PASTEURIZAREA SI STERILIZAREA

PASTEURIZAREA SI STERILIZAREA

Pasteurizarea ºi sterilizarea sunt operaþii prin care se urmãreºte mãrirea duratei de menþinere a calitãþilor, respectiv de conservabilitate a produselor alimentare prin distrugerea microflorei care acþioneazã pentru modificarea unor caracteristici ale produselor.
Prin pasteurizare se urmãreºte distrugerea formelor vegetative ale microorganismelor ºi în special a bacteriilor patogene nesporulate conþinute în produs. Prin sterilizare se urmãreºte distrugerea tuturor microorganismelor ( forme vegetative ºi forme sporulate ) din produsul tratat. Deoarece în operaþia industrialã este posibil sã nu se poatã realiza distrugerea tuturor microorganismelor din produs, în loc de sterilizare se foloseºte noþiunea de "sterilizare industrialã" care admite cã produsele alimentare prelucrate prin acestã metodã, pot conþine unele specii de spori viabili, care nu se dezvoltã în condiþii normale de depozitare.
Principala metodã de realizare a pasteurizãrii ºi sterilizãrii industriale este tratamentul termic într-o relaþie temperaturã-timp datã. Temperatura pentru pasteurizare nu depãºeºte niciodatã 1000 C în timp ce pentru sterilizare este aproape totdeauna superioarã lui 1000 C.
Pasteurizarea ºi sterilizarea fac parte din operaþiile cele mai importante, specifice industriei alimentare. Pasteurizarea se aplicã în special produselor în stare lichidã -produse care în general îºi pãstreazã calitãþile naturale - ºi operaþia se aplicã în special pentru a pãstra aceste calitãþi o perioadã mai mare. Împiedicarea activitãþii microorganismelor ºi enzimelor pe o perioadã oarecare, pe baza unui tratament termic, se aplicã ºi produselor solide proasete, operaþia purtând de obicei denumirea de opãrire. Fãrã pasteurizare nu poate fi conceputã industria laptelui de consum. Pasteurizarea, astãzi este însã, extinsã în industria sucurilor de fructe ºi legume, în industria berii. Pasteurizarea s-a extins ºi ca fazã tehnologicã necesarã pentru pregãtirea realizãrii unor faze în care se acþioneazã cu microflorã dirijatã, de exemplu în industria brânzeturilor ). Opãrirea s-a extins ca fazã strict necesarã în industria conservelor de legume ºi fructe ºi în unele cazuri înainte de congelare pentru unele legume.
Prin sterilizare se aplicã un tratament care sã asigure conservabilitatea pe o perioadã îndelungatã. Sterilizarea se realizeazã în genere acceptându-se anumite transformãri ºi în produs, însã urmãrindu-se menþinerea valorii alimentare ºi structura normalã a produsului. Produsele sterilizate nu se încadreazã în categoria produselor conservate prin sterilizare ( conserve vegetale, conserve de carne, conserve de lapte ).
Procesul de pasteurizare sau de sterilizare, fiind un proces de relaþie temperatura-timp, trebuie considerat cã se realizeazã practic în trei etape succesive:
- încãlzirea pânã la temperatura de pasteurizare, respectiv sterilizare;
- menþinerea pentru o perioadã de datã la temperatura de pasteurizare, respectiv sterilizare;
- rãcirea la temperatura de depozitare. Dacã temperatura de depozitare pentru produsele conservate prin sterilizare poate fi consideratã temperatura mediului ambiant, pentru unele produse pasteurizate temperaura de depozitare corespunde temperaturii consideratã valabilã pentru refrigerare. În cazurile în care pasteurizarea este urmatã de o altã fazã tehnologicã, temperatura de rãcire este determinatã de temperatura pe care o impune faza tehnologicã respectivã.
3.1 Factori care influenþeazã pasteurizarea-sterilizarea
Pasteurizarea ºi sterilizarea fiind operaþii care urmãresc distrugerea microorganismelor, sunt influenþate de factori care favorozeazã sau defavorizeazã dezvoltarea microorganismelor.
Dintre factorii cei mai importanþi care influenþeazã dezvoltarea microorganismelor, exceptând natura microorganismelor, trebuiesc consideraþi:
-compoziþia mediului;
-presiunea osmoticã;
-temperatura.
Compoziþia mediului. Drojdiile, mucegaiurile ºi imensa majoritate a bacteriilor nu pot capta energia solarã. De aceea trebuie sã-ºi asigure energia necesarã vieþii prin degradarea sau oxidarea anumitor produse, de cele mai multe ori organice. Unele microorganisme ca mucegaiurile îºi pot lua energia necesarã vieþii din surse foarte variate datoritã faptului cã ele au un sistem enzimatic foarte complet. Drojdiile ºi bacteriile saprifite au exigenþe foarte stricte ºi nu atacã decât un numãr foarte limitat de substraturi.
Compoziþia mediului asupra cãruia se realizeazã tratamentul termic prezintã importanþã foarte mare atât prin natura sa, cât ºi prin cantitatea ºi specificitatea microorganismelor pe care le conþine. Se admite cã microorganismele în stare uscatã se distrug mult mai greu decât microorganismele în suspensie apoasã. Aceasta explicã distrugerea mai greoaie a formelor sporulate, decât a formelor vegetative.
Compoziþia mediului influenþeazã prin aciditate, continut de NaCl, conþinut de zaharozã, materii grase, etc.
