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Tecnologías transversalesde interés para las industriasalimentaria, farmacéuticay cosmética

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ISBN: 978-84-7867-061-1

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Autores

D.ª Susana Aucejo RomeroJefe del Departamento de Materiales

y Sistemas de Envasado de ITENE.Dr. Manuel Castillo Zambudio

Investigador CERPTA-UAB.D. Josep M.ª Darne Monar

Presidente Sairem Ibérica.D. Roger Escriu Justo

Investigador CERPTA-UAB.D.ª Ana Galet Domingo

Jefe de Proyectos del Departamento de Materialesy Sistemas de Envasado de ITENE.

Dr. Buenaventura Guamis LópezDirector CERPTA-UAB.

D. Óscar Rodríguez MontoroDepartamento Química-Física I. Facultad de Químicas.

Universidad Complutense de Madrid.Gestor de Investigación de los Proyectos MALTA-Consolider

(CSD2007-00045) y QUIMAPRES (P2009/PPQ-1551).D. Joaquim Torres Sanglas

Supervisor Proyectos Investigación MATGAS 2000 AIE.

Tecnologías transversales deinterés para las industriasalimentaria, farmacéutica ycosmética

Índice

7 Prólogo

D. Ricardo Martí Fluxá

9 Presentación

Dr. Buenaventura Guamis López

11 Química a alta presión: transferencia tecnológica

D. Óscar Rodríguez Montoro

27 La seguridad y la calidad del producto garantizadas mediante lasnuevas tecnologías aplicadas a los envases

D.ª Ana Galet Domingo y D.ª Susana Aucejo Romero

45 Aplicaciones de la ultra alta presión de homogeneización para lasindustrias alimentaria, farmacéutica, química y cosmética

Dr. Buenaventura Guamis López y D. Roger Escriu Justo

53 CO2 a presión, más que una alternativa de bajo impacto ambientala los disolventes orgánicos

D. Joaquim Torres Sanglas

67 Nuevos avances en la tecnología de microondas para la industriaalimentaria

D. Josep M.ª Darne Monar

89 Incorporación de sensores ópticos al procesado de alimentos

Dr. Manuel Castillo Zambudio

Estimado lector,

Las industrias alimentaria, farmacéutica y cosmética tienen procesos de in-vestigación, de producción y de comercialización en común.

Las nuevas tecnologías de procesado y envasado se pueden aplicar, y dehecho algunas de ellas ya se están aplicando, en estas industrias, con re-sultados muy satisfactorios para la innovación de nuevos productos y me-joras en los ya existentes.

Tecnologías como las altas presiones, los pulsos electromagnéticos, sensoresópticos o la extracción de CO2 supercrítico son de interés para las empresasde los tres tipos de industrias. A estas tecnologías, que son polivalentesporque prestan servicio en diferentes ámbitos productivos, las denominamostecnologías transversales.

Tienen una gran potencialidad, entre otras razones, porque permiten la co-laboración y la participación de diferentes agentes productivos en proyectosconjuntos.

La Jornada Técnica que se celebró el 10 de diciembre de 2009 en la Facultadde Veterinaria de la Universidad Autónoma de Barcelona y que se recogeen este libro se inscribe en el programa de actividades formativas y divul-gativas que organiza el Instituto Tomás Pascual Sanz, y ha de servir paraanalizar y comprender mejor algunas de las tecnologías a las que nos refe-rimos, y para indagar y reflexionar sobre las posibles coincidencias de inte-reses respecto a ellas entre las industrias cosmética, alimentaria y farma-céutica.

El Instituto Tomás Pascual y la Universidad Autónoma de Barcelona, juntocon empresas y entidades punteras en sus sectores como son el CERPTA,ITENE, el Parc Científic, Grupo MALTA-Consolider, MATGAS, Sairem IbéricaS.L. y Stansted, se complacen en invitarles a la lectura de este libro que sinduda les será de gran ayuda.

Gracias.

D. Ricardo Martí FluxáPresidente Instituto Tomás Pascual Sanzpara la nutrición y la salud

Prólogo

La Universitat Autónoma de Barcelona ha obtenido recientemente el es-tatus de Campus de Excelencia Internacional en Biotecnologías y Nanotec-nologías.

En esta universidad existe desde su inicio, en el año 1968, un gran interéspor resolver los problemas que plantea la sociedad con el objetivo de ser-virla y ofrecer soluciones. Esto ha permitido la creación y potenciación decentros y grupos de investigación que hoy día se encuentran en la van-guardia internacional debido a su excelencia demostrada.

El interés por el sector agroalimentario es uno de los principales objetivosde esta universidad, tal como se ha demostrado en la infinidad de proyectos,convenios, publicaciones y transferencia de tecnología realizada hasta laactualidad, así como las líneas de investigación que tienen numerososgrupos y centros (entre ellos el CERPTA).

La multidisciplinaridad es también uno de los factores activos de laUniversitat Autónoma de Barcelona, lo que ha permitido que trabajen con-juntamente grupos y centros especializados en diferentes sectores y tecno-logías. Fruto de esta colaboración son estas jornadas, donde se pone demanifiesto que determinadas tecnologías son aplicables a diferentes camposcomo el agroalimentario, farmacéutico, cosmético y químico. De esta ma-nera los conocimientos aplicados a un campo determinado se puedenadaptar a otros campos con resultados satisfactorios.

Por otro lado la Universitat Autónoma de Barcelona, desde su fundación,ha manifestado un talante abierto y de colaboración con otros centros yuniversidades, aspecto que no se ha ceñido exclusivamente al campo aca-démico o investigador sino también a la sociedad a través de sus empresasy organizaciones.

La jornada sobre tecnologías transversales pone de manifiesto la colaboracióncontinuada con el Instituto Tomás Pascual así como la Universidad Complu-tense de Madrid, los centros Itene y Matgás y la empresa Sairem Ibérica.

Dr. Buenaventura Guamis LópezDirector CERPTA-UAB

Presentación

Química a alta presión: transferenciatecnológicaD. Óscar Rodríguez Montoro

Concepto de presión. Historiade la alta presiónEl objeto de este capítulo es mostrar elenorme potencial de la tecnología de laalta presión, para dar una visión de con-junto de algunas de sus aplicaciones endiferentes disciplinas, centrándose par-ticularmente en el sector de la Biotec-nología.

El parámetro termodinámico de la pre-sión juega un papel esencial, tanto en laestructura del planeta Tierra como en ladel Universo. La definición formal depresión es la de magnitud física que ex-presa la fuerza ejercida por un cuerposobre la unidad de superficie. El pascales su unidad de medida en el SistemaInternacional y se define como unafuerza de 1 newton por m2 de super-ficie, siendo 1 N = kg·m·s–2.

En las condiciones de la superficie te-rrestre la presión es del orden de 105 Pa(101.325 Pa), es decir, aproximada-mente 1 atm. Probablemente, la presiónsea la magnitud física que en mayor nú-mero de unidades se exprese, así,puede hacerse en atmósferas, mmHg,bar, psi, cm de H2O, torr y un largo et-cétera. El valor de 105 Pa (aproximada-mente la presión atmosférica, 1 atm) noes muy apropiado para referirse a lasaltas presiones, por ello se utilizan unaserie de prefijos y de equivalencias de

esta unidad. La correspondencia apro-ximada entre varias unidades de usomás habitual en la alta presión es la si-guiente:

1 atm ~ 14,7 psi ~ 105 N·m-2 ~1,033 kg·cm-2 ~ 105 Pa

103 atm ~ 14.700 psi ~ 1.033 kg·cm-2

~ 108 Pa ~ 100 MPa

103 katm ~ 1 Mbar ~ 1011 N·m-2 ~1011 Pa ~ 100 GPa

La puesta en el escenario científico delparámetro termodinámico presión, encomparación con la de la temperatura,es relativamente reciente (finales delsiglo XIX). El estudio de fenómenos a altapresión comenzó durante el últimotercio de dicho siglo, con los trabajos deE. H. Amagat, en Francia. Este científicofue capaz de utilizar dispositivos que lepermitieron alcanzar presiones del ordende los 300 MPa y hacer las primeras me-diciones precisas de presiones altas. Paraello, inventó un manómetro de pistónde peso muerto similar a los utilizadosampliamente en la actualidad. Ya a prin-cipios del siglo XX, podemos datar el ver-dadero origen de las técnicas de altapresión, y se deben a P. W. Bridgman, dela Universidad de Harvard. Su actividadcientífica comenzó alrededor de 1906 y,hasta su retiro, llevó a cabo un númeroingente de experimentos. Durante susestudios iniciales, el profesor Bridgman

analizó fenómenos hasta presiones delorden de los 12 kbar. Hacia el final desu carrera había sobrepasado con creceslos 100 kbar. En todos aquellos años desu carrera, desarrolló diversas técnicasde alta presión (1) por las que en 1946recibió el Premio Nobel en Física.

Así, después de un siglo, este retardo res-pecto al uso de la temperatura, se em-pezó a superar gracias al desarrollo tec-nológico que permitió la fabricación deequipamientos capaces de generar pre-siones cada vez más elevadas. Se consi-guieron, por una parte, progresos indus-triales de la talla de: síntesis de amoniaco,metanol, urea, favorecidos por la alta pre-sión, elaboración de monocristales de ma-teriales funcionales (α-SiO2, GaN, ZnO…)(2, 3) y, por otra parte, surgieron nume-rosas líneas de investigación, de carácterinterdisciplinario, hoy día ya fortalecidasy consagradas. Sin embargo, no fue hastamediados de los años 50 cuando se cons-tató el verdadero alcance de las técnicasde alta presión, al conseguirse los pri-meros diamantes sintéticos (4).

Durante el periodo reciente (1970-2009),el desarrollo de la investigación en lasaltas presiones ha sido apoyado y susten-tado sobre avances tecnológicos talescomo (5, 6):

• El manejo de las altas presiones en vo-lúmenes cada vez mayores y las me-joras aportadas en las prensas tipo“belt”.

• La realización de equipamientos quepermiten elevar las presiones más alláde los 10 GPa, con una reparticiónmás homogénea en volúmenes ma-yores: los sistemas de yunque [DAC;Diamond Anvil Cell (figura 1)], multi-

yunque (multianvil) y, el manejo y de-sarrollo de presiones dinámicas (7).

• La puesta a punto de dispositivos aso-ciados a presiones extremas y la carac-terización in situ de materiales, porRaman, FTIR, difracción de rayos X…

A pesar de que el gran beneficiado detodos estos avances fue en un primer mo-mento la Ciencia de Materiales, se puededecir que las aplicaciones de la alta pre-sión en biociencia tienen más de un siglode existencia, pues ya en 1895 H. Royerobservó un descenso en los recuentos mi-crobianos al aplicar alta presión; en 1899,Bert H. Hite (West Virginia AgriculturalExperimental Station) examinó los efectosde la alta presión en leche, carne, frutasy vegetales, y en 1914, Bridgman (8), enuno de sus múltiples estudios, mostrócómo un huevo a temperatura ambientesometido a presión hidrostática, llega acoagular tornando a una apariencia pare-cida a la de un huevo cocido (figura 2).Tras un largo periodo de tiempo, en elque las aplicaciones biotecnológicas de la

Figura 1.

Tecnologías transversales de interés para las industrias alimentaria, farmacéutica y cosmética

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alta presión parecieron estar en estado la-tente, durante los últimos 20 años, yaprovechando todos estos avances téc-nicos y científicos paralelos a las altas pre-siones, se han vuelto a redescubrir losefectos de la presión hidrostática comoun proceso eficiente y limpio para esta-blecer relaciones entre funciones y estruc-turas macromoleculares, pasando por losorganismos vivos.

En 1990, en la Universidad de Kyoto,Japón, se realizaron los primeros estudiossobre la viabilidad comercial de alimentostratados por altas presiones. A finales de1995, un total de siete compañías japo-nesas habían transferido estos estudios ala industria, lo que permitió la producción,a pequeña escala primero, de una mer-melada de fresa, y más tarde, de jugos defrutas, carnes, pescados, sake y pastelesde arroz (9). Aún tardaron unos años enaparecer las primeras aplicaciones comer-ciales de las altas presiones en la indus-tria, en países como Francia, EE.UU. yEspaña, pero éstas han irrumpido confuerza. En España, en 1997, la empresaEspuña, pionera en este tipo de tecno-

logía, lanzó el producto “jamón cocidoloncheado”, tratado por HPP.

