Optimización y automatización del tratamiento térmico Marta Xargayó, Josep Lagares, Eva Fernández, Daniel Sanz, Laura Reixach
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INTRODUCCIÓN La etapa de cocción es la fase final de un elaborado proceso tecnológico para obtener un buen producto cárnico cocido. Como es de suponer se trata de una fase muy crítica porque cualquier error puede destruir todo el trabajo realizado con anterioridad. Y sin embargo, sorprende que técnicamente apenas ha evolucionado desde el inicio de la industria cárnica. Los procesos y regímenes de temperaturas se han ido adaptando a los productos a lo largo de los años pero los equipos apenas han sufrido variaciones. Durante la cocción se producen una serie de cambios en la estructura interna del producto como son la coagulación y desnaturalización de las proteínas que mejoran la palatabilidad de la carne intensificando el sabor, la destrucción de un gran número de microorganismos, la inactivación de los enzimas proteolíticos, la estabilización del color rosado curado de la carne etc. Todos estos cambios afectan directamente a la apariencia, gusto, textura y calidad final del producto y tienen lugar simplemente por la transferencia de calor desde un ambiente (agua o vapor) al interior del producto, seguido del enfriamiento a una temperatura de seguridad a través de métodos parecidos (agua, aire). El proceso tradicional de cocción en agua consiste en una serie de instalaciones de calderas de agua donde se introduce el producto en cestas que, en la mayoría de los casos, siguen cargándose y descargándose manualmente. No existe un control específico del proceso ni registro detallado del mismo y, generalmente, el final del proceso se efectúa por un tiempo preestablecido en pruebas realizadas antiguamente, sin tener en cuenta la temperatura final del producto. Con el tiempo se han ido mejorando los controles de temperatura del agua y en algunos casos del producto, pero incluso en los sistemas más actualizados de cocción en 172
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agua, el control se pierde cuando se entra en la fase de enfriamiento, siendo la etapa más relegada del proceso. Raramente se tiene en cuenta que si el enfriamiento no se realiza adecuadamente, pueden aparecer problemas de sabor/textura o merma por sobre-cocción, o bien problemas de recontaminación por una disminución demasiado lenta de la temperatura. Esta forma de trabajar ha sido (y sigue siendo) válida para cierto tipo de elaboraciones. Pero en el momento en que se exige una trazabilidad del producto, con registro de todos los pasos, los procesos convencionales no pueden satisfacer las necesidades de la industria actual. Para poder realizar estos controles es necesario automatizar las fases de cocción y enfriamiento, integrándolos en una fase única y que el paso de una a otra se realice automáticamente, sin las pérdidas de tiempo que suelen producirse por falta de capacidad en el transporte de cestas o de mano de obra. Por otra parte, la competencia del mercado exige que la calidad de un producto sea constante y segura, por lo que una empresa no puede permitirse tener una parte del proceso sin control, desconociendo lo que pasa dentro de una caldera de cocción o en un cámara de refrigeración, con la duda de que no todas las piezas habrán seguido el mismo proceso y la calidad/seguridad no sea homogénea. Otro punto importante a analizar es la cantidad de mano de obra que se requiere para las interfases del proceso: llenado y vaciado de las calderas/hornos, transporte de las cestas de moldes desde embutición a cocción, posterior transporte a enfriamiento y finalmente traslado a la zona de desmoldeo. Si se suman todos estos pasos se verá que la cantidad de horas empleadas en un trabajo que no aporta ningún valor al producto es suficientemente elevado como para justificar la automatización del mismo, y emplear el coste de esta mano de obra en otros trabajos más productivos. Y no hay que olvidar que la seguridad alimentaria es
un tema que, por desgracia, es de gran actualidad debido a que algunas malas prácticas de fabricación han acabado en infecciones colectivas. Hoy en día es indispensable poder asegurar una buena calidad microbiológica de los productos que se comercializan. Y para poderlo hacer es preciso tener la seguridad que el proceso térmico se ha realizado correctamente.