Mãsura aciditãþii este datã de valoarea pH-ului. pH-ul are o influenþã determinatã asupra dezvoltãrii microorganismelor. Dacã unele mucegaiuri ca se dezvoltã într-un domeniu larg de pH (1,8-11,2), cele mai multe mucegaiuri ºi drojdii se dezvoltã într-un domeniu mai restrâns de pH ( 3-7,5). Foarte rar se gãsesc bacterii care se dezvoltã în afara domeniului de pH 5-8. Din cele enumerate toate microorganismele se pot dezvolta în domeniul pH-ului care caracterizeazã apropirea de neutralitate. Distrugerea termicã a microorganismelor în vecinãtatea microorganismelor în vecinãtatea neutralitãþii este mai greoaie atât pentru formele vegetative cât ºi pentru formele sporulate. Sub pH 5 distrugerea sporilor de bacterii este puternic acceleratrã. La pH=4,5 durata de distrugere la aceeaºi tempereaturã este adesea 1/10 din durata de distrugere când pH-ul este cuprins între 5-7.
Unele produse alimentare au în stare normalã pH =4,5. În acestea bacteriile nu se dezvoltã ºi sunt distruse uºor. Altele au pH cuprins între 5-7,5 ºi sunt atacate de toate microorganismele. La unele produse pentru a se asigura conservabilitatea ºi distrugerea microorganismelor li se poate modifica valoarea pH-ului prin diferite adausuri. La altele însã nu se poate acþiona asupra pH-ului deoarece s-ar distruge alte calitãþi. De exemlpu la legumele verzi sub pH=5,5 se distruge clorofila.
Prezenþa unor sãruri ºi în special a NaCl în concentraþii de 1-4% în mediu, poate duce la mãrirea rezistenþei microorganismelor atât a formelor vegetative cât ºi a formelor sporulate. Concentraþiile mai mari de NaCl au în general efect de reducere a rezistenþei microorganismelor, datoritã creºterii presiunii osmotice.
Mãrirea conþinutului de zaharozã, mãreºte rezistenþa microorganismelor. Durata de distrugere a drojdiilor, mucegaiurilor ºi bacteriilor nesporulate poate creºte de 4-5 ori când soluþia are 30-50 zaharozã, faþã de soluþia de ser fiziologic.
Prezenþa substanþelor proteice , în special în prezenþa zaharurilor reduce durata de distrugere termicã a majoritãþii microorganismelor .
Influenþa materiilor grase asupra duratei de distrugere termicã este foarte importantã. În genere materiile grase au acþiune protectoare mãrind durata necesarã pentru distrugerea chiar la temperaturi ridicate. Acþiunea materiilor grase în prezenþa apei nu est eaºa importantã Acþiunea protectoare a materiilor grase se manifestã tot aºa de bine pentru forme vegetative, pentru spori ºi chiar pentru enzime.
Prezenþa unor sãruri ca nitraþi, nitriþi, care în anumite cazurisunt utilizate ca adausuri nu manifestã influenþã sensibilã, asupra alurii de distrugere termicã a microorganismelor.
Dezvoltarea microorganismelor este inflenþatã de acþiunea substanþelor antiseptice, fie cã ele sunt naturale în produs, ca de exemplu uleiurile esenþiale, fie cã provin dintr-un tratament tehnic (afumare) sau sunt simple substanþe de adaus, ca acid benzoic, acid sorbic sau diverse antibiotice. Aceste substanþe care au efect de a întârzia sau întârzia acþiunea de dezvoltare a microorganismelor nu au aceleaºi caracteristici legate de distrugerea lor.
Oxigenul este indispensabil creºterii microorganismelor , fie cã ele sunt mucegaiuri, drojdii sau chiar bacterii, dacã microorganismele sunt obligatoriu aerobe. Microorganismele anaerobe se dezvoltã numai în absenþa oxigenului. Acest tip de microorganisme nu tolereazã decât presiuni parþiale de oxigen foarte scãzute (sub 1 Pa). Bacteriile anaerobe sau microaerofile se dezvoltã perfect de bine în produsele închise în ambalaje în absenþa oxigenului atmosferic.
Durata ºi condiþiile de distrugere sunt determinate ºi de numãrul ºi tipul de microorganisme care se aflã în unitatea de volum de produs.
Presiunea osmoticã. Dezvoltarea microorganismelor estt eputernic influenþatã de presiunea osmoticã a lichidului din capilarele mediului. În medii suficient de concentrate, în care presiunea osmoticã creºte mult, nu este posibilã dezvoltarea nici unui microorganism. Aºa se explicã conservarea gemurilor ºi a dulceþurilor, a laptelui concentrat cu adaus de zahãr, etc.
Influenþa presiunii osmotice este comod sã se exprime prin aºa zisa "activitate a apei" sau prin gradul higrometric al produsului, care este definit prin raportul între presiunea vaporilor de apã din produs pe presiunea vaporilor de apã din atmosferã la saturaþie ºi aceeaºi temperaturã:
(3.1)
Sensibilitatea diferitelor microorganisme la scãderea gradului higrometric este foarte diferitã. În timpul pasteurizãrii sau sterilizãrii - ca operaþie de tratare termicã - însã nu se poate influenþa gradul higrometric. Acesta ar putea fi inflenþat înainte de a se realiza sterilizarea sau pateurizarea prin substanþe de adaus care mãresc conþinutul de subsatanþã uscatã ºi în acelaºi timp mãresc presiunea osmoticã ºi scad presiunea vaporilor de apã din produs , respectiv scad valoarea gradului higrometric.
Temperatura influenþeazã mult dezvoltarea microorganismelor. Fiecare tip de microorganism are o temperaturã optimã de dezvoltare, însã în acelaºi timp are ºi un domeniu de activitate deasupra ºi sub temperatura optimã. La temperaturi scãzute chiar dacã îºi încetinesc mult activitatea, microorganismele supravieþuiesc ºi îºi reiau din nou activitatea cân dajug în domeniul de temperaturã optimã. În domeniul temperaturilor superioare temperaturii optime, sub acþiunea temperaturii ridicate o anumitã perioadã de timp pot fi distruse atât formele vegetative cât ºi formele sporulate ale microorganismelor. Temperatura ºi relaþia temperaturã-timp pentru dezvoltarea microorganismelor este diferitã pentru formele vegetative ºi cele sporulate ºi se poate considera caracteristicã microorganismului, produsului în car ese gãseºte microorganismul ºi chiar încãrcãturii cu microorganisme a produsului.
3.2.1 Distrugerea termicã a microorganismelor