Procesado de productos: altapresión hidrostática (HPP)

El procesado por alta presión hidrostáticaes un método de tratamiento de pro-ductos (alimentos, fármacos, cosmé-ticos…), donde éstos son sometidos apresiones del orden de 4.000 atmósferas(400 MPa), durante varios minutos. Si elmódulo de presión al que es sometido elproducto es el mismo en todas las direc-ciones del espacio, entonces se habla depresión isostática. Nos referimos a presiónhidrostática cuando la presión isostáticaes transmitida por el agua.

En ausencia o en presencia de trata-miento térmico, con esta presurizaciónse aumenta la inactivación de microor-ganismos patógenos y vegetativos pre-sentes en los productos alimenticios(bacterias, virus, levaduras, hongos…).El proceso es conocido con las siglasHPP (high pressure processing), o conUHP (ultra high-pressure processing).También recibe el nombre de “pasca-lización” (altas presiones a temperaturasordinarias), por su paralelismo con la“pasteurización” (altas temperaturas apresión atmosférica).

Es importante resaltar que, para que enun producto se pueda propagar la pre-sión en su interior, éste tiene que teneruna cierta cantidad de líquido en sucomposición. La HPP mantiene la calidady la frescura natural de los alimentosque contengan un porcentaje alto deagua, permitiendo la reducción o la eli-minación por completo del uso de adi-tivos y conservantes. Objeto de este pro-

Figura 2.

Química a alta presión: transferencia tecnológica

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cedimiento, dadas sus características decontenido en agua, son los pescados,mariscos, los productos cárnicos, lác-teos, zumos, compotas, etc.

Para entender mejor cómo funciona laHPP hidrostática, nos basaremos en elfuncionamiento de una unidad indus-trial, tomando como ejemplo el funcio-namiento de maquinaria fabricada porla empresa española NC Hyperbaric, queprovee a nivel mundial su maquinaria dealta presión.

El producto a procesar (figura 3) se co-loca en un contenedor de dimensionesadecuadas a la cámara de proceso. Unsistema automático de carga introducelos contenedores en el interior de la va-sija. Se cierran los extremos de la vasijacon tapones y ésta se rellena con aguaa baja presión. Una vez llena y cerradala vasija herméticamente, se ponen enmarcha los intensificadores de alta pre-sión que bombean más agua al interiorde la cámara hasta alcanzar la presióndeseada (del orden de los 600 MPa).Posteriormente, se mantiene la presión

un tiempo prefijado (desde unos se-gundos a varios minutos). Se disminuyela presión y se abren los tapones, des-cargándose la vasija con el productoprocesado y listo para su almacenaje yconsumo.

Principalmente, tres son las líneas de pro-ductos alimenticios sobre los que se aplicael procesado por HPP o pascalización: 1)Pescados y mariscos, por procesados apresiones entre 400 y 600 MPa durante 1a 5 minutos, aumentando la vida útil depescados, langostinos y cangrejos, laapertura de bivalvos (ostras, mejillones…)para la extracción sencilla de su carne, porla relajación abductora que induce la altapresión hidrostática; 2) Productos cár-nicos, loncheados y platos preparados:procesados a presiones de entre 500 y600 MPa de 1 a 5 minutos, que reducendrásticamente la contaminación microbio-lógica y de patógenos (Listeria, E.coli,Salmonella); 3) Zumos, jugos, com-potas…: procesados por presiones deentre 400 y 600 MPa de 1 a 5 minutos,reducen drásticamente la contaminaciónmicrobiológica. La HPP, en este tipo deproductos aumenta hasta 10 veces la vidaútil, si lo comparamos con los mismosproductos, sin procesar y almacenados aigual temperatura. A su vez, permite eldesarrollo de alimentos más saludables:ricos en vitaminas, antioxidantes y com-puestos antimutagénicos termosensibles,debido a este tratamiento no térmico y ala no manipulación posenvasado.

Todos estos avances innovadores en eltratamiento de conservación de ali-mentos se están empezando a extra-polar a algunos productos farmacéuticosy a la industria cosmética, como mé-todos de pasteurización no térmica.Figura 3.


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Efecto de la alta presión en lasbiomoléculas y microorganismos

Una vez mostrado el fundamento téc-nico, pasamos a ver cómo la presiónafecta a las biomoléculas y a los microor-ganismos, pero para ello es convenientetener en cuenta una serie de aspectosprevios para poder entenderlo mejor. Enprimer lugar, el Principio de Pascal, el cualafirma que “la presión aplicada sobre unfluido contenido en un recipiente setransmite por igual en todas las direc-ciones y a todas partes del recipiente”.Otro Principio básico a considerar es el deLe Châtelier, que enuncia que “los fenó-menos que acompañan a una reducciónde volumen son favorecidos por un au-mento de la presión, y viceversa”.

Por otro lado, hay que tener presente eldiagrama de fases del agua (figura 4) y,en particular, resaltar que la congelacióndel agua lleva consigo un aumento devolumen al pasar al estado sólido dehielo I, que se traduce en una disminu-ción de densidad; al presurizar esta fasesólida, el agua se estabiliza de nuevo alíquido, lo que hace que a temperaturaordinaria (25 ºC) y a varios miles de at-mósferas de presión, el agua perma-nezca líquida.

También este efecto debe considerarseen las disoluciones acuosas, desde lasdispersiones, pasando por las suspen-siones y emulsiones, hasta llegar a lasdispersiones coloidales, y cómo éstas úl-timas pueden presentarse en formafluida (sol) o con aspecto gelatinoso, se-misólido y con cierta elasticidad (gel).

También es necesario considerar quétipos de interacciones mantienen la dis-posición estructural de las biomoléculas.

Los fuertes enlaces covalentes mantienenunidos a los átomos que configuran estetipo de moléculas, mientras que otrostipos de interacciones más débiles, no co-valentes, como son las fuerzas de Van derWaals o los enlaces de hidrógeno, son lasque mantienen la estructura conforma-cional tridimensional.

La HPP afecta de muy diferente maneraa las diversas biomoléculas. Así, de ma-nera general, a las proteínas, y en com-paración directa de cómo se ven afec-tadas por la temperatura, las influye dela siguiente manera:

• La alta presión reduce el volumen delas proteínas, mientras que la tempe-ratura provoca la rotura de la estruc-tura tridimensional.

• La alta presión no rompe los enlacescovalentes de las estructuras prima-rias, pero modifica los no covalentes.La alta temperatura rompe ambos.

Figura 4.


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• La presurización es capaz (depen-diendo de la intensidad de la presión,del tiempo de exposición y del tipo deproteína) de llegar a desnaturalizar alas proteínas de manera irreversible.

A los glúcidos, en especial a los mono-sacáridos y disacáridos, tanto a las osascomo a los ósidos, al estar unidos susátomos por enlaces covalentes (enlacesC-H, hemiacetálicos, o-glucosídicos), laalta presión moderada no les afecta,pero no sucede lo mismo con polisacá-ridos como el almidón del trigo, que altener un nivel de organización tridimen-sional, estabilizado por enlaces débiles,se transforma en sustancias gelatinosascon cierta fluidez (10).

Los lípidos de membrana (fosfolípidos yglicolípidos), en especial las transicionesde fase lipídicas, se encuentran entre lasbiomoléculas que más variaciones sufrenal ser sometidas a altas presiones. El ele-mento básico de las membranas estruc-turales consiste en una matriz bi-capalaminar de fosfolípidos. Las variacionesse traducen en cambios de fase estruc-turales, debido a su característica aso-ciación intermolecular no covalente,fruto del carácter bipolar y anfipático deestas moléculas (11).

Existe, por el contrario, otro tipo de bio-moléculas, como son las vitaminas y losderivados de los alimentos nutracéuticos(sus jugos, para ser más exactos), queapenas se ven afectados por la HPP, man-teniendo sus características (antioxi-dantes, antimutagénicas…) intactas.Moléculas como el ADN se ven estabili-zadas por la HPP, debido a enlaces de hi-drógeno que estabilizan sus dobles hé-lices estructurales.

Una vez descrito cómo se comportan aalta presión las biomoléculas, hacer laextrapolación a cómo afecta a los micro-organismos es relativamente sencillo. Laalta presión actúa sobre los compo-nentes lipídicos y proteicos de las mem-branas celulares de los microorganis-mos, induciendo a su inactivación. A suvez, contribuye a disminuir la fluidez delas biomembranas y, con ello, a atenuarla difusión y el transporte activo entrelos medios intracelular y extracelular.

Podemos establecer la siguiente escalade resistencia de microorganismos a laalta presión:

Las levaduras y los mohos son las formasmás sensibles, su inactivación sobrevie-ne a presiones comprendidas entre los200-400 MPa. Las bacterias gram-negativas son menos resistentes que lasgrampositivas, para las que se necesitanpresiones del orden de los 500 a 600MPa (ejemplo: S. aureus). Este fenó-meno es explicable esencialmente por ladiferencia estructural entre sus paredes:las bacterias grampositivas poseen unapared que contiene altas proporcionesde peptidoglicanos y muy bajas de lí-pidos y proteínas, esta proporción se in-vierte en el caso de las gramnegativas.Los peptidoglicanos están formados porenlaces covalentes resistentes a la pre-sión, al contrario que las proteínas y loslípidos, que se ven fuertemente afec-tados.

Tanto para los mohos como para lasbacterias, sus formas esporuladas sonmás resistentes que sus formas vegeta-tivas. Las esporas bacterianas poseen elrécord de tolerancia a la presión, presen-tando un problema en muchos de los


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protocolos de esterilización por altaspresiones (las esporas de Bacillus spp.),ya que no dejan de ser viables hasta pre-siones superiores a 1 GPa. Su inactiva-ción necesita de la puesta en marcha denuevas estrategias (combinación de lapresión con la temperatura o conagentes químicos, repeticiones de ciclosde presurización-despresurización…)(13, 14).

Aplicaciones de la alta presiónen BiotecnologíaParece, pues, el momento de apostar porlas ventajas que nos oferta la tecnologíade las altas presiones, hecho del que pro-yectos de investigación nacionales, comoson MALTA-Consolider (Materia a AltaPresión) y QUIMAPRES (Química a AltaPresión), ya se han hecho eco. Los inves-tigadores de estos proyectos trabajan enla puesta en marcha de nuevos disposi-tivos de generación de alta presión, desensores de alta presión, nuevas investi-gaciones y campos de aplicación, etc.

Varias son ya las aplicaciones de la altapresión que se encuentran en la indus-tria, pero existen numerosas aplica-ciones que se encuentran en vías de de-sarrollo para poder dar el salto al tejidoindustrial.

Conservación de productos a altapresión

El procesado de productos por alta pre-sión hidrostática, como ya se ha presen-tado en las secciones anteriores, se en-cuentra ya extendido a lo largo de laúltima década a la conservación de ali-mentos y se están dando los primeros

pasos para su utilización en productosfarmacéuticos y cosméticos.

Esterilización de moléculasterapéuticas tradicionales

La alta presión permite la puesta enmarcha de novedosos protocolos de es-terilización de moléculas terapéuticassensibles a los procesos muy energé-ticos, usados habitualmente, tales comola alta temperatura y las radiaciones io-nizantes. Los trabajos científicos hanmostrado que es posible inactivar orga-nismos normalizados por la FarmacopeaEuropea (Candida albicans, esporas dePseudomonas aeruginosa, esporas deBacillus subtilis). Las condiciones termo-dinámicas de presión y temperatura deP < 500 MPa y T < 37 ºC, permiten sal-vaguardar la integridad físico-química demoléculas de interés terapéutico, talescomo péptidos, insulina, anticuerposmonoclonales, etc. (15).

Esterilización de moléculasterapéuticas modernas

Los protocolos de esterilización puedenser aplicados también a las formas galé-nicas más modernas, por ejemplo, lossistemas medicamentosos nanodisper-sados elaborados a base de polímerosbiodegradables (esferulitas®, nanocáp-sulas, nanoesferas y liposomas biodegra-dables).

En las esferulitas®, se ha encontrado quepermanecen inalterables hasta los 500MPa, no alterándose la repartición gra-nulométrica de los constituyentes de lasmembranas y las tasas de encapsulación,por ejemplo, de colorantes (E-124 o rojocochinilla o amaranto).


