frio inicial. O produto que deixa o resfriamento regenerativo continua diretamente para embalagem asséptica ou para um tanque asséptico para armazenamento intermediário. No caso da temperatura cair durante a produção, o produto é desviado para um tanque de rejeição após resfriamento adicional. O sistema deve ser limpo e esterilizado antes de reiniciado. Divisão de Aquecimento Em muitos casos, sistemas UHT indiretos são projetados para uma capacidade variável entre 50 e 100% da nominal e são conectados diretamente com uma linha de máquinas de embalagem assépticas. Para evitar a sobrecarga do produto se uma das máquinas parar, a seção de aquecimento pode ser dividida em subseções. O sistema de divisão do aquecimento pode ser visto na figura. No caso de uma redução súbita de 50% no fluxo normal, uma válvula (1) é ativada para que então o meio de aquecimento passe por fora da primeira seção de aquecimento (a). A temperatura do produto então se manterá na temperatura de pré-aquecimento (75°C) até que o produto atinja a segunda, e última, seção de aquecimento (b) onde o aquecimento para a temperatura de UHT ocorre. A curva de tempo x temperatura na figura mostra a diferença da carga de calor no produto na normal e média capacidade. A linha pontilhada no gráfico representa o desenvolvimento da temperatura em um sistema sem a divisão do aquecimento rodando a 50% da sua capacidade. SISTEMA UHT INDIRETO BASEADO NO TROCADOR DE CALOR TUBULAR Um sistema tubular é escolhido para tratamento UHT de produtos com baixa ou média viscosidade que podem, ou não, conter partículas ou fibras. O termo viscosidade média é um conceito difuso, visto que a viscosidade do produto pode variar conforme a matéria-prima, aditivos e tratamento mecânico. Sopas, produtos de tomate, frutas e vegetais, alguns pudins e sobremesas são exemplos de produto de viscosidade média aplicáveis ao tratamento tubular. Sistemas tubulares também são frequentemente utilizados quando um tempo maior de processamento é requerido para produtos laticínios do mercado. O princípio do processo (figura), não difere muito do sistema UHT com trocadores de calor por placas. Sistemas com capacidade de 1000 a 30000L/h podem ser construídos. O trocador de calor por placas consiste em um número de tubos construídos em módulos que podem ser conectados em série e/ou paralelo para oferecer um sistema completamente otimizado para qualquer tarefa de aquecimento/resfriamento. Esse sistema também pode ser provido de uma seção de aquecimento. No caso da temperatura cair durante a produção, o produto é desviado para um tanque de rejeição após resfriamento adicional. O sistema deve ser limpo e esterilizado antes de reiniciado. SISTEMA UHT INDIRETO BASEADO NO TROCADOR DE CALOR DE SUPERFÍCIE RASPADA Aquecedores de superfície raspada são os mais aplicáveis para tratamento de produtos de alta viscosidade. O sistema de superfície raspada é baseado em um número de trocadores de calor relevante. Capacidades específicas por hora ou programação de temperatura não podem ser definidos devido à grande variação de características físicas dos produtos. O produto é bombeado do tanque (1) por uma bomba de alimentação (2) para o primeiro aquecedor de superfície raspada (3a). Estágios de aquecimento adicionais (3b) podem ser utilizados para trazer o produto para a temperatura desejada. Monitores localizados em diferentes estágios do processo indicam se essas temperaturas foram atingidas. O tubo de retenção (4) mantém o produto na temperatura adequada por um tempo pré-determinado. O produto é resfriado com água (3c e 3d) e água fria (3e) até atingir a temperatura de embalagem. Finalmente, o produto é bombeado para um tanque de armazenamento temporário (6) que provém uma retenção de volume entre a linha de produção contínua e o sistema de empacotamento. A falha em atingir os valores pré-definidos automaticamente abre uma válvula de retorno para dirigir o produto para um tanque recuperação. TANQUE ASSÉPTICO O tanque asséptico é usado para armazenamento intermediário de produtos laticínios tratados por UHT. O fluxo do produto e do meio de serviço é mostrado na figura. Ele pode ser usado de maneiras diferentes em linhas de UHT, dependendo do projeto do sistema e das capacidades das várias unidades no processo e na linha de empacotamento. Dois exemplos são mostrados nas figuras. • Se uma das máquinas de empacotamento incidentalmente pára, o tanque asséptico toma conta do produto excedente durante a parada. • Empacotamento simultâneo de dois produtos. O tanque asséptico primeiramente é enchido com um produto, com quantidade suficiente para um turno inteiro de empacotamento. Então o sistema UHT é trocado para o outro produto que é empacotado diretamente na linha de das máquinas empacotadoras. • Um ou mais tanques assépticos na linha de produção dão maior flexibilidade ao planejamento da produção. O empacotamento direto em um sistema UHT requer recirculação de um volume mínimo de 300L/h para manter uma pressão constante para as máquinas de empacotamento. Produtos que são sensíveis a tratamento em demasia não toleram isso e a capacidade extra deve ser mantida pelo tanque asséptico. O arranjo ótimo deve ser decidido para cada processo individual em relaçãoaos sistemas UHT, tanques assépticos e máquinas assépticas de empacotamento. EMPACOTAMENTO ASSÉPTICO Empacotamento asséptico é definido como um processo consistido de esterilização do material de empacotamento ou container, preenchido com um produto comercial esterilizado em um ambiente esterilizado, e produzindo produtos embalados hermeticamente fechados para evitar recontaminação. Para produtos com um longo tempo não-refrigerado, a embalagem deve prover também proteção quase completa contra luz e oxigênio atmosférico. O pacote de leite longa vida deve conter, então, uma fina camada de lâmina de alumínio, envolta entre camadas de plástico polietileno. O termo "asséptico" implica na ausência ou exclusão de qualquer organismo não desejado no produto, embalagem ou outras áreas específicas; enquanto o termo "hermético" é usado para indicar propriedades mecânicas aplicáveis para excluir a entrada de bactérias na embalagem, ou mais estritamente, para prevenir a passagem de Mos, de gás ou vapores através do container.
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