Atât pasteurizarea cât ºi sterilizarea realizate prin tratament termic asigurã mãrirea conservabilitãþii prin distrugerea microorganismelor. Distrugerea termicã a microorganismelor - fie forme vegatative, fie forme sporulate - dupã cercetãrile lui Deindoerfer ºi Humphrey - se realizeazã analog cu o reacþie monomolecularã. În cazul acesta factorul de potenþialitate este populaþia microbianã.
Þinând seama de desfãºurarea reacþiilor monomoleculare la temperatura constantã, distrugerea microorganismelor este funcþie de numãrul de microorganisme pe unitatea de cantitate de produs, fenomenul de distrugere putând fi concretizat prin relaþia:
(3.2)
în care: N-numãrul de microorganisme prezente la timpul ;
-timpul de acþiune la temperaturã constantã;
k-constantã dimensionalã (1/timp) cu valori diferite în funcþie de temperaturã ºi de tipul de microorganisme.

Separând variabilele ºi introducând sub semnul integralã, se ajunge la:
(3.3)
sau integrând:
(3.4)
care poate fi pusã ºi sub formã de curbã exponenþialã:
(3.5)
Ecuaþia (3.4) poate fitrecutã în logaritmi zecimali devenind:
(3.6)
sau notând k/2,303=1/D se obþine:
(3.7)
ecuaþie care în coordonate semilogaritmice este reprezentatã printr-o dreaptã.
În relaþia (3.4) ºi urmãtoarele, raportul N/N0 reprezintã o mãsurã a gradului de distrugere a microorganismelor. Curba care se obþine pe baza relaþiei (3.4) sau (3.7) este numitã ºi curbã de supravieþuire deoarece raportul N/N0 este raportul între microorganismele viabile la timpul q faþã de cele care se gãseau la începutul operaþiei. În aceastã relaþie temperatura este consideratã constantã, iar k este o caracteristicã cu valoare specificã unui microorganism ºi unei temperaturi. Prezentatã în diagrama semilogaritmicã, luând în ordonatã lg N ºi în anscisã timpul de distrugere q, curbele pentru o temperaturã datã devin drepte, având înclinaþii diferite funcþie de temperaturã ºi microorganism. Pentru un microorganism dat înclinaþia faþã de abscisã creºte cu creºterea temperaturii. În figura 3.1 sunt prezentate în diagramã semilogaritmicã curbele de supravieþuire pentru Bacillus subtilis la diferite temperaturi. Din figurã se deduce cã pe mãsurã ce creºte temperatura la care se acþioneazã, timpul necesar pentru obþinerea unui anumit grad de sterilizare scade.
Este de remarcat cã þinând seama de datele experimentale relaþia anterioarã nu este o dreaptã pentru toate microorganismele. Din determinãrile experimentale pentru Bacillus stearotermofilus prima parte a curbei este o dreaptã, însã pe mãsurã ce populaþia microbianã scade, dreptele se curbeazã cu tendinþa de orizontalizare
În literaturã se gãsesc date experimentale asupra timpului necesar pentru reducerea populaþiei microbiene la 1/10 din valoarea sa. Valoarea D din relaþia (3.7) reprezintã timpul necesar pentru reducerea populaþiei microbiene la temperatura q, temperaturã datã pentru un anumit microorganism. Din figura 3.3 se vede cã valoarea D, din punct de vedere matematic, reprezintã reciproca pantei curbei de supravietuire în diagramã semilogaritmicã.
Þinând seama de cele prezentate în fig. 3.1 ºi 3.2 rezultã cã ridicând temperatura se reduce timpul de distrugere pentru obþinerea unui anumit grad de sterilizare ºi drept consecinþã se reduce valoarea lui D.
Þinând seama de datele experimentale disponibile are importanþã tracticã valoarea lui D la 250 0F, respectiv 121,1 0C, aceasta fiind luatã ca valoare de referinþã ºi fiind notatã cu Dr.
Cu cât valoarea lui D respectiv Dr este mai mare cu atât specia de microorganism respectivã este mai rezistentã. În tabela 3 sunt date valorile Dr pentru câteva specii de microorganisme.