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En la bibliografía reciente, también en-contramos estudios del comportamientode hasta siete tipos diferentes de nano-partículas, que no mostraron modifica-ciones significativas del ensamblaje desus sistemas dispersos después de lostratamientos a varios intervalos de pre-sión (200, 300, 400 y 500 MPa) (16).

Esterilización de material quirúrgico

Otra prometedora aplicación de la “pas-calización” como esterilizador se refierea la aplicación de la misma sobre mate-rial de implantes o prótesis, así como almaterial médico quirúrgico general y he-rramientas endoscópicas. Incluso es po-tencialmente aplicable a tratamientos dedesechos hospitalarios.

La inactivación de la actividad esporicidapor altas presiones hidrostáticas puedeser aumentada por un agente químicoo por el calor (P = 280 MPa, sosa 2 N,durante 1 hora a 45 ºC, habiéndose ob-tenido resultados mejores de inactiva-ción que a presión atmosférica) (17).

Inactivación de virus por altaspresiones

Las cápsidas virales, como las proteínaspoliméricas, son susceptibles de ser di-sociadas por un tratamiento de altaspresiones. Con esta filosofía han surgidorecientemente estudios con el objeto dela inactivación de virus patógenos parael hombre o de interés médico. A conti-nuación, se enumeran las condicionesde alta presión a las que fueron some-tidos una serie de virus de gran interés,así como sus referencias, siempre bus-cando su atenuación:

• Virus bacteriófago T4 (5-80 ºC, trata-mientos > 600 MPa) (18).

• Virus sindbis (a 174 MPa) (19).

• Virus de la gripe (260 MPa, durante 12 h,reducción de población) (20).

• Virus HSV-1 (herpes simple viruses 1)(P > 300 MPa, 10 min, 25 ºC) (21).

• Virus hepatitis A (HAV) (tratamiento450 MPa, 5 min) (22).

• Virus HIV (tratamientos a 350 MPa a25 ºC, reducción de población) (23).

Elaboración de vacunas con ayudade las altas presiones

Los procedimientos de desnaturalizaciónde proteínas por altas presiones provocala formación de estados intermediosque, en el caso de proteínas virales, setraducen en la pérdida de su carácter in-feccioso y la conservación de su poderinmunógeno, incluso reforzándolo. Losprocedimientos de altas presionespueden considerarse como un métodoalternativo a los métodos químicos co-rrientes utilizados en la fabricación devacunas.

Basset y sus colaboradores en elInstituto Pasteur de París llevaron a cabolas primeras investigaciones en el uso dela presión para la elaboración de va-cunas. A mediados de los años 50, ya sepreparó una vacuna contra la poliome-litis, pero por razones económicas estostrabajos terminaron rápidamente; des-pués la vacuna Sabin fue lanzada almercado (24).

En los últimos años, la presión ha ga-nado de nuevo interés en el desarrollode vacunas contra virus y células ma-lignas. Así, las proteínas del virus de la


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“fiebre del valle del Rift”, tratadas a 225MPa, a 25 ºC, durante 30 minutos, po-seen un poder inmunógeno superior yhan permitido inmunizar a ratonescontra un tipo de virus salvaje de lafiebre del Rift (25).

Pressure cycling technology (PCT):descontaminación viral de productosde origen biológico

A día de hoy, aún no existen demasiadostrabajos publicados sobre la esterilizaciónde productos sanguíneos y su trata-miento de manera sistemática por la ac-ción de las altas presiones, ni tampoco desu efecto sobre la actividad biológica delos diferentes constituyentes de la sangre.

Los efectos de la alta presión sobre lospreparados comerciales de plasma san-guíneo provocan una deformación delas plaquetas, pero no parecen alterarlas gammaglobulinas, la trombina, la an-titrombina o los factores IX, a excepcióndel factor VIII (26).

Trabajos más recientes, utilizando ciclos depresurización y despresurización, a 0 ºC yhasta los –40 ºC, han conseguido inac-tivar a la vez virus con envoltura (HIV,HSV…) y virus no envueltos (parvovirus)sin degradar los factores de coagulaciónni las inmunoglobulinas. Los últimos re-sultados obtenidos gracias a este pro-cedimiento se han bautizado como“Pressure Cycling Technology, PCT” (27).

Parece viable que las altas presionespuedan ser utilizadas en un futuro parala producción de plasma o de productosderivados de la sangre exentos de virus.Incluso, se tiene en vista la posibilidadde utilizar las altas presiones como tra-tamiento en vivo de la sangre de los pa-

cientes que sufren enfermedades viralesgraves para disminuir su carga viral cir-culante, de manera similar a como serealizan las diálisis.

Efecto de las altas presiones sobrelos priones

Los priones o proteínas priónicas sonagregados supramoleculares (glucopro-teínas) acelulares, patógenas, con ple-gamientos anómalos ricos en láminasbeta, y transmisibles. Se caracterizan porproducir enfermedades que afectan alsistema nervioso central (SNC), denomi-nadas encefalopatías espongiformestransmisibles (EET). Entre ellas se incluyela enfermedad de Creutzfeldt-Jakob.

La inactivación irreversible de prionespor presión necesitó de valores supe-riores a 1 GPa. Aunque presiones supe-riores a 500 MPa permiten inactivar elprión responsable de la encefalopatíaespongiforme del hámster de Syrie (28).

El aislamiento de estructuras proteicasanormales o agregados análogos a lascélulas implicadas en enfermedadescomo el Alzheimer, Parkinson, encefa-litis espongiformes o incluso numerososcánceres, permitirán el desarrollo demoléculas antagonistas capaces de pre-venir o bloquear estos fenómenos.

Reducción de actividadesalergénicas de los alimentos

Se ha encontrado que el procesado poralta presión es eficiente para reducir laactividad alergénica de los alimentos.Una de las tres estructuras alergénicasde la raíz del apio es destruida a 6 kbara 20 ºC. La compañía Echigo-Seika haestado comercializando durante varios


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años arroz hipoalergénico precocinado.Este proceso patentado aplicable alarroz podría ser extensible a procesos detrigo y cebada (29, 30).

Disociación antígeno-anticuerpo

La acción de las altas presiones entrañala disociación de las parejas antígeno-anticuerpo sin desnaturalizar cada unade las dos entidades. Esta observaciónes la base de la concepción de nuevossoportes de inmunoafinidad y de pro-cesos de bioseparación que permiten laobtención de compuestos de un gradode pureza requerido para las aplica-ciones terapéuticas (31, 32).

Formación de fibras amiloides

La desnaturalización proteica y los me-canismos de agregación-disociación in-ducida por presión son procesos com-plejos de varios pasos. Dependiendo delvalor de la presión, se establece una re-lación de compresión y el tiempo de ex-posición a la presión. Presiones por de-bajo de los 200 MPa inactivan lasenzimas, pero no causan grandes cam-bios en la estructura tridimensional dela proteína, aunque en algunos casos seha observado la formación de agre-gados proteicos, e incluso la formaciónde fibras (33). Esto podría ser aplicadode manera exitosa para la recombina-ción de proteínas de interés farmacéu-tico. El impacto biológico de la agrega-ción proteica surge de la existencia deenfermedades serias que son el resul-tado de la deposición de agregados pro-teicos insolubles en células.

Sin embargo, de manera paradójica, en al-gunos casos hay evidencias de que a pre-

siones moderadas se inducen transicionesconformacionales hacia estados parcial-mente desligados llamados “glóbulos fun-didos” (molten globule, MG) (34).

La alta presión está surgiendo como unanueva estrategia para el entendimientode la formación de amiloides. Las fibri-llas amiloides son estructuras fibrosasoriginadas por el autoensamblaje de po-lipéptidos. Son proteínas anormales,translúcidas y gelatinosas que se depo-sitan en los tejidos bajo diferentes cir-cunstancias. El depósito es extracelulary al microscopio presenta una estructurafibrilar característica. Amiloidosis, malescomo el Alzheimer, Parkinson, encefalo-patías espongiformes transmisibles, o in-cluso numerosos cánceres, podrían serfruto de la formación de estas fibras in-solubles. El aislamiento de estructurasproteicas anormales o de agregadosanálogos permitiría el desarrollo de mo-léculas antagónicas capaces de preveniro de bloquear este fenómeno.

Se ha propuesto recientemente quetales proteínas de fibrillas polipeptídicaspodrían producir nuevos nanomaterialesde utilidad, por ejemplo, como anda-miaje para soportar nanohilos conduc-tores (35). Entre las propiedades de in-terés se encuentran su alta resistencia aperturbaciones físicas y químicas, in-cluidas el calor y la presión (36). Un aná-lisis reciente de las propiedades mecá-nicas de fibrillas de insulina reveló queéstas poseen alta dureza y rigidez com-parable al acero y a la seda (37). Existenotros estudios interesantes de citar,como, por ejemplo, el que muestra laformación de insulina amiloide de mor-fología circular que se forman bajo HPPhidrostática (38).


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Aplicaciones basadas en elpolimorfismo del agua

El diagrama de fases sólido-liquido delagua (figura 4) muestra que el agua per-manece líquida por debajo de –20 ºC apresiones de 200 MPa. Una caracterís-tica importante es la variación positivade volumen en el paso de agua líquidaa hielo I, lo que provoca que el hielo Itenga menor densidad que el agua lí-quida. Esta particularidad permite rea-lizar procesos de congelación de ali-mentos de manera innovadora. Porejemplo, se pueden conservar alimentosbajo presión en estado líquido a tempe-raturas bajo 0 ºC o realizar descongela-ciones rápidas presurizando el alimentocongelado hasta cruzar la curva decambio de fase.

La congelación inducida de un productoa temperaturas de –10 ºC a –20 ºC bajopresiones de 100 a 400 MPa, es casi ins-tantánea cuando el producto es liberadode la presión. Esto podría, probable-mente, permitir que productos biofarma-céuticos frágiles puedan ser congeladossin daños estructurales que sí sufren porcongelaciones de –30 ºC o con nitrógenolíquido a presión atmosférica.

Varias aplicaciones basadas en el efectode la alta presión en la transición de fasedel agua a hielo IV (estas dos fases po-seen casi la misma densidad y favorecenla no formación de cristales de gran tallaque provocarían alteraciones tisulares)son usadas de manera habitual en latecnología de alimentos y, más reciente-mente, para posibles aplicaciones en lapreservación de materiales biológicosutilizados en Farmacia, derivados de lasangre, células, e incluso, en un futuro,

para conservación de órganos para tras-plantes (39).

Elaboración de geles proteicos y/omixtos con glúcidos

La formación bajo presión de geles pro-teicos homogéneos, geles de polisacáridosy geles mixtos de proteínas y polisacáridosson de gran interés en cosmetología y apli-caciones farmacéuticas. Los geles presuri-zados y las emulsiones floculadas de proteí-nas pueden ser usados por sus propiedadesreológicas particulares (reológico: relaciónentre el esfuerzo y la deformación, regula-ción del movimiento de los fluidos) o comotransportadores de componentes activosatrapados que puedan ser liberados lenta-mente. Igualmente es posible obtener rápi-damente geles perfectamente homogéneosa partir de excipientes utilizados corriente-mente en galénica, como los alginatos o loscarragenatos (40, 41).

Aplicaciones de la alta presiónen reacciones orgánicas ycatálisis enzimáticaLas reacciones químicas relacionadas conla alta presión en biotecnología se centranen la modificación dirigida de proteínas.La síntesis de compuestos quirales en susformas ópticamente puras es uno de losaspectos cruciales que se requieren en laquímica orgánica moderna. La alta pre-sión se centra actualmente en casos comoreacciones diasteroselectivas y enantiose-lectivas. Las reacciones que describimos acontinuación pueden ser usadas para lamodificación química de proteínas o parabioinmovilizaciones selectivas y moléculasbiológicamente activas. Tales adicionespodrían servir como sistemas para distri-


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buir medicamentos o como componentesbiológicos en biosensores.

Existe una serie de reacciones orgánicaspor excelencia que se ven favorecidascon la alta presión, debido a la aplica-ción del principio de Le Châtelier. Laprincipal de todas ellas es la reacción deDiels-Alder, que consiste es una ciclo-adición [4+2] entre un dieno y un dienófi-lo (42). Este proceso en medios acuosossucede de manera rápida y es bastanteselectivo, además puede realizarse atemperatura ambiente. Por esto, consti-tuye un método idóneo para la modifi-cación selectiva, por ejemplo, de proteí-nas, incorporándolas, fluoróforos (43),aminoácidos no naturales, diferentestipos de péptidos, etc.