un distribuidor formado por una chapa agujereada, creándose una pre-cámara
En este artículo se analiza un innovador sistema de cocción automatizado por CONVECCION FORZADA Y DIFUSA (CCFD) que incluye todas estas carencias mencionadas, a través de un equipo que asegura el control global, la seguridad y calidad del producto y la automatización del proceso. ¿Qué es la Cocción por Convección Forzada y Difusa (CCFD)? Antes de presentar las ventajas que puede ofrecer este sistema, es necesario realizar una introducción breve sobre el mismo. El equipo involucrado en este proceso se compone de una caldera dividida en dos pisos por una placa que dispone de varios agujeros que permiten el paso del flujo de agua desde el volumen definido en el piso superior (cámara 1) y el volumen definido en el piso inferior (cámara 2) para facilitar el vaciado completo de la caldera. La ventaja fundamental de practicar esta división estriba en el hecho de poder controlar y canalizar mejor el flujo de agua en el interior de la caldera y garantizar su tránsito a través de los moldes. Esta modificación permite un más rápido y homogéneo flujo a través de los moldes, que a su vez conlleva una más eficiente y homogénea transferencia térmica. Para reforzar la recirculación del fluido se incorporaron dos entradas de agua en la cámara superior y dos salidas en la misma cámara pero en la superficie opuesta, que a su vez constituyen las entradas de la cámara inferior, repitiéndose el mismo esquema de entradas y salidas anterior, pero cruzado. En la figura 1 se muestra esta disposición. En cada punto de entrada de agua se ha colocado
▲ Figura 1: Entradas y salidas de agua. Tanto las entradas como las salidas, están centradas respecto a la altura de cada cámara. que recoge el agua desde su llegada por la tubería de entrada y lo distribuye a la cámara correspondiente de la caldera, a través de sus agujeros. Asimismo, se colocaron otros distribuidores de salida de las mismas características que el descrito para el de entrada, con la salvedad de que el diámetro de los agujeros es ligeramente mayor. De esta forma se garantiza un flujo lineal, en el sentido transversal de cada cámara, a elevada velocidad (aprox. 7 m/s en la salida de los agujeros), que bañe de forma uniforme todas las superficies de los moldes y permita su calentamiento a la temperatura deseada lo más rápido y eficazmente posible. Para finalizar, se instaló un sistema de inyección de vapor en cada piso. Las cámaras superior e inferior tienen únicamente una lanza instalada en el lado más próximo a la salida del agua para evitar la formación de bolsas de vapor perjudiciales para 173
el proceso de cocción, cerca de los moldes inferiores. Desde el punto de vista energético de calentamiento, supone un aprovechamiento 100% de la Energía del Vapor, al mezclarse directamente por inyección con el agua de cocción, evitando así las pérdidas correspondientes a la transferencia de calor entre vapor-agua en intercambiadores de calentamiento, en los equipos de operación y control, y en largas tuberías.
transmisión de calor por el método más eficaz como es la convección térmica, gracias a una simple convección natural por diferencias de temperatura en el agua y por reposición de agua caliente para mantener la temperatura. De esta forma se generan bolsas y circuitos térmicos preferentes minimizando la transferencia de calor, y dando lugar a una irregular distribución de la temperatura dentro de la caldera de agua.