Tabelul 1

Specia Dr
1. În produse acide cu pH £ 4,5
a) Termofile
-Grupa producãtorilor de alterare care nu formeazã gaze (B. stearotermofilus) 4,0-5,0
-Grupa producãtorilor de alterare care formeazã gaze (C. thermosaccharoliticum) 3,0-4,0
-Grupa producãtorilor de alterare care produc (C. nigrificans) 2,0-3,0
b) Mezofile
-Grupa colistridiilor care determinã putrefacþie 1,0-1,5
-Grupa colistridiilor care produc toxine (C. botulinum) 0,1-0,2








Ball a demonstrat cã ridicarea temperaturii de sterilizare în progresie aritmeticã atrage dupã sine o reducere a timpului de distrugere în progresie geometricã ºi a arãtat cã în coordonate semilogaritmice, luînd în coordonatã durata de distrugere ºi în abscisã temperatura de distrugere, se obþine o dreaptã descrisã de relaþia:

Curba decrisã de relaþia (3.8) poartã denumirea de curba timpului de distrugere termicã sau prescurtat TDT. În fig. 3.4 este prezentatã schematic curba TDT cu panta tg a1=1/z.În aceastã relþie D1 respectiv D2 reprezintã timpul de reducere a populaþiei microbiene la temperatura t1 respectiv t2 la 1/10 din valoarea sa, iar z caracterizeaza rezistenþa termicã ºi reprezintã numãrul de grade de temperaturã necesare pentru ca curba pimpului de distrugere termicã sã strãbatã un ciclu logaritmic.
Din punct de vedere matematic z reprezintã reciproca pantei curbei timpului de distrugere termicã trasatã în coordonate semilogaritmice. Cu cît z este mai mare cu atît specia de microorganisme este mai rezistentã . Valoarea lui z se poate da în C sau F, dupã cum în diagramã t este luat în C sau F. Din relaþia (3.8), cunoscînd valoarea experimentala a lui z ºi timpul de distrugere termicã la 1/10 din valoarea sa la o anumitã temperatura de referinþã, se poate calcula valoarea timpului de distrugere termicã la o altã temperaturã. în tabla 4 sînt date unele valori pentru z.
Tabela 4
Specia
-Drojdii, mucegaiuri ºi bacterii nesporogene 1,1-5,5
-Bacterii termo rezistente sporogene, pentru
produse acide cu pH=4,0-4,5 ca B. coagulans.
C.pasteurianum 5,5-13,8
-Bacterii termorezistente pentru produse slab
acide(pH>4,5), ca C botulinum 8,9-12,2

Intr-un proces de sterilizare bine condus, pe lîngã distrugerea microorganismelor trebuie sã se realizeze ºi inactivarea enzimelor. Valorile lui z pentru inactivarea enzimelor pot fi mai mari decît cele pentru distrugerea microorganismelor. În cele expuse s-a considerat temperatura la care se realizeazã distrugerea microorganismelor, constatatã în timp.În practicã aproape niciodatã nu se poate realiza sterilizare respectiv pasteurizare la o temperaturã constanta, deoarece acþiunea temperaturii se realizeazã asupra microorganismelor ºi în perioada de încãlzire la temperatura de sterilizare, respectiv pasteurizare ºi în perioada de rãcire.Valorile lui k din relaþiile (3.2) - (3.6) în concordanþã cu ecuaþia lui Arhenius sînt dependente de temperatura ºi se pot determina pe baza relaþiei:
-E/RT
k = A.e în care :
A = factor de frecvenþã, care în cinetica chimicã reprezintã numãrul de ciocniri între moleculele care reacþioneazã, iar in materie de pasteurizare-sterilizare, numãrul de ciocniri între microorganismele care se distrug;
E= constantã de natura unei energii, respectiv energia de activare pentru distrugerea microorganismelor;
R= constantã universalã a gazelor;
T= temperatura absolutã la care se acþioneazã pentru distrugerea microoorganismelor.
Relatia ( 3.3), considerînd pe A independent de temperaturã, se poate aduce la forma: dN/N= - A e d
în care în termenul din dreapta egalitãþii sînt douã variabile, T ºi
Dacã se þine seama de proofilul liniar al variaþiei relaþiei temperaturã- timp ºi dacã pentru o temperaturã datã E/RT=a, acesta pentru variaþia temperaturii în timpul devine E/RT= a/l+k , în care k un parametru de timp. prin aceastã înlocuire relaþia (3.10) devine:

Integrarea relaþîei (3,11) nu se poate face decit cu schhimbarea variabilei, iar valoarea totala trebuie sã se calculeze separat pentru perioada de încalzire,de menþinere la temperatura de sterilizare ºi de rãcire þinînd seama de domeniul lental.Pentru ansamblul procesului dacã se noteazã N/N = ,efectul total de sterilizare poate fii dat de relaþia:

în care indicii t= total; i= încãlzire; m = menþinere ºi r = rãcire.
O rezolvare mai comodã se poate obtine în cazul cînd se ia în considerare variaþia temperaturii în salturi, în intervale mici ºi se iau în considerare efectele de distrugere la temperaturile medii ale intervalelor t1,t2,.......,tn în timpi de menþinere infiniþi de mici dD1,dD2,......,dDn ºi þinînd seama de timpii de reducere la 1/10 a populaþiei microbiene D1,D2,.....Dn la temperaturile respective.
În aceste cazuri relaþîa (3.4) poate fi adusã la forma :

iar efectul de distrugere poate fi dat de relaþia:
Dacã se cunoaºte relaþia temperatura timp a procesului de distrugere, fie t= f(0), valoarea lui 0i se poate exprima pe baza relaþiei (3.8) în funcþie de un 0r ( timp de referinþã) la o temperaturã de referinþã tr ºi de valoare lui z, prin relaþia:
Relaþia (3.14), dacã se cunoaºte tr, 0r, z ºi f(0), se poate rezolva integrala determinîndu-se valoarea lui 0.
Pentru o rezolvare corecta a problemei în care se impune un anumit grad de sterilitate N0/Nn se observã cã din ambele relaþii, la variaþiile temperaturii trebuie sã se þina seama de o însumare de termeni, în care sã se cumuleze efectul de distrugere din zonele letale ale perioadei de îcãlzire ºi rãcire în porþiunile cu efect letal, cît ºi de cel din perioada de menþinere la temperaturã constantã.
În literatura de specialitate se gãsesc ºi alte rezolvãri matematice pornind de la relaþia (3.10) cînd se ia în considerare variaþia temperaturii în timpul procesului.
3.3 Transferul de cãldurã la sterilizare
Evoluþia temperaturii în produs în timpul realizãrii procesului de sterilizare este determinatã în mare mãsurã de condiþiile de transfer de cãldurã de la agentul de încãlzire la produs ºi de la produs la agentul de rãcire.
Curba care reprezintã evoluþîa temperaturii în interiorul produsului funcþie de timp, în timpul sterilizãrii, poartã denumirea de curbã de termopenetraþie sau curba THC.
Sterilizarea, respectiv pasteurizarea, se poate realiza pentru:
-produse ambalate în diferite tipuri de ambalaje;
-produse în vrac.
Condiþiile de transfer de cãldurã la sterilizarea produselor în vrac sînt î condiþii normale de transfer prin intermediul unei suprafeþe de schimb de cãldurã sau prin contact direct cu agentul de încãlzire, dar prezintã mare importanþã caracteristicile termice ale produsului.Transferul de cãldurã în timpul sterilizãrii sau pasteurizãrii la produsele ambalate este influenþat, pe de o parte de natura ºi caracteristicile produsului, pe de altã parte de natura ºi caracteristicile produsului, pe de altã parte de natura, forma ºi dimensiunile ambalajului. Atît la produsele sterilizate sau pasteurizate în vrac, cît ºi la cele ambalate influenþeazã ºi natura agentului de încãlzire, respectiv rãcire ºi condiþiile în care se realizeazã operaþia
Transferul de cãldurã se realizeazã prin convecþie dacã produsul supus tratãrii este lichid sau prin conducþie dacã produsul este solid. În realitatea industrialã de multe ori procesul nu este nici o convecþie purã, nici o conducþie purã.Este cazul produselor solide în bucãþi de anumitã formã ºi dimensiune imersate în lichid, unde existã transfer de cãldurã prin convecþie în lichid ºi prin conducþie în particule solide, sau cazul produselor la care în timpul tratamentului termic au loc transformãri care modificã vîscozitatea sau consistenþa ºi la care procesul se poate spune cã se realizeazã predominant prin convecþie sau prin conducþie total sau numai o anumitã perioadã de timp.
În cazul lichidelor cu vîscozitate redusã datoritã curenþiilor de convenþie care apar în masa lichidã, temperatura lichidului tinde sã se uniformizeze în toatã masa ºi sã se apropie de temperatura feþii interioare a ambalajului. In cazul produselor cu vîscozitate ridicatã, respectiv caracterizate prin consistenþã sau al produselor solide în bucãþi de diferite forme sau mãrimi uneori parþial tasate în interiorul recipientului, transferul de cãldurã se realizeazã în principal prin conducþie.
Indiferent de natura produsului ºi starea lui ( lichid sau solid), de modul în care se realizeazã operaþia (discontinuu sau continuu), din cauza îchiderii produsului într-un recipient de anumitã formã ºi anumite dimensiuni, transferul de cãldurã se realizeazã în regim nestaþionar. Dacã în cazul produselor cu vîscozitate redusã,în realizarea procesului se poate considera numai variaþia temperaturii produsului în timp, în cazul produselor puternic vîscoase sau a produselor solide ambalate, trebuie considerate atît variaþia temperaturii cît ºi pe cea pe grosimea produsului în ambalaj (în spaþiu), deoarece temperatura va varia de la faþa interioarã a ambalajului spre interior pânã în centrul geometric al ambalajului , unde teoretic în perioada de încãlzire este punctul de temperaturã minimã, iar în perioada de rãcire punctul de temperaturã maximã. Cercetãrile fãcute, legat de locul critic cu temperatura minimã în timpul încãlzirii, respectiv maximã în timpul rãcirii, au arãtat cã acesta nu este în centrul geometric al ambalajului, ci undeva mai sus din cauza pernei superioare de aer sau pentru cutiile cilindrice, în funcþie de raportul h/d poate fi o zonã inelarã în planul median, fie în douã sone simetrice în raport cu planul median.
Indiferent care este tipul de sterilizare, trebuie sã se þinã seama cã ceea ce transmite de la agentul de încãlzire produce o acumulare de cãldurã în produs care provoacã variaþia temperaturii produsului, fenomenul de transfer de cãldurã fiind corelat cu fenomenul de acumulare.
Fluxul termic în regim nestaþionar poate fi definit prin relaþia:

Fenomenul de acumulare a cãldurii în produs poate fi descris prin ecuaþia calorimetricã:

Egalând cele douã relaþii ºi separând variabilele se obþine :

în care considerând temperatura mediului care cedeazã cãldura (tm) constantã, prin integrare se ajunge la:

în care: t2, respectiv t1 sunt temperaturile produsului dupã timpii t2, respectiv t2; k-coeficientul total de transfer de cãldurã; A-suprafaþa de transfer de cãldurã a ambalajului; M-masa produsului din ambalaj; c-cãldura specificã a produsului.
Cei doi termeni ai relaþiei (3.18) sunt nedimensionali, iar relaþia în sine reprezintã modelul teoretic al transferului de cãldurã prin convecþie.
Pentru lichidele cu vãscozitate mare sau solidele ambalate supuse sterilizãrii, caz în care în principal transferul de cãldurã se realizeazã prin conducþie cu variaþia temperaturii în timp ºi spaþiu, cu oarecare aproximaþie se poate determina valoarea temperaturii în timp la o anumitã valoare a grosimii (d) stratului de produs pe baza relaþiei dedusã pe aceleaºi considerente ca relaþia precedentã:

în care temperaturile ºi timpii au notaþiile precedente: a-coeficientul parþial de transfer de cãldurã al agentului de încãlzire; d-densitatea produsului.
În cazul mediilor omogene pentru un calcul mai exact se poate utiliza ecuaþia diferenþialã a conducþiei, înlocuind-o cu ecuaþia de diferenþe finite care în câmp unidimensional ia forma:

iar pentru cilindru infinit în coordonate cilindrice:

în care: a-difuzivitatea termicã a produsului supus sterilizãrii; x-grosimea stratului de produs (d).

3.3.1 Evoluþia temperaturii la încãlzire în centrul ambalajului

Trasând curbele de evoluþie ale temperaturii produsuluii din interiorul ambalajului în coordonate semilogaritmice ºi luând în ordonatã diferenþa de temperaturã tm-t, t fiind temperatura produsului în centrul geometric al ambalajului, Ball ºi alþii au observat cã se obþine o curbã care pe cea mai mare porþiune este o dreaptã. Dacã se prelungeºte porþiunea dreaptã pânã la intersecþia ei cu ordonata se obþine o diferenþã de temperaturã (tm-ta) mai mare decât diferenþa de temperaturã iniþialã (tm-t0). Variaþia diferenþei de temperaturã funcþie de timp ºi prelungirea porþiunii drepte a curbei este prezentatã în figura 3.5. Temperatura ta a fost denumitã pseudotemperaturã iniþialã a produsului la încãlzire. Curba în sine aratã la începutul procesului de încãlzire apare un fenomen de înþãrziere a începerii încãlzirii produsului în centrul geometric al ambalajului. Cauzele întãrzierii începerii încãlzirii în centrul geometric sunt legate în special de condiþiile în care se realizeazã transferul de cãldurã prin conducþie în regim nestaþionar, dintre care elementele mai importante sunt:
-încãlzirea produsului dinspre margine spre centrul geometric;
-dimensiunile ambalajului care determinã cantitatea de produs care trebuie sã se încãlzeascã pentru a permite începerea încãlzirii produsului în centrul geometric al ambalajului;
-temperatura mediului de încãlzire (tm) ºi temperatura iniþialã a produsului (t0), respectiv diferenþa de temperaturã iniþialã (tm-t0).
Ecuaþia dreptei pentru care se cunoaºte ordonata la origine (tm-ta) ºi pentru care panta este -1/f, este:

sau scrisã într-o altã formã:

În relaþia (3.22) semnificaþia lui f este cea a timpului necesar pentru reducerea diferenþei de temperaturã la 1/10 din valoarea sa pentru anumite condiþii. Valoarea luii f din punct de vedere matematic, reprezintã reciproca pantei curbei de variaþie a diferenþei de temperaturã în timp.
Pentru trasarea curbei ca o dreaptã a fost necesar ca pentru ordonata la origine în diferenþa de temperaturã a trebuit sã se ia pseudotemperatura iniþialã a produsului. Ball a propus ca, þinând seama de mãsurãtorile posibile, determinarea lui ta sã se facã din relaþia:

respectiv valoarea lui

iar relaþia (3.22) þinând seama de acestea devine:

Ecuaþia (3.25) este definitã complet prin parametri tm, t0, f ºi j. Parametrii f ºi j sunt determinaþi pe baze experimentale ºi sunt comentaþi destul de mult în literatura de specialitate. Sensul matematic al lui f a fost precizat ca reciproca pantei curbei, sensul geometric este cotangenta unghiului dintre asimptotã ºi axa timpului. Sensul fizic a fost precizat ca fiind timpul necesar pentru a reduce diferenþa de temperaturã la 1/10 din valoarea sa. Valoarea sa depinde de proprietãþile produsului, mãrimea ºi forma ambalajului. Ball dã o serie de tabele cu valori pentru f în cazul anumitor produse ºi anumitor ambalaje. În acelaºi timp dã o relaþie de obþinere a valorii lui f' pentru alt tip de ambalaj dacã se cunoaºte valoarea lui f pentru un anumit tip de ambalaj. Valoarea lui f' dupã Ball se poate calcula pe baza relaþiei:

în care a ºi a' se pot determina pe baza anumitor relaþii în funcþie de dimensiunile ºi forma celor ambalaje luate în considerare.
Din relaþia (3.18) pentru convecþie purã valoarea lui f este datã de relaþia:

Din relaþia (3.21) dezvoltatã dupã dupã funcþii Bessel valoarea lui f este datã de relaþia:

în care a este difuzivitatea termicã a produsului; R ºi h dimensiunile ambalajului cilindric.
Parametrul j, denumit ºi factor de lag (factor de întârziere) sau coeficient de intercept, este o mãsurã a rãmânerii în urmã în stabilirea unei rate de încãlzire uniformã. Valoarea lui j este o funcþie de poziþia punctului punctului pentru care se fac mãsurãtorile, forma ambalajului ºi distribuþia iniþialã a temperaturii.
Prin convecþie purã din relaþia (3.18) valoarea lui j se deduce a fi j=1. Ball a arãtat cã se observã experimental în cazul convecþiei pure valori ale lui j subunitare ºi a explicat aceasta prin variaþia coeficientrului de total de transfer de cãldurã în timpul procesului de încãlzire. Pentru conducþia purã þinând seama de relaþia (3.21) valoarea lui j 2. Experimental însã s-a observat cã valorile sunt considerabil mai mici variind între 1,2 pãnã la 1,8.
Pentru prezentarea curbei din figura 3.5 în literaturã se gãsesc ºi diagrame semilogaritmice specifice unui anumit tip de ambalaj, care de obicei au cele douã coordonate din drupuri nedimensionale.

3.3.2 Evoluþia temperaturii la rãcire în centrul ambalajului

Pentru calculul proceselor de sterilizare, tot aât de important ca variaþia temperaturii în centrul geometric al cutiei în faza de încãlzire, este variaþia temperaturii în faza de rãcire, cel puþin pentru perioada cât faza de rãcire este activã pentru distrugerea microorganismelor ºi enzimelor.
Transferul de cãldurã în faza de rãcire se realizeazã în aceleaºi condiþii ca în faza de încãlzire, cu urmãtoarele faze caracteristice:
-fluxul termicare direcþia din interior spre exterior, punctul cu temperatura cea mai ridicatã rãmânând deaceastã datã produsul din centrul geometric, respectiv echivalentul lui;
-dacã la încãlzire se putea realiza transferul un agent de încãlzire care-ºi menþine temperatura constantã, la rãcire agentul de rãcire are totdeauna temperatura variabilã;
-distribuiþia temperaturii la începerea fazei de rãcire nu este uniformã în produs.
Ultimele douã elemente fac ca relaþiile de transfer de cãldurã indicate pentru faza de încãlzire sã nu poatã fi utilizate decât fãcându-li-se modificãri importante.
ªi în cazul rãcirii Ball ºi colaboratorii au observat cã variaþia temperaturii funcþie de timp într-o diagramã semilogaritmicã este datã de o curbã care are douã porþiuni: o porþiune curbilinie ( sau porþiunea de lag) care apare la începutul rãcirii ºi o porþiune liniarã ( sau porþiunea semilogaritmicã).
Porþiunea iniþialã-cea de întârziere a începutului rãcirii este provocatã de elemente similare, ca porþiunea analoagã de la curba de încãlzire, respectiv de rãcire iniþialã a restului produsului pânã la cel din centrul ambalajului.
Ecuaþia dreptei de rãcire, similarã cu cea a dreptei de încãlzire se poate scrie sub forma:

iar curba de rãcire se poate prezenta în mai multe variante ca ºi curba de încãlzire. În figura 3.6 este prezentatã varianta curbei de rãcire în care ordonata logarotmicã este un numãr nedimensional , iar abscisa timpului t.
În ecuaþia (3.29) tg-temperatura produsului la începutul rãcirii în centrul geometric la începutul rãcirii în centrul geometric la începutul rãcirii, care ar putea juca rol la determinarea lui jr. Dupã unii autorijr=1,41. Flambert ºi colaboratorii însã au demonstrat teoretic ºi experimental cã valoarea llui jr poate fi diferitã de 1,41.
În relaþia (3.29) fr are aceeaºi semnificaþie cu a lui f pentru perioada de încãlzire. Ball a propus ca valoarea lui fr sã fie luatã egalã cu cea a lui f pentru curba de încãlzire. ªi asupra valorii lui fr pãrerile sunt împãrþite.