Más reacciones orgánicas, potencial-mente enantioselecivas, inducidas por laalta presión son las cicloadiciones 1,3 di-polares, o llamadas tradicionalmentecomo reacciones de Huisgen, adicionesa dobles y triples enlaces, las alquila-ciones y las acilaciones de Friedel-Crafts.

Otro tipo de reacciones de potencial pro-metedor son las reacciones catalizadasenzimáticamente bajo alta presión. Lasíntesis de fármacos catalizada por en-zimas bajo condiciones suaves se ha pro-bado que es posible. En particular, la sín-tesis enantioselectiva de ésteres talescomo el ibuprofeno, esterificaciones porlipasas, de péptidos farmacológicos portermolisina, polioles y glúcidos parecentener un elevado interés (44).

Estas reacciones son ejecutadas en birre-actores a presiones por debajo de los200 MPa, por lo que no se altera la es-tabilidad y funcionalidad de las enzimas.Si, además, se opera en presencia de co-

solventes estabilizantes o en medio or-gánico, sería posible incrementar la ter-moestabilidad de las enzimas indus-triales (45).

Cabe destacar que la formación de me-lanoides de color marrón parece estar in-hibida por la presión (46). La formaciónde estas moléculas estaría en relacióncon la llamada reacción de Maillard, lla-mada técnicamente glucosilación no en-zimática de proteínas, y que en realidadse trata de un conjunto complejo de re-acciones químicas que se producenentre las proteínas y los azúcares reduc-tores que se dan al calentar (no es ne-cesario que sea a temperaturas muyaltas) los alimentos, o mezclas similares,de manera irreversible.

Programa MALTA-Consolider.Materia a alta presión

El consorcio MALTA-Consolider-Ingenio2010 (CSD2007-00045), Materia a AltaPresión, surgió como un proyecto de in-vestigación de excelencia para abordarel estudio del comportamiento de la ma-teria sometida a alta presión. La inicia-tiva MALTA pretende incorporar aEspaña al grupo de países líderes en lainvestigación de esta nueva ciencia in-terdisciplinar.

Los objetivos científicos de MALTA puedenagruparse en tres categorías generales:

• Sistemas relacionados con el agua y lavida.

• Sistemas moleculares: propiedades fí-sicas y reactividad química.

• Estructura, estabilidad y reactividad demateriales.


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Una de las aportaciones fundamentalesde MALTA es el desarrollo de nuevos ins-trumentos de medida, sensores y téc-nicas de caracterización a altas pre-siones, así como la implementación denuevas estrategias computacionales ymetodologías teóricas. Además, puestoque el interés de las altas presiones estáprecisamente ligado a sus aplicacionestecnológicas, otro objetivo fundamentalde MALTA es el de diseñar y crearnuevos materiales con interesantes pro-piedades mediante la síntesis a altas pre-siones y temperaturas.

El Consorcio MALTA es una apuesta de-cidida a medio-largo plazo por la tecno-logía a alta presión que requiere la con-solidación y expansión de esta disciplinaa nivel científico y socio-cultural, por loque MALTA pretende formar una nuevageneración de científicos, transferir co-nocimiento a empresas tecnológicas ydivulgar la investigación a altas pre-siones de forma prolongada y sostenida.

La información relativa a MALTA-Conso-lider, puede ser consultada en la páginaweb: www.malta-consolider.com.

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La seguridad y la calidad del productogarantizadas mediante las nuevastecnologías aplicadas a los envasesD.ª Ana Galet Domingo y D.ª Susana Aucejo Romero

IntroducciónSegún la Directiva Europea 94/62 CE, sedefine el envase como: todo producto fa-bricado con cualquier material de cual-quier naturaleza que se utilice para con-tener, proteger, manipular, distribuir ypresentar mercancías desde materiasprimas hasta artículos acabados y desdeel fabricante hasta el usuario o consu-midor final.

De esta definición se pueden extraer lasprincipales funciones de un envase, queconsisten en proteger, acondicionar, con-tener y conservar el producto además deidentificar e informar al consumidor (1).

La acción de conservar, mantener algo ocuidar de su permanencia ha preocupadoa los hombres desde hace muchos años.Así, ya en la Prehistoria el hombre estabarodeado de envases naturales que prote-gían y cubrían a las frutas u otras clasesde alimentos. La necesidad de conservarllevó al hombre a imitar, adaptar y me-jorar estos envases según sus necesi-dades. En el año 8000 a. C. se encuen-tran ya los primeros envases formadospor productos obtenidos directamente dela naturaleza, como conchas de mar ocáscaras de coco, hierbas entrelazadas yvasijas de barro sin cocer. Posteriormente,los griegos y romanos utilizarían botas detela y barriles de madera, así como bote-

llas, tarros y urnas de barro cocidos. En1700 se envasó el champagne en fuertesbotellas de vidrio con apretados corchos.En 1800 se vendió la primera mermeladaen tarro de boca ancha y durante la se-gunda guerra mundial se utilizaron latasde estaño y acero para conservar la co-mida de los soldados durante sus largasestancias en el campo de batalla. De estemodo ha ido creciendo el desarrollo delos envases, fomentándose nuevas ma-neras de formarlos y crearlos con diversosmateriales y diseños según la necesidad.

Sin embargo, las motivaciones para avanzaren la innovación tecnológica del envasehan cambiado considerablemente en losúltimos años, centrándose hoy en día encuatro factores bien diferenciados:

Por un lado, se pretende cubrir las exi-gencias de los consumidores que, cadavez con más frecuencia, demandan pro-ductos más naturales, con menos trata-mientos, ligeros, dietéticos, funcionales,ecológicos, listos para el consumo…, yademás que vengan almacenados en en-vases ergonómicos, de fácil apertura, se-guros, novedosos, sostenibles y con bo-nitos diseños.

Por otro lado, las innovaciones buscancubrir los intereses de los sectores de pro-ducción y distribución mediante nuevas

formas de logística y distribución, traza-bilidad y suministros “just in time”.

Un tercer factor de innovación en el en-vase surge a raíz de la continua presiónlegislativa. Se hace necesario el cumpli-miento de nuevas y exigentes norma-tivas y leyes de origen sanitario y medio-ambientales (legislación sobre materialesy objetos destinados a entrar en con-tacto con alimentos, legislación sobreetiquetado, ley de envases y residuos deenvases, etc.).

Pero, esencialmente, la innovación en elsector del envase se ve directamentemotivada por los avances tecnológicosrelativos al desarrollo de nuevos mate-riales de envase y a las nuevas tecnolo-gías de envasado, entre las que cabedestacar las tecnologías de envase ac-tivo e inteligente.

En la tabla 1 se resume la tendencia enel envasado de los alimentos en los úl-timos años.

Con este capítulo se pretende propor-cionar al lector una visión general de lastendencias de innovación en el sectordel envase, y definir brevemente las dis-

tintas tecnologías que se están investi-gando en la actualidad relativas al enva-sado de alimentos, cosméticos y pro-ductos farmacéuticos.

Tendencias en la innovacióndel envase

Desarrollo de nuevos materiales

Para seleccionar un material de envase esnecesario conocer previamente las nece-sidades que presenta el producto que vaa contener. En función de estas necesi-dades se seleccionará un material u otro.Existen muchos tipos de materiales deenvase (polímeros, papel y cartón, alu-minio, vidrio, celulosas, metal, madera…)que se emplean según las necesidadespropias del producto a envasar. En la fi-gura 1 se muestran algunos ejemplos delos materiales más utilizados.

A pesar de la gran variedad de materialesexistentes que pueden ser empleados enla obtención de envases, el material ma-yoritario por excelencia es el plástico que,tal y como se muestra en la figura 2, re-presenta un porcentaje superior al 70%de los materiales demandados a escalamundial para su uso en envases. Por otraparte, la mayor parte de estos materialesde origen plástico pertenece al grupo delas poliolefinas, como el polietileno o po-lipropileno, que suman un 59% de la de-manda de materiales de envase.

En lo referente a los materiales de en-vase convencionales, como hojalata,papel y cartón, vidrio…, la innovaciónse centra en:

• La reducción del consumo de materiasprimas y energía.


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Tabla 1. Tendencias en la evolución delenvasado de alimentos (innovations infood packaging, 2005).

Periodo Tendencias1960s Comodidad, marketing en el

punto de venta1970s Reducción de material, ahorro

energético1980s Seguridad, inviolabilidad del

envase1990s Impacto medioambiental2000s Seguridad del alimento y del

envase

• Mayor automatización y velocidad delos procesos productivos.

• Nuevos desarrollos en materiales y me-joras de propiedades específicas.

• Nuevas formas y diseños.

Si bien es cierto que en los últimos añosse aprecia una tendencia a incrementarel uso de materiales celulósicos para apli-caciones de envase y embalaje, como yase ha mencionado, el material más em-pleado en el desarrollo de envases es elplástico y por ello en él se centra lamayor parte de las investigaciones quese realizan actualmente en este sector.Algunos de los puntos que mayor in-terés han despertado en la mejora de losmateriales poliméricos son:

• Mejoras en las tecnologías de obten-ción de los polímeros convencionalesy mejoras en sus propiedades: mecá-nicas, barrera, térmicas…

• Desarrollo de nuevos materiales poli-méricos.

• Desarrollo e implantación de polí-meros procedentes de recursos reno-vables. Biopolímeros: materiales co-mestibles y biodegradables.

• Nuevas poliolefinas obtenidas por ca-tálisis metalocénica.

• Nuevos materiales de alta barrera.

• Películas con permeabilidad modifi-cable o selectiva.

• Nuevos diseños y tecnologías de fabri-cación de envases.

Puesto que la mayoría de los productosenvasados se ven altamente influenciadospor la presencia de oxígeno (oxidación,enranciamiento, crecimiento microbio-lógico…), actualmente se está pres-tando una especial atención al estudiode materiales poliméricos con mejorespropiedades barrera a los gases. Para lo-grar este propósito las investigacionesactuales se centran, por un lado, en elempleo de nanomateriales poliméricos,

La seguridad y la calidad del producto garantizadas mediante las nuevas…

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Figura 2. Distribución de la demanda de materialesde envases. Fuente: Group F, Freedonia Group, 2006.

Figura 1. Ejemplos de algunos de los materiales deenvase más empleados.

• Polímeros– Polietileno (PE).– Poliamida (PA).– Polipropileno (PP).– Poliestireno (PS).– Cloruro de polivinilo (PVC).– Cloruro de polivilideno (PVdC).– Poliéster (PET).– Etilen-vinil alcohol (EVOH).– Etil-vinil acetato (EVA).– Ionómeros, etc.• Papel y cartón• Aluminio• Nuevos materiales– Óxido de silicio, fibra de madera.– Polímeros metalocénicos.– Biodegradables (almidón, ácido

poliáctico…).– Films microperforados y

microporosos.– Films con partículas cerámicas, etc.• Vidrio• Celulosa regenerada

que son materiales obtenidos por dis-persión de partículas inorgánicas con di-mensión de nanómetros en el interiordel polímero, y por otro, en la utilizaciónde mezclas de distintos materiales. Conello se pretende disminuir considerable-mente la permeabilidad a los gases deeste tipo de materiales y alargar, así, lavida útil de los productos envasados.

Por otro lado, la conservación, la conve-niencia y las otras funciones básicas delos envases son ciertamente importan-tes, sin embargo, su tratamiento cuandollega al final de su vida útil debe ser tra-tado como un factor relevante en el de-sarrollo de los envases. Este es un pro-blema que últimamente se plantea entodos los nuevos desarrollos de envase.Por esta razón, año tras año, se están in-vestigando nuevas tecnologías de en-vase más sostenibles con el medio am-biente, como es el uso y desarrollo demateriales provenientes de fuentes re-novables y/o biodegradables.

Dentro de los plásticos, los materialesmás usados en el sector de envase y em-balaje son los polímeros producidos apartir del petróleo, esto se debe a su dis-ponibilidad en grandes cantidades, subajo coste y sus buenas propiedadesfuncionales. Por tanto, se utiliza unacantidad elevada de plásticos que es ne-cesario gestionar una vez cumplen consu cometido, para minimizar al máximosu impacto ambiental (2).

Los polímeros provenientes de fuentesrenovables y/o biodegradables ofrecenuna posible solución a este tema, yaque, por un lado, podrían desviar partedel volumen de plásticos de los verte-deros a reciclado biológico, y por otro

lado, contribuirían a la preservación delos recursos no renovables.

Con el rápido desarrollo que está su-friendo este tipo de materiales, han sur-gido en los últimos años una gran can-tidad de términos, como degradable,biodegradable o compostable, que seconfunden frecuentemente cuando ha-blamos de bioplásticos. Por ello, enprimer lugar se clarifican algunos deestos términos.

La degradación es un proceso irrever-sible que conduce a un cambio signifi-cativo en la estructura química de unmaterial. Está caracterizado típicamentepor una pérdida de propiedades (inte-gridad, peso molecular, etc.) y/o frag-mentación, en condiciones ambientalesespecíficas.

Materiales degradables es el término ge-neral que incluye tanto los plásticos quese degradan por factores físicos (calor,luz, oxígeno…) como los que se de-gradan por factores biológicos (acciónde los microorganismos). Se distinguendistintos tipos de materiales en funcióndel origen de su degradación, así se cla-sifican en:

• Plástico fotodegradable: son plásticosdegradados por la acción de la luzsolar.

• Plástico degradable oxidativamente:son aquellos plásticos cuya degrada-ción se produce mediante reaccionesde oxidación.

• Plástico degradable hidrolíticamente:son plásticos degradados mediante re-acciones de hidrólisis.

• Plástico biodegradable: es aquel queexperimenta reacciones de degrada-


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ción resultantes de la acción de micro-organismos, tales como bacterias,hongos y algas, bajo condiciones queocurren en la biosfera.

• Plástico compostable: es aquel queademás de ser biodegradable por mi-croorganismos obedecen a un factortiempo. Es decir, el término compos-table implica una biodegradación enun ambiente industrial en menos de180 días bajo las condiciones de hu-medad relativa y temperatura indi-cadas en la norma ASTM 6400-99.

• Plástico oxodegradable: son materialesque desarrollan la descomposición através de un proceso en varias etapasusando aditivos químicos para iniciarla degradación.

Los polímeros en el pasado han sido di-señados para resistir la degradación. Elreto actualmente está en diseñar polí-meros que presenten la funcionalidadnecesaria durante su utilización, peroque se desintegren al final de su vida útil.

La producción comercial de polímerosbiodegrables está calculada en torno alas 260.000 toneladas para 2010 (3). Sinembargo, para favorecer el incrementode producción con la consiguiente dis-minución de precios se hace necesariauna mejora de las propiedades y la de-mostración de su viabilidad en distintasaplicaciones.

En este sentido, el desarrollo de nuevosmateriales basados en materiales biode-gradables y/o compostables está adqui-riendo mayor relevancia. Sin embargo,el comportamiento de los materiales ba-sados en polímeros renovables es limi-tado y este campo está todavía inten-tando ser competitivo con respecto a las

otras soluciones existentes. Actualmentese está investigando en el desarrollo denuevos materiales que sean capaces decumplir con los requisitos del productoenvasado y que, a su vez, puedan sertransformados en procesos industrialesconvencionales. Una de las técnicas enlas que se está invirtiendo mayor es-fuerzo en investigación y desarrollo paraincrementar las propiedades de estosmateriales es la incorporación de agen-tes de refuerzo a escala nanométrica,como son las fibras celulósicas o las ar-cillas modificadas. El uso de la nanotec-nología permite poder alcanzar las pro-piedades necesarias que son un requisitoen el diseño y desarrollo de nuevos ma-teriales para poder proporcionar las pro-piedades mecánicas y barrera requeridaspara aplicaciones concretas.

Por tanto, a pesar de que el reemplazototal de plásticos sintéticos no biodegra-dables por materiales biodegradables eshoy por hoy inviable, en el mercado em-piezan a aparecer ejemplos de aplica-ciones específicas donde sí puede existiruna posible sustitución.

Los usos potenciales de los biopolímeroshoy en día son:

• Aplicaciones de usar y tirar, materialde envase desechable.

• Productos para usos cotidianos, comoplatos, tazas, recipientes, cajas dehuevos, etc.

• Recubrimientos.

• Bolsas para aplicaciones en agricul-tura, protección de los cultivos…

En lo que se refiere al envasado de ali-mentos con materiales biodegradables, elalmidón, por ejemplo, de naturaleza hi-


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groscópica, se ha usado como almohadillaadsorbente de los exudados de la carne(4). En forma de film o bolsa se puede usarpara el envasado de frutas y verduras,snacks o productos secos (figura 3). Sinembargo, no se puede garantizar la inte-gridad mecánica ni la protección a la hu-medad y al oxígeno.

Durante los últimos años, se han usadoel acetato de celulosa y el celofán parael envasado de alimentos. El celofán seemplea, por ejemplo, para productosfrescos, carne procesada, queso ydulces. El acetato de celulosa se hausado principalmente para productos debollería y productos frescos (5). Las pro-piedades barrera a los gases y la hu-medad del acetato de celulosa no sonóptimas para el envasado de alimentos,sin embargo, está indicado para pro-ductos con alto contenido en humedad,ya que favorece la respiración y reduce

la condensación de agua en el interiordel envase (6).

En el campo en el que se ha hecho másesfuerzo de investigación es en el ácidopoliláctico (PLA) y los poli(hidroxialca-noatos). Estos materiales ofrecen diversasposibilidades. En el campo del PLA, entresus usos comerciales se encuentran en-vases desechables y bolsas (por ejemplo,para bollería) (figura 4). Con referenciaa los polialcanoatos, las aplicaciones po-tenciales dentro del campo del envasadode alimentos incluyen: botellas de be-bidas, recubrimiento de cartones parabebidas, vasos, envasado de comida rá-pida y films (7).

Estas aplicaciones se pueden ver am-pliadas mediante el refuerzo de la ma-triz polimérica, consiguiendo así pro-piedades mejoradas del material deorigen.


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Figura 3. Aplicaciones comerciales basadas en almidón. Fuente: Biotec GmbH & Co, Novamont, Biostarch,Natura Packaging.

Mediante el uso de nanotecnología seestán consiguiendo muy buenos resulta-dos en el refuerzo de los materiales parala mejora de las propiedades barrera ala vez que se intenta reducir el impactomedioambiental. Otra de las aplica-ciones de estos materiales es el uso demezclas de biopolímeros para poderconseguir así las propiedades necesariascombinando propiedades individualesde cada polímero.

Nuevas tecnologías: envasado activo

Tradicionalmente, el término “envase” seha definido como una barrera pasiva queactúa retrasando el efecto adverso delambiente sobre los alimentos envasados.Sin embargo, en las últimas décadasestán emergiendo nuevas tecnologías deconservación de alimentos basadas enpotenciar o aprovechar las posibles inter-acciones del envase con el producto y/oel ambiente que lo rodea, lo que se co-

noce como envase activo. Se define asíun sistema alimento/envase/entorno queactúa de forma coordinada para mejorarla salubridad y la calidad del alimento en-vasado y aumentar su vida útil, corri-giendo las deficiencias del sistema deconservación (8). Según la definición delReglamento (CE) n.º 450/2009, los “ma-teriales y objetos activos” son aquellosdestinados a prolongar la vida útil o amantener o mejorar el estado del ali-mento envasado. Se trata, por tanto, desistemas de envase diseñados para in-corporar intencionadamente compo-nentes que:

• Liberan sustancias a los alimentos en-vasados o a su entorno: sustancias be-neficiosas, tales como antimicrobia-nos, antioxidantes, aromatizantes, etc.

• Absorben sustancias de los alimentosenvasados o de su entorno: sustanciasno deseadas o perjudiciales, tales comooxígeno, humedad, olores desagrada-bles, etc.

La adición directa de conservantes o adi-tivos sobre el alimento puede presentaralgunos inconvenientes, tales como unaconcentración inicial relativamente ele-vada, rápida pérdida de actividad y po-sibilidad de que dicha sustancia sintéticaactúe como pro-oxidante a dichas con-centraciones elevadas. Sin embargo,estos inconvenientes pueden reducirsesi el aditivo se libera de forma contro-lada desde el material de envase hastael alimento, motivando así el interés enel desarrollo de envases activos (9).

La investigación acerca de la emisión deingredientes activos desde materiales deenvase alimentario no ha sido significa-tiva hasta hace poco más de una década.


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Figura 4. Materiales biodegradables comerciales ba-sados en PLA. Fuente: FKUR, BASF, Alesco, NaturaPackaging.

Esta tecnología resulta especialmenteatractiva para controlar reacciones de de-gradación que se producen en los ali-mentos, al suministrar de manera cons-tante y gradual sustancias inhibidoras deestos procesos.

Debido a la actual demanda por partede los consumidores de mejora de la ca-lidad de los productos alimentarios queadquieren, así como del incremento dela vida útil de éstos, existe una continuanecesidad de mejora de las propiedadesintrínsecas de los envases. Este hecho,unido a la reticencia por parte de losconsumidores de la adición de conser-vantes u otro tipo de aditivos directa-mente sobre los alimentos, ha provo-cado un especial interés en el desarrollode este tipo de tecnología de envasadoactivo.

La necesidad de desarrollar este tipo deenvases activos ha provocado un creci-miento exponencial en su nivel de ventasen la última década, tal y como sepuede observar en la figura 5.

La tecnología de envase activo lleva co-mercializándose desde los años 80 enJapón, Australia y EE.UU. Sin embargo,en Europa, esta tecnología lleva utilizán-

dose desde hace algunos años en unaversión mucho más simple, como es elcaso de los sistemas que retiran el eti-leno producido por ciertas frutas y hor-talizas cuya senescencia se ve aceleradapor la presencia de esta sustancia. Lapulverización de etanol también se uti-liza ampliamente en productos de bo-llería y panadería, ya que reduce el cre-cimiento de mohos.

Fuera de este tipo de ejemplos, la utili-zación de envases activos en Europa haestado muy limitada hasta la fecha ac-tual, principalmente debido a la au-sencia de legislación específica que losregulara, el desconocimiento sobre larespuesta del consumidor europeo ysobre la repercusión económica en lasempresas.

Los primeros sistemas de envase activoque se desarrollaron eran aquellos sepa-rados del alimento y del envase, enforma de bolsitas o saquitos. Actual-mente, pueden encontrarse diversos di-seños: integrados en el envase (en lasparedes de un film, bandeja, botella, enla capa intermedia de estructuras multi-capa) o en su tapa, en forma de etique-tas, hot-melt, cintas adhesivas, juntas,tapones, etc. (figura 6).

Como ya se ha comentado, la incorpo-ración del agente activo en bolsitas, apesar de ser la forma de presentaciónmás extendida, tiene una serie de incon-venientes que han provocado su rechazoen Europa:

• Reticencia del consumidor a la pre-sencia de un elemento extraño juntoal alimento, al riesgo de una ingestaaccidental o un derrame de su conte-nido dentro del envase.


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Figura 5. Crecimiento del nivel de ventas de los en-vases activos e inteligentes en los últimos años yprospectiva hasta el 2013. Fuente: BCC Research.

• Inconveniente, económico y de tiempo,que supone la introducción del sobre oetiqueta en la línea de envasado.

La alternativa cada día más reconocidacomo base de los nuevos sistemas deenvasado activo es la introducción delelemento activo formando parte de lapropia estructura del envase. Estos filmsse pueden emplear en todo tipo de pro-ductos, incluso líquidos. Esta alternativaestá despertando un gran interés y es lamás aceptada en Europa, aunque haytodavía muy pocas soluciones comer-ciales.

En el caso de envases activos que incor-poran una sustancia activa beneficiosaque migra de forma deliberada al ali-mento (por ejemplo, agentes antimicro-bianos o antioxidantes), los inconve-nientes principales que presentan son:

• Las sustancias activas liberadas no sonigual de efectivas en todos los ali-mentos.

• La cinética de liberación de estosagentes activos debe ser adecuadapara cada alimento dependiendo delos requerimientos del mismo.

Es precisamente en estas dos direccioneshacia donde se están dirigiendo las in-vestigaciones actuales que pretendendar solución a estos inconvenientes.

Como respuesta a la necesidad de con-trolar la liberación (10-12) pueden en-contrarse diversas propuestas en biblio-grafía: utilización de nanocomposites,microencapsulación, interposición decapas de polímeros, uso de aditivos po-liméricos, uso de films solubles, etc.Estas propuestas todavía no han alcan-zado su madurez comercial, pero se es-pera que se desarrollen con rapidez enlos próximos años. De entre las dife-rentes opciones planteadas, la microen-capsulación se ha utilizado en alimenta-ción con gran éxito, de forma que suutilización innovadora en el envase seespera que sea también igual de favo-rable (13).

Existen muchas formas de clasificar losenvases activos, en este apartado se pre-senta una clasificación en función de sumodo de actuación. Así, se puedenagrupar los envases activos en cuatrograndes grupos.

Tipo I

Sistemas que absorben o retienen sus-tancias indeseables del producto o suentorno.

Dentro del tipo I de envases activos seencuentran distintos sistemas absorbe-dores de:

• Oxígeno. Son sistemas que eliminan eloxígeno del interior del envase paraevitar el deterioro del producto enva-sado.


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Figura 6. Ejemplos de distintos diseños de envaseactivo.


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• Humedad. Sistemas que retiran la hu-medad acumulada en el interior delenvase.

• Exudados. Sistemas que absorben losexudados generados por algunos pro-ductos frescos, como carnes o pes-cados.

• Dióxido de carbono. Son sistemas queeliminan el CO2 generado por ciertossistemas que continúan su respiracióndespués de envasados, como pro-ductos de panadería precocidos, cafétostado o algunas verduras.

• Etileno. Sistemas que retienen el etile-no que generan las frutas y verduras en-vasadas y que favorecen la rápida ma-duración y senescencia de las mismas.

• Olores. Sistemas que retienen los malosolores.

En la figura 7 se muestran algunos dise-ños de absorbedores de oxígeno, clasi-ficados dentro del grupo I, incorporadosen una botella para cerveza y en formade bolsitas y adhesivos para pegar al en-vase.

Tipo II

Sistemas que liberan o emiten sustan-cias beneficiosas, al producto o a su en-torno.

Dentro del grupo II de envases activos seengloban todos aquellos sistemas ca-paces de liberar alguna sustancia bene-ficiosa para el producto envasado, comopor ejemplo:

• Sustancias inhibidoras. Son sistemasque liberan al producto envasado sus-tancias como ácidos orgánicos, en-zimas, aceites esenciales, etc. Los másestudiados en la actualidad son aque-llos sistemas que liberan antioxidanteso antimicrobianos al alimento.

• Dióxido de carbono. En algunos pro-ductos es interesante la incorporaciónde este gas, ya que éste actúa comoantifúngico, retrasando el crecimientode mohos y microorganismos.

• Vapor. Para mantener un control de lahumedad en el interior del envase.

• Aditivos. Estos sistemas incorporan deforma deliberada aditivos al alimento,por ejemplo, en el momento de laapertura del envase, tal y como semuestra en la figura 8.

Algunos de los estudios más llamativosen este campo han sido aquellos en losque se ha incorporado la enzima coles-terol reductasa en la pared de un envase

Figura 7. Ejemplos de sistemas de envases secues-tradores de oxígeno. Fuente: Darex, Mitsubishi GasChemical America, Inc.

Figura 8. Sistema de liberación de un colorante du-rante la apertura del envase.

de forma que esta enzima captura el co-lesterol del alimento y lo descomponeen coprosterol, que es fácilmente asimi-lable por el intestino. Con este tipo deenvase se busca conseguir un alimentode bajo contenido en colesterol aptopara aquellas personas con el nivel decolesterol elevado (14).

Tipo III

Sistemas con efecto térmico: transfe-rencia de calor.

En cuanto a los sistemas con efecto tér-mico, se conocen tres tipos de sistemasactivos:

• Sistemas autocalentables. Son aque-llos sistemas que gracias a una fuertereacción exotérmica permiten el rá-pido calentamiento del producto en-vasado.

• Sistemas autoenfriables. Estos sis-temas se emplean tanto en el envasa-do de refrescos como en el envasadode productos cosméticos en los que seconsigue reducir la temperatura delproducto haciendo que su consumosea más agradable.

• Sistemas susceptores de microondas.Estos sistemas poseen una fina capametálica que permite que al recibir lasradiaciones microondas se caliente elenvase y el producto que contiene en suinterior. En Europa está muy difundidoel envase para las palomitas de maíz.

Tipo IV

Sistemas que regulan la entrada y/o salidade sustancias deseables y/o indeseables,del entorno del producto.

El último grupo de sistemas de envaseactivo engloba aquellos que controlan

la entrada o salida del interior del en-vase de sustancias tales como dióxido decarbono, oxígeno, humedad, aroma,etileno, presión…

Para ello, se emplean soluciones talescomo:

• Films permeables o microperforadospara productos que respiran, comoquesos, frutas y verduras, bulbos,flores…

• Atmósferas modificadas.

• Válvulas para productos como café,pasta, pasteurización dentro del en-vase, cocinado con microondas…

En resumen, la tecnología de envases ac-tivos en el envasado de productos pere-cederos es una línea pionera y en plenodesarrollo que trata de corregir las defi-ciencias de las tecnologías de conserva-ción de los alimentos envasados, man-teniendo su calidad y extendiendo la vidaútil. Los envases activos están de actua-lidad y son considerados por muchos ex-pertos en tecnologías de envase y conser-vación de alimentos como los envases delfuturo. Su introducción y aceptación enEuropa acaba de afianzarse, tal y comodemuestra el recién publicado Regla-mento (CE) n.º 450/2009 de la Comi-sión, de 29 de mayo, sobre materiales yobjetos activos e inteligentes destinadosa entrar en contacto con alimentos.

Nuevas tecnologías: envasadointeligente

Actualmente, los consumidores sonmucho más exigentes con la informa-ción de los productos que adquieren de-bido a las distintas crisis alimentarias su-fridas en el pasado (el caso de las vacas


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locas, la gripe del pollo, etc.) y diversastóxico-infecciones producidas a lo largode los años.

Por otra parte, debido a la globalizacióndel mercado, los productos elaboradosen un lugar concreto pueden comercia-lizarse por todo el mundo y, por tanto,se hace necesario un mayor control desu trazabilidad y de las condiciones enlas que éstos son transportados. Todoello, unido a la demanda de los consu-midores de una mayor información delos productos que adquieren, hacen ne-cesaria la innovación en nuevos envasesque aporten información veraz y útilpara el consumidor final o para los in-termediarios de la cadena de suministroque controlan los parámetros críticos decalidad o seguridad de los productos en-vasados. Dentro de este marco resultade especial interés la investigación y eldesarrollo de nuevos dispositivos comu-nicativos capaces de interaccionar conlos consumidores, transportistas y ven-dedores informándoles sobre las condi-ciones a las que ha sido sometido du-rante todo su ciclo de distribución y suestado en un momento dado, es decir,un envase “inteligente”.

Los envases inteligentes son capaces deproporcionar información al consumidorsobre el producto que ha adquirido.Existe una amplia gama de aplicacionesy usos para estos envases como herra-mientas de marketing, de trazabilidad ode seguridad. Cada sector tiene sus pro-pias características y, por lo tanto, losenvases requieren diferentes funcionali-dades según su aplicación.

Los últimos esfuerzos en I+D+i en la in-dustria alimentaria y de envasado van

destinados a obtener una diferenciación,en un mercado cada vez más competi-tivo, mediante el desarrollo de ele-mentos diferenciadores que les aporteun valor añadido y que les permita, deesta forma, incrementar las ventas. Eneste sentido, el desarrollo de nuevos dis-positivos informativos que permitan mo-nitorizar la calidad de los productos du-rante su ciclo de distribución supone laverdadera novedad tecnológica y fun-cional del producto, ya que se trata deun elemento diferenciador, que aportaun valor añadido y que permite comer-cializar productos cada vez más seguros.

Tal y como refleja la figura 5, el nivel deventas de los sistemas inteligentes seprevé que crezca exponencialmente enlos próximos años, y entre las nuevastecnologías de envase, el sector del en-vase inteligente (en rojo) es el que mayorcrecimiento de ventas plantea en los pró-ximos años, pasando de un 25% en el2009 a un 34% en el 2014 (figura 9).Este sector del envase inteligente se veademás reforzado por las previsiones enlas que se estima llegar a alcanzar los23,6 billones de dólares para el año2013 (15).

Este crecimiento viene motivado por elcambio en los hábitos de vida y con-sumo que impactan directamente en losrequerimientos de los envases. En con-creto, el consumidor actual:

• Dispone de menos tiempo, por lo quecompra con menor frecuencia pero al-macena más.

• Demanda productos más sanos, libresde conservantes susceptibles de mermarsu calidad.


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• Demanda una mayor garantía e infor-mación en todos los productos.

Los envases inteligentes, además de pro-porcionar un elemento de diferenciaciónfrente al resto, presentan la cualidad depoder identificar los parámetros ambien-tales más críticos en la cadena de sumi-nistro y pueden proporcionar informaciónextra e interesante para los consumidoresy usuarios finales.

Existen muchos tipos de dispositivos in-teligentes que se pueden clasificar endos grupos:

• Los dispositivos que transportan datosy que se emplean para almacenar ytransmitir datos, como los dispositivosRFID (16), o como los códigos 2D odatamatrix, que son capaces de con-tener más información del productoque los códigos de barras que se em-plean en la actualidad, o la electrónicaimpresa, que busca aplicaciones enmuchos campos de la investigaciónactual.

• Los dispositivos que a través de uncambio visual controlan e informansobre las condiciones ambientales ex-ternas al conjunto envase-producto ointernas a él, como los indicadores defrescura, de tiempo-temperatura (TTis),de humedad, de fugas…

A continuación se comentan cada unode los tipos de dispositivos indepen-dientes.

Dispositivos que transportan datos

RFID (Radio Frecuency IDentification) esuna tecnología de identificación por ra-diofrecuencias que transmite y guardainformación en un chip de silicio pormedio de ondas electromagnéticas.Emplea etiquetas que se incorporan alos envases y embalajes, para controlarla información en tiempo real y transmi-tirla a un sistema de gestión (17).

Estos sistemas ofrecen un número debeneficios potenciales, para el sector dedistribución y cadenas de suministro,


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Figura 9. Evolución del crecimiento de las ventas de los envases inteligentes del año 2009 al 2014. Fuente:BCC Research.

como la trazabilidad, inventariado, ac-ciones de ahorro de costes, seguridad ypromoción de la calidad. En muchossentidos, los dispositivos de RFID sonconsiderados como la versión inteligentede los códigos de barras, ya que pre-sentan grandes ventajas con respecto aellos, por ejemplo, pueden estar embe-bidos dentro del envase o embalaje sinafectar a los datos adversamente; al serleídos por radiofrecuencia no necesitande una visión directa del dispositivo,tienen un chip de memoria que alma-cena información básica del producto ypuede ser leído a cierta distancia porquedisponen de unas antenas que trans-miten las ondas de radio.

Como se observa en la figura 10, la eti-queta RFID puede ir en el tapón de unabotella de vino (18). En este dispositivose puede almacenar información talcomo el año de la cosecha, la fecha de

embotellado, el tipo de uva, el porcen-taje/grado alcohólico, etc. Además, labodega puede tener conocimiento dedónde está cada botella durante todo suciclo de distribución.

Existen también algunos ejemplos deaplicaciones RFID farmacéuticas en lasque se emplean blisters inteligentes. Unejemplo de esta tecnología incorpora uncuestionario electrónico integrado en losenvases para grabar información o tener“feedback” con el paciente. Otros sis-temas inteligentes incorporan una elec-trónica oculta que graba la fecha, eltiempo y el lugar dónde y cuándo el pa-ciente se toma su dosis (figura 11).

Por otro lado, una de las nuevas tecnolo-gías de envasado inteligente que mayorpotencial posee a nivel mundial y eu-ropeo es la electrónica impresa. Consisteen un nuevo método de aproximación ala electrónica, en el cual se imprimen loscircuitos directamente en sustratos flexi-bles mediante técnicas de impresión con-vencionales como si de una imagen setratase. Utilizando tintas de diferentes ca-racterísticas en lugar de componentes só-lidos, el objetivo principal es fabricar los


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Figura 10. Etiqueta RFID embebida en un tapón devino. Fuente: Lab-ID.

Figura 11. Aplicaciones farmacéuticas de la tecno-logía RFID. Fuente: MeadWestvaco and Cypak.

circuitos a través de métodos de impre-sión convencionales, como chorro de tinta(ink-jet), huecograbado o flexografía, di-rectamente en sustratos como papel-cartón o plástico. Debido a la posibilidadde imprimir grandes volúmenes a altasvelocidades y al uso de tintas en lugar decomponentes con costosos tratamientos,se piensa que los dispositivos creadosmediante tecnologías de electrónica im-presa pueden llegar a ser más baratosque sus equivalentes convencionales. Ésteles abrirá el camino para poder introdu-cirse en todos los niveles de la sociedad.

Dispositivos que informan delestado del producto envasado

La inquietud del propio consumidor,cada vez más exigente con la salubridady seguridad del producto, ha impulsadola investigación y el desarrollo de ele-mentos comunicativos que monitoriceno controlen la calidad o las característicasorganolépticas de los productos alimen-tarios aplicables al envase y embalaje conel fin de convertirlo en un medio de co-municación veraz y efectivo.

La mayoría de estos indicadores res-ponden mediante un cambio de colorante un estímulo límite, bien sea unatemperatura excesiva, o bien una concen-tración de gases que se producen dentrodel espacio de cabeza del envase.

Un ejemplo de estos dispositivos son losindicadores de frescura, que se puedenpresentar como una etiqueta adheridaal envase que reacciona frente a losgases generados en el espacio de ca-beza del envase durante la degradacióndel producto o frente al crecimiento mi-crobiano del producto envasado. Su res-puesta es una respuesta cualitativa, elindicador interacciona con el compuestou organismo de interés y consecuenciade esta unión se produce una variaciónde una o varias propiedades físico-quí-micas. Este tipo de indicadores se en-cuentra actualmente en pleno desarrolloy continuamente se avanza en la eficaciay sensibilidad de los mismos.

En la figura 12 se muestran algunosejemplos de etiquetas que cambian decolor ante la presencia de ciertas sustan-


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Figura 12. Ejemplos de etiquetas indicadoras de frescura. Fuente: It´s Fresh! Inc, Ripesense and SensorQ.

cias características del deterioro del ali-mento, de forma que son capaces de in-dicar su caducidad real en función delestado del alimento.

Otro tipo de sistemas indicadores defrescura muestran el deterioro del ali-mento mediante la aparición de unacruz que recomienda no comprarlo omediante la coloración del código debarras para que éste no pueda ser leído.Estos dispositivos indican el nivel de fres-cura del producto envasado en funciónde la contaminación microbiana delmismo.

En resumen, todas estas tecnologías sebasan en último término en el uso de re-activos colorimétricos que permiten ladetección a simple vista de determi-nados metabolitos producidos por la de-gradación del alimento. Sin embargo,resulta necesario un mayor estudio, nosólo en nuevas formas de monitoriza-ción, sino también en cuanto a la formade integración de estos dispositivos enlos envases, a fin de mejorar su sensibi-lidad para poder aumentar la fiabilidadde su respuesta, etc.

Otro tipo de indicadores ampliamente es-tudiados son los indicadores tiempo-tem-peratura, también conocidos como TTispor sus siglas en inglés (Time-Tempe-rature indicators). Son etiquetas simplesque pueden llegar a ser relativamente ba-ratas. Existen indicadores de dos tipos:

• Indicadores tiempo-temperatura: quesuministran una indicación visual delefecto acumulativo de tiempo y tem-peratura en el producto.

• Indicadores de temperatura: indican siel producto ha sido expuesto a una

temperatura superior a una tempera-tura límite.

Su respuesta provoca un cambio visualdebido a un viraje del color dependientede la temperatura, que debe ser irrever-sible para evitar tratamientos fraudu-lentos de los mismos.

Este tipo de dispositivos se pueden em-plear para registrar el ciclo de tempera-turas, si el producto se ha descongeladodurante su distribución, si ha habidoabuso térmico, si está bien horneado osi se ha completado un tratamiento.

Estos dispositivos se suelen clasificar endos grupos:

• Aquellos en los que el color avanzacon el tiempo.

• Aquellos que cambian de color debidoa una reacción química o biológica.

En la figura 13 se muestra un dispositivobasado en una reacción de polimeriza-ción en estado sólido, que da lugar a unpolímero altamente coloreado que mues-tra la variación térmica.

Existe otro tipo de dispositivos conocidoscomo indicadores de humedad que mar-can el grado de humedad de los pro-ductos envasados. Éstos normalmenteestán formados por sales como el clorurode cobalto, que vira de azul a rosa, o elcloruro de cobre, que vira de amarillo averde al aumentar la humedad.

Cabe destacar una aplicación en la queen los últimos años se está empleandoun gran esfuerzo en su investigación, laimpresión de los indicadores visualesmediante formulaciones específicas delas tintas para su uso en los envases yembalajes. De esta forma, el indicador(TTis, indicadores de frescura, de hume-


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dad…) queda impreso sobre el propioenvase evitando así el empleo de otrosdispositivos independientes.

Existen también otros tipos de indica-dores tales como, por ejemplo:

• Los indicadores de golpes o de vuelcoque indican cuándo el envase ha reci-bido un golpe o ha sido volcado (fi-gura 14).

• Dispositivos antifugas para productosque se envasan a vacío o con atmós-fera modificada, etc.

• Dispositivos de autenticidad o anti-fraude que muestran cuándo un en-vase ha sido abierto, manipulado, etc.,

y que son muy útiles para productosde alto valor añadido o susceptibles deser copiados. Como ejemplos se pue-den citar los productos cosméticos dealta calidad, farmacéuticos, productoselectrónicos de última generación, etc.(figura 15).

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Figura 15. Ejemplo de un dispositivo antifraude.

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Aplicaciones de la ultra alta presión dehomogeneización para las industriasalimentaria, farmacéutica, química ycosméticaDr. Buenaventura Guamis López y D. Roger Escriu Justo

La afinidad existente entre los procesosy equipos que se utilizan para las indus-trias farmacéutica, alimentaria, químicay cosmética influye en que los avancesque se están produciendo en diferentesáreas tecnológicas sean aplicables trans-versalmente en toda la industria.

La producción de alimentos se está em-pezando a plantear en base a utilizartecnologías limpias, de bajo consumoenergético, baja emisión de CO2 y bajoconsumo de agua. También se tendránen cuenta la reducción de aditivos, laobtención de calidades que los ase-mejen a los productos frescos y el incre-mento de los efectos beneficiosos parala salud mediante la incorporación oprotección de componentes bioactivosestables durante el periodo de vida útildel alimento.

El mundo de los medicamentos evolu-ciona en el sentido de obtener fármacosde fácil y rápida absorción de sus prin-cipios activos, eliminando excipientes yfacilitando su administración mediantenuevos formatos. A todo esto se letienen que sumar los condicionantes debajo consumo de agua y energía y bajaemisión de CO2.

Por lo que respecta al mundo de la quí-mica y cosmética, se pueden aplicar en

parte los criterios de la industria alimen-taria y también de la industria farmacéu-tica.

En las últimas décadas ha habido un de-sarrollo considerable de tecnologías quepermiten la conservación y estabilizaciónde alimentos, fármacos y cosméticos sinabusar de las altas temperaturas o deprocesos de deshidratación que, ademásde influir negativamente desde el puntode vista organoléptico, en muchos casosnecesitan de concentraciones impor-tantes de aditivos para mantener la es-tabilidad durante el periodo de vida útil.Así mismo, la aplicación de las tecnolo-gías tradicionales ha provocado la pér-dida de valor nutritivo, la destrucción decomponentes bioactivos o bien la pér-dida de eficacia curativa en fármacos oefectividad en el caso de algunos cos-méticos.

Una de las tecnologías más promete-doras y de uso más universal es la UHPH(Ultra Alta Presión de Homogeneización).Esta tecnología deriva de la homogenei-zación convencional que fue desarrolladaa principios del siglo XX. Fue Gaulin en1900 el primero en comercializar equi-pos (figura 1) destinados a la industrialáctea con la finalidad de homogeneizar

la leche y evitar, por tanto, la separaciónde la grasa.

Estos homogeneizadores tienen las si-guientes funciones: estabilización deemulsiones, mejora del sabor y mejorade la textura. Actualmente se aplicanpresiones de hasta 50 MPa con una odoble etapa, según las características delproducto que se tiene que tratar. En laactualidad su uso se ha hecho habitualno solamente en la industria alimentariasino también en otras donde se pro-cesan fluidos (farmacéutica, cosmética,química, etc.).

En 1980 se produce un avance conside-rable en los equipos y nace la ultraho-mogeneización (figura 2), que comoaplicaciones más importantes tiene la deproducir emulsiones más estables, me-jora de la textura de los productos lác-teos con reducción de adición de sólidosy reducción parcial de la carga micro-biana. Para ello se aplican presiones máselevadas, en torno a 150 MPa.

A principios de los años 90 se desarro-llan los primeros equipos que aplican laUHPH. En este caso los equipos han evo-lucionado hacia nuevas válvulas y mate-riales para poder alcanzar presiones dehasta 400 MPa. Actualmente solamentela empresa inglesa, Stansted Fluid Power(SFP) (figura 3A), alcanza estas condi-ciones a nivel mundial.

En la UHPH, el fluido es obligado a pasarpor un estrecho espacio (válvula), tras elcual sufre una ultrarrápida depresión (fi-gura 3B). Consecuentemente, se pro-


46

Figura 1. Primer homogeneizador comercializadopor Gaulin.

Figura 2. Ultrahomogeneizador.

Figura 3A. Nuevo equipo UHPH 400 MPa 125 l/h.CERPTA-UAB (Pat. n.º 10380094.2-1221).

duce una combinación de fuerzas de ci-zalla, impacto, cavitación, turbulencia yalta presión, que causa la destrucción delos microorganismos (Middelberg, 1995;Thiebaud et al., 2003; Diels et al.,2005). Además, debido al incrementode la presión y a la fricción, se producetambién un incremento de temperaturade aproximadamente 2-2,5 ºC por cada10 MPa (Popper y Knorr, 1990).

La participación conjunta de SFP y delCERPTA-UAB en varios proyectos europeosha permitido el desarrollo de un nuevo sis-tema basado en la UHPH.

Este sistema permite la pasteurización yesterilización de alimentos fluidos, elcontrol de modificaciones sobre las pro-teínas y la obtención de mejores tex-turas e incremento de la calidad. Su apli-cación más inmediata será el desarrollode nuevos productos.

Las ventajas que tiene este nuevo sis-tema son:

• Sistema continuo. Posibilidad de enva-sado aséptico.

• Economía de energía.

• Sistema higiénico de fácil limpieza ydesinfección.

Este nuevo sistema puede ser presen-tado como una alternativa a los trata-mientos térmicos convencionales de laleche para la elaboración del yogur sinla necesidad de añadir sólidos lácteos nograsos a la leche base (Serra M. y col.,2008).

También se han realizado desarrollos quepermiten la conservación y estabilizaciónde zumos, licuados vegetales y otros pro-ductos sin aditivos o con muy bajas con-centraciones (Cruz N. y col., 2008).

En el mundo actual, los materiales ali-mentarios a menudo son consideradosno sólo como fuente de nutrientes sinoque contribuyen también a la mejora dela salud del consumidor. En los últimosaños, se ha incrementado el interés enla utilización de microcápsulas, nano-cápsulas y liposomas para la liberaciónde fármacos o componentes activos. Laencapsulación es una tecnología que

Aplicaciones de la alta ultra presión de homogeneización…

47

Figura 3B. Nanoencapsulación. Esquema válvula alta presión homogeneización SFP.

tiene aplicaciones en la medicina, far-macia, cosmética, química y alimentaria.La encapsulación en la industria alimen-taria se utiliza para proteger distintos in-gredientes alimentarios en cápsulas pe-queñas cuando hay una adición directade ingredientes que comprometen la ca-lidad de los productos alimentarios fabri-cados. Las cápsulas, de un tamaño infe-rior a 100 nm, han sido clasificadas comonanocápsulas, mientras que las que se si-túan en el orden de micras se denominanmicrocápsulas. Por supuesto, estas clasi-ficaciones pueden variar, las nanocápsulasson construidas por la manipulación de lamateria a escala nanométrica. El núcleoestá protegido de otros componentes enel alimento y de factores ambientales dela encapsulación, puede mejorar el con-tenido nutricional del alimento sin afectaral gusto, aroma o textura, enmascarar elmal sabor, y aumentar la vida útil y esta-bilidad de los ingredientes y del productoalimentario finalizado (Augustin y Hemar,2009).

La encapsulación es el empaqueta-miento de partículas pequeñas sólidas,líquidas o gaseosas, conocidas como nú-cleo, en un material secundario, cono-cido como matriz o cáscara, para formarcápsulas pequeñas. El contenido de lacápsula está aislado de su entorno y esliberado en respuesta a una activacióncomo la cizalla, pH o actividad enzimá-tica, lo que permite su control y, en sumomento, la liberación en un sitio de-terminado. La encapsulación puede en-mascarar el gusto de los nutrientescomo las sales minerales, que son aña-didas con el propósito de fortificar el ali-mento. Ejemplos donde la encapsula-ción ofrece beneficios para controlar la

liberación incluyen los agentes aromati-zantes en chicles, que son liberados almasticar, y bacterias probióticas, lascuales son protegidas de los ácidos gás-tricos y liberadas en el intestino delgado.La encapsulación también sirve paratransformar los ingredientes líquidos enpolvo con el objetivo de añadirlos en sis-temas alimentarios secos. Según la es-tructura de los ingredientes encapsu-lados pueden ser clasificados en:cápsulas con núcleo rodeado por unacapa de material de la matriz y cápsulascon núcleo atrapado dentro de una redcontinua de material de la matriz. Varia-ciones a éstas incluyen cápsulas con múl-tiples núcleos o cápsulas de múltiplescapas. En la industria alimentaria han idoapareciendo nuevas aplicaciones de na-notecnologías, incluyendo la utilizaciónde las nanopartículas, como las micelas,liposomas, nanoemulsiones, las nanopar-tículas biopoliméricas y cubosomas.También cabe destacar que las nanotec-nologías tienen aplicación para controlarla seguridad alimentaria mediante nano-sensores (Sozer y Kokini, 2008). Las tec-nologías tradicionales de encapsulación,como el secado por atomización, extru-sión, etc., han sido desarrolladas y utili-zadas en las industrias farmacéuticas yalimentarias. De todas formas, estas tec-nologías tienen muchas limitaciones(Huang et al., 2009).

La alta presión de homogeneización seutiliza para preparar partículas de ta-maño nanométrico en suspensión, con-teniendo productos poco solubles enagua.

El principio de formación de nanosus-pensiones son las fuerzas de cavitacióncreadas al pasar la válvula de homoge-


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neización. El tamaño de la partícula dela nanosuspensión depende de la durezade la sustancia, presión del proceso y delnúmero de ciclos realizados.

La mayoría de las nanopartículas utili-zadas tradicionalmente pertenecen algrupo de los coloides (por ejemplo:emulsiones, micelas, mono y bi-capas).Las primeras dispersiones fueron prepa-radas por Michael Faraday a mediadosdel siglo XVIII. Las partículas fueron atraí-das las unas con las otras a través de lasfuerzas de Van der Waals, que dieronestabilidad coloidal. En las partículas co-loidales, la estabilización esteárica es de-bida a la absorción de polímeros y sur-factantes en la superficie.

Las nanopartículas pueden ser, además,estabilizadas por el revestimiento deéstas con moléculas que pueden formarenlaces químicos.

Para aplicaciones en alimentos, debidoa la gran área superficial de las nanopar-tículas por unidad de masa, se esperaque sean biológicamente más activasque partículas de un tamaño superiorcon la misma composición química. Estacaracterística ofrece multitud de pers-pectivas para su aplicación en alimentos.Las nanopartículas pueden, por ejemplo,ser utilizadas como componentes bioac-tivos en alimentos funcionales.

Aparte de su valor nutritivo, los ingre-dientes alimentarios contribuyen propor-cionando sabor y textura. Algunos in-gredientes alimentarios (por ejemplo:vitaminas, minerales, ácido fólico, fito-químicos y lípidos funcionales, bacteriasprobióticas, aminoácidos y proteínas)por supuesto tienen un rol fisiológico.Estos ingredientes, conocidos como in-

gredientes bioactivos, son utilizados enel desarrollo de alimentos funcionales.

Los componentes bioactivos que sepueden encontrar de manera natural enciertos alimentos tienen beneficios fisio-lógicos y pueden ayudar a reducir elriesgo de ciertas enfermedades, inclu-yendo el cáncer. Reduciendo el tamañode partícula, la nanotecnología puedecontribuir a mejorar las propiedades delos componentes bioactivos, como suspropiedades de liberación, solubiliza-ción, prolongar su tiempo de residenciaen el tracto gastrointestinal y mejorar suabsorción a través de las células (Sozery Kokini, 2008).

Los fármacos o componentes activosque no son solubles en el agua son unproblema para la formulación de deter-minados productos. Los problemas mástípicos asociados a esta insolubilidad sonla baja bioviabilidad y/o una mala absor-ción (Muller et al., 2001). Una ampliavariedad de nanopartículas compuestascon un rango de materiales, incluyendolípidos, polímeros y materiales inorgá-nicos, ha sido desarrollada, resultandoen unos sistemas que varían en sus pro-piedades físico-químicas (Letchford yBurt, 2007) (figuras 4 y 5).

Ensamblajes nano y micro-estructu-rados incluyen emulsiones basadas ensistemas formados por ingredientes decalidad alimentaria, incluyendo biopo-límeros alimentarios (proteínas, carbohi-dratos), grasas, surfactantes de bajopeso molecular y copolímeros (proteí-nas-carbohidratos conjugados) que hansido empleados para liberar un rango deingredientes funcionales en los ali-mentos (figuras 6, 7 y 8).


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La habilidad de manipular los compo-nentes alimentarios a escala nanomé-trica ha permitido a formuladores ali-mentarios y procesadores desarrollaringredientes encapsulados para mejorarla calidad de los alimentos tradicionalesy hacer frente a los desafíos en la incor-poración de componentes bioactivospara mejorar la salud de los consumi-dores (Augustin y Hemar, 2009).

Hay un creciente interés en el desarrollode alimentos nutracéuticos y funcionalesdiseñados para combatir enfermedades,como el cáncer, enfermedades del co-razón, hipertensión, obesidad y diabetes.

Un buen número de componentes hansido identificados como potenciales bene-factores para la salud cuando son consu-midos de manera regular a concentra-


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Figura 5. Estructura de un liposoma.

Figura 4. La escala de los objetos. Fuente: Weiss, IFT. 2007.

ciones apropiadas, incluyendo el ácidograso ω-3, ácido linoleico conjugado, bu-tirato, fitoesteroles, carotenoides, antioxi-dantes, coenzima Q y vitaminas A y D.

A menudo es beneficiosa la liberaciónde estos componentes bioactivos lipofí-licos en medio acuoso porque incre-menta la palatibilidad, desirabilidad y

bioactividad. Así, el componente bioac-tivo lipofílico puede ser incorporado enbebidas o alimentos que pueden serconsumidos de manera fácil en ali-mentos sólidos o líquidos. Sin embargo,a menudo hay una serie de desafíos téc-nicos que deben superarse, como la in-corporación de un lípido bioactivo conéxito en un alimento de base acuosa.

Los componentes lipofílicos bioactivosvienen en una amplia variedad deformas moleculares, que dan lugar a di-ferencias en sus propiedades físico-quí-micas y fisiológicas, como estabilidadquímica, estado físico, solubilidad delsolvente, reología, propiedades ópticasy biodisponibilidad (McClements, 2010).

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Figura 6. Liposomas deshidratados.

Figura 7. Nanocápsulas de caseína.

Figura 8. Nanotubos de α-lactoalbúmina.

Diels A MJ, Wuytack EY, Michiels CW.Modelling inactivation of Staphylococcus au-reus and Yersinia enterocolitica by high-pres-sure homogenisation at different tempera-tures. Int J Food Microbiol 2003; 87:55-62.

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CO2 a presión, más que una alternativa debajo impacto ambiental a los disolventesorgánicosD. Joaquim Torres Sanglas

ResumenEl procesamiento de alimentos o fármacoscon disolventes orgánicos presenta un cre-ciente problema de seguridad, higiene ymedioambiente, problemas que repre-sentan un encarecimiento gradual del pro-ceso. El CO2 a presión y temperaturas mo-deradas muestra unas propiedades muyparecidas a estos disolventes y es capaz dedesarrollar los mismos procesos con mayorseguridad y menor impacto ambiental. Eldescafeinado del té o café, el desengra-sado de cacao o pieles, el lavado en secode ropa o equipos electrónicos son ejem-plos de aplicaciones industriales del CO2

en condiciones supercríticas. Pero su po-tencial aplicación es mayor que una alter-nativa a la extracción por disolventes, elCO2 es capaz de micronizar y encapsularsustancias, desactivar microorganismos,reducir las temperaturas de procesado deplásticos, producir microespumas de apa-riencia rígida y sólida y sintetizar materialescon propiedades únicas como los aero-geles. En este capítulo se presentan lasaplicaciones más interesantes como tec-nología transversal en las industrias ali-mentaria, farmacéutica y cosmética.

Introducción a los fluidossupercríticosUna de las tecnologías emergentes enlos últimos 15 años para el tratamiento

de alimentos, productos cosméticos yfarmacéuticos son los fluidos supercrí-ticos. En sus inicios, ésta se postulabasolamente como una alternativa a los di-solventes orgánicos, pero poco a pocosus aplicaciones se han expandido amultitud de nuevos campos: microniza-ción, medio de reacción o polimeriza-ción, síntesis de nuevos materiales y pro-cesado de plásticos, entre otros.

Un fluido supercrítico (SCF) es cualquiersustancia que se encuentra en unas con-diciones de presión y temperatura supe-riores a las de su punto crítico (Tc y Pc),y pueden ser tanto el agua, la acetonao el etanol como el dióxido de carbono,el propano, el nitrógeno o cualquierfreón. El elemento diferencial entre unlíquido, un gas y un fluido supercríticoes la presión y la temperatura a la quese somete la sustancia. En la figura 1 sepresenta un típico diagrama de fases, enél se pueden observar los distintos es-tados de la materia: sólido, líquido y gas,así como las fronteras entre estos estados(las líneas de equilibrio, por ejemplo, só-lido-gas o sublimación). Todas estas líneasde equilibrio tienden a ocupar todo eldiagrama menos una: el equilibrio lí-quido-gas; éste termina en una presión ytemperatura que llamamos el punto crí-tico. Por encima de estas condiciones,obtenemos una mezcla homogénea del


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estado líquido y gaseoso, con unas pro-piedades intermedias: densidad similar aun líquido, viscosidad y difusividad simi-lares a un gas. En otras palabras, unacombinación perfecta de la capacidad dedisolución con una baja resistencia a latransferencia de materia. Y ahí radica elinterés de esta tecnología.

Entre los distintos fluidos supercríticos,destacan por las aplicaciones industrialesdesarrolladas y aplicadas: el dióxido decarbono, el agua y el propano. Todosellos presentan propiedades sorpren-dentes en condiciones supercríticas, asíel agua se comporta como un oxidantealtamente corrosivo, capaz de destruirlos aceros más resistentes y aplicado enla oxidación de sustancias orgánicas re-fractarias. El CO2 y el propano son ca-paces de disolver sustancias orgánicas,como productos naturales, aceites,grasas, medicamentos y la gran mayoríade compuestos no o poco polares (verfigura 2). Aunque el propano presenta

unas prestaciones mayores, el dióxidode carbono es el fluido más aplicado einvestigado con gran diferencia, su se-guridad –no es inflamable ni tóxico–, sufacilidad de uso, su baja reactividad y uncoste asequible, lo convierten en una al-ternativa muy viable a los disolventes or-gánicos.

El dióxido de carbono no solamente des-taca por la capacidad de disolver sustan-cias, sino por la facilidad de controlar yajustar esta solubilidad a través de lapresión y la temperatura. Como se pue-de ver en el diagrama de solubilidades

250

200

150

100

50

0

Presiónbares

Temperatura

Líquido

Punto