Por el contrario, el propio diseño del sistema de cocción por convección forzada y difusa (CCFD) incrementa notablemente la velocidad de recirculación y distribución de las temperaturas, consiguiéndose maximizar la transferencia de calor con el mismo • Incrementar la eficiencia térmica del equipo consumo de energía. y estandarización del proceso a través de la homogeneización de las temperaturas de cocción y Para poder demostrar estas diferencias en los dos regularidad del proceso, con el objetivo de conseguir sistemas de cocción se realizó un estudio del flujo del una calidad constante del producto. agua en el interior de una y otra caldera y se procedió a analizarlasdiferenciaspormediodemodelosnuméricos • Reducir procesos que consumen tiempo y costosas basados en simulaciones fluido-dinámicas (CFD). rutinas manuales, permitiendo realizar la cocción y el enfriamiento del producto en un mismo lugar de El estudio se centra sobre la repartición de velocidades cocción evitando transportes innecesarios. del fluido (agua) dentro de la caldera durante la fase de recirculación. A continuación se muestran algunas • Reducir costos de personal debido a las fases figuras con los resultados obtenidos de la simulación de carga y descarga de los moldes que se pueden de la situación de partida con las calderas de cocción automatizar ahorrando mano de obra y facilitando el tradicional y los moldes tradicionales (figura 2) y con trabajo de los operarios. calderas por convección forzada y difusa (figura3): A partir de un equipo con una base sólida como éste, se procedió a analizar los objetivos a alcanzar para poder decidir si realmente superaba las deficiencias mencionadas en las instalaciones actuales:
• Obtener información de forma sencilla y precisa del proceso con la generación de registros. • Versatilidad de formatos: utilización de todo tipo de moldes existentes en la planta, sin la obligatoriedad de invertir en equipos aún en activo. Eficiencia energética y regularidad en la distribución de temperaturas
2.00e-01 1.90e-01 1.80e-01 1.70e-01 1.60e-01 1.50e-01 1.40e-01 1.30e-01 1.20e-01 1.10e-01 1.00e-01 9.00e-02 8.00e-02 7.00e-02 6.00e-02 5.00e-02 4.00e-02 3.00e-02 2.00e-02 1.00e-02 0.00e-00
Z X
Contours of Velocity Magnitude (m/s)
Apr 29, 2004 FLUENT 6.1 (3d. segregatted, ske)
En el sistema de cocción tradicional en agua (CT) la transmisión del calor al producto es básicamente por conducción térmica. Solamente existe una minoritaria ▲ Figura 2: Representación Vectorial de las velocidades del fluido en una Caldera de cocción tradicional. 174
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y incrementando notablemente la eficiencia del proceso de cocción y enfriamiento. Al aumentarse la regularidad térmica en todo el seno de la caldera, se asegura la estandarización del proceso, garantizando así la calidad y la seguridad microbiológica del producto final. Control automático y registro del proceso
▲ Figura 3: Mapa de velocidades en la sección frontal del piso superior de una Caldera de CCFD. Como puede observarse en la figura 3, se han incrementado notablemente las velocidades de recirculación y distribución de temperaturas, al mismo tiempo que se han eliminado todo tipo de cortocircuitos fluidodinámicos y térmicos en el seno de la caldera (que el propio sistema pudiera crear) maximizando así la transferencia térmica
Esta caldera de cocción/enfriamiento descrita por sistema CCFD incorpora un alto grado de automatización permitiendo el control total del proceso para obtener registros de todos los pasos necesarios para la trazabilidad del producto, como por el control de la temperatura del producto durante la cocción/enfriamiento, evitando los efectos de sobre-cocción. Un proceso de cocción no controlado como suele ser el sistema tradicional, puede generar pérdidas de agua elevadas que pueden ser perjudiciales tanto para el consumidor (aspecto sensorial) como por el producto (pérdidas económicas).
▲ Figura 4: Cocción y enfriamiento CCFD vs. sistema tradicional. 175
En la figura 4 se muestra el registro del tratamiento térmico completo (cocción y enfriamiento) de un producto por sistema CCFD vs. un sistema tradicional: En el caso del tratamiento térmico CCFD, se observa que una vez finalizada la fase de cocción al alcanzarse la temperatura de consigna, automáticamente parte el atemperado del producto con agua a 15ºC, para poco después pasar al enfriamiento del producto con agua a 2ºC. Cuando el producto llega a la temperatura final de consigna (4-7ºC en el centro del producto) se finaliza el proceso de cocción/enfriamiento. Todos estos cambios se realizan automáticamente, sin ninguna intervención de los operarios ni pérdidas de tiempo.
enfriado con agua antes de la entrada en cámara (en el caso que se realice), puede hacer variar de un 20% a un 40% el tiempo de enfriamiento necesario para que el producto llegue a la temperatura deseada. En cambio, en la cocción automática el tiempo de enfriamiento es prácticamente igual al tiempo de cocción del producto, y siempre el mismo. Desde el punto de vista de seguridad alimentaria, es una garantía más para la calidad final del producto.
Un ordenador central de control del sistema registra on-line la temperatura del agua y del producto de cada una de las calderas gestionadas con representación gráfica en pantalla y archivo de También observamos que la curva de temperatura de valores de pasteurización y históricos de proceso, cocción/enfriamiento del sistema tradicional puede para poder ofrecer la trazabilidad necesaria. variar bastante en función del método utilizado Automatización de las interfases después de la cocción. Según la duración del prePara que el sistema sea realmente eficiente y productivo, es imprescindible que todas las operaciones que habitualmente se realizan manualmente, como son el llenado/vaciado de las
▲ Figura 5: Robot para transporte de cestas y llenado/ ▲ Figura 6: Instalación automática de cocción/enfriavaciado de calderas. miento: Mod. Cookline (cortesía de Noel Alimentación). 176
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calderas y traslado de las cestas de moldes a las cámaras, pasen a ser automáticas. No solamente para ahorro de la mano de obra necesaria para llevarlas a cabo, sino también para evitar la acumulación de pérdidas de tiempo por falta de atención de los operarios, o porque el equipo necesario para el transporte no está disponible. Para evitar todas estas pérdidas de productividad, se diseñó un robot que realiza todos estos trabajos ya programados en el software del equipo. Este robot recibe los multimoldes o cestas de cocción para moldes individuales en una estación de carga desde donde se activa el ciclo de carga. El robot recoge el multimolde/cesta y se desplaza automáticamente hasta la unidad de cocción seleccionada para realizar el llenado de la caldera según esté indicado en la programación diaria (Fig 5).
automatización completa y una gran versatilidad que admite la utilización de todo tipo de moldes, sin necesidad de inversiones extras. BIBLIOGRAFIA • OLIVEIRA, G.S.; TRIVELIN, M.O.; LOPES FILHO,;J.F., THOMEO, J.C. (2005). Thermo-physical properties of cooked ham. International Journal of Food Properties, 8-2, 387-394. • LAGARES, J. (1994). Process for manufacture of cooked ham and pork shoulder. Ingegneria Alimentare le Conserve Animali 9, 9-10, 12-13. • REICHER, J.; POGODDA, H.J. (1992). The F-value allows exact prediction of product shelf life: quality control in heat treatment. Fleischerei, 43 11, 1065.
Terminado el ciclo de cocción y enfriamiento el proceso se repite exactamente a la inversa, pero efectuando el traslado de los multimoldes o cestas hasta una estación de descarga situada en el extremo opuesto de la vía de desplazamiento del robot. Esta automatización permitirá el cálculo exacto de la producción que se puede llevar a cabo en una planta, porque al tratarse de operaciones automáticas, se puede calcular exactamente el tiempo empleado en cada una de las etapas. CONCLUSIONES Como se ha podido observar a lo largo de este artículo es posible “modernizar” una de las fases más olvidadas del proceso de jamón cocido. Los puntos débiles existentes hoy en día en las fases de cocción/ enfriamiento como son la eficiencia energética, el control y registro y la excesiva mano de obra pueden ser resueltos con las nuevas tecnologías presentes en el mercado. El sistema de cocción/enfriamiento por Convección Forzada y Difusa aporta un sistema de proceso totalmente integrado que permite la estandarización y trazabilidad de los productos, una 177