3.3.3 Temperatura medie a masei produsului în cazul
transferului de cãldurã prin conducþie

În multe cazuri cunoaºterea temperaturii medii a produsului (tm) este importantã pentru proiectarea proceselor de sterilizare ºi evaluarea modificãrilor survenite în calitatea produsului. Principial valoarea lui tm s-ar putea calcula din relaþia:

Relaþia (3.30) s-ar putea rezolva dacã se cunoaºte funcþia t.dM în care M este masa produsului.
Pentru temperatura medie (tm) în timpul încãlzirii, Kopelman ºi colaboratorii au prezentat o expresie analiticã care leagã temperatura medie a produsului de temperatura din centrul geometric al produsului (tg) ºi temperatura agentului de încãlzire (tm), care a fost adusã la forma :

Valoarea lui Kmg este o funcþie de factorul de lag ºi de mãrimea criteriului lui Biot. Dupã unii autori Kmg=0,27.
Este important sã se poatã calcula temperatura medie a produsului la sfârºitul perioadei de rãcire, temperatura aceasta fiind foarte importantã ºi trebuind sã fie cuprinsã între 32 0C ºi 44 0C. Temperatura minimã este limitatã pentru împiedicarea ruginirii cutiilor, deoarece la temperaturi de 32 0C ºi superioare, uscarea cutiilor se realizeazã destul de rapid. Limita superioarã apare pentru împiedicarea dezvoltãrii bacteriilor termofile care nu au fost distruse, dar care la temperaturi sub 44 0C nu se mai dezvoltã.
Pentru determinarea distribuþiei temperaturii la un moment dat, în cazul ambalajelor cilindrice se poate aplica un calcul pe baza metodei diferenþelor finite, împãrþind cilindrul în n inele de grosime DR=R/n ºi scriind pentru fiecare inel un bilanþ termic de tipul:

unde: Qi-cãldura intratã pe o faþã a inelului, transmisã prin conducþie; Qe-cãldura ieºitã pe cealaltã faþã a inelului, transmisã prin conducþie; Qac-cãldura acumulatã în inel în unitatea de timp, care poatet fi pozitivã sau negativã ºi care modificã temperatura medie a inelului faþã de cea avutã în intervalul de timp precedent Dq.
Dacã se cunoaºte l, r, c pentru materialul din recipient, dacã se cunoaste o distribuþie a temperaturilor t1, t2, ..., tn pe feþele inelelor de la diferite poziþii ºi un interval de timp ales pentru transfer Dt se poate determina pe rând temperatura medie a fiecãrui inel



pasteurizare în perioada de rãcire, pînã ajunge la temperatura minimã cu acþiune lentalã. Ca sã se þinã seama ºi de perioada de încãlzire ºi de cea de rãcire, Kuck a introdus un produs nedimensional - un invariant de similitudine - pe care l-a numit criteriul lui pasteur (Pa) ºi l-a definit prin relaþia;în care 0 respectiv d0 reprezintã durata efectivã de la acþiune la temperatura de pasteurizare ºi 0= durata suficientã de acþiune a temperaturii pentru distrugerea microfaunei, calculatã pe baza relaþiei (3.34).
Pentru produsele pasteurizate la temperaturi superioare lui 60*C., efectul de pasteurizare apare în perioada de încãlzire, de menþinere la temperatura de pasteurizare ºi rãcire pînã la 60*C. Astfel cã se poate vorbi de un timp efectiv de încãlzire 0i în care se acþioneazã cu variaþia temperaturii de la 60*C la tp, un timp efectiv de menþînere 0m în care se acþioneazã la tp ºi un timp efectiv de rãcire 0p în care se acþioneazã cu variaþia temperaturii de la tp la 60 0C. Pasteurizarea se considerã realizatã corespunzãtor dacã criteriul lui pasteur Pa>1. In cazul acþiunii de pasteurizare în cele trei perioade, fiecare are valoarea sa pentru criteriul lui Pasteur, iar pasteurizarea se considerã corespunzãtoare dacã:

Valorile lui Pai ºi Par se calculeazã pentru un 0 determinat la o temperaturã medie între 60 0C ºi tp.

Relaþia (3.36) este importantã pentru construcþia pasteurizatoarelor, deoarece permite calculul pasteurizãrii, þinînd seama de perioada de încãlzire ºi rãcire cu acþiune latenta ºi urmãrind ca perioada de menþinere la tp sã tindã cãtre zero. a nu este decît o altã formã a relaþiei ( 1.9 ) care lua în considerare efectul de distrugere pr perioada de încalzire, menþinere ºi rãcire.Pentru definirea realã a pasteurizãrii se calculeazã valorile pe baza relaþiei (3.34) separat pentru perioada de menþinere ºi pentru cea de rãcire, iar valorile lui 0 sînt cele trei perioade în cazul pasteurizãrii în vrac sînt determinate de condiþiile de transfer de cãldurã ºi curgerea fluidelor. Þinînd seama de condiþiile de transfer de cãldurã, pentru încãlzirea produsului în perioada de încãlzire de la 60 0C la tp trebuie sã se asigure un flux termic definit de o relaþie de transfer ºi de o relaþie calorimetricã, care poate fi pusã sub forma:M c dt= dA ki( ta- ti). în care M,c, dt au semnificaþiile de la (1.12 ), dA= elementul de suprafaþã luat în considerare, kI= coeficientul total de transfer de caldurã în zona de încãlzire ºi tm= temperatura agentului de încãlzire respectiv a produsului de încãlzire.
Dar ºi , de unde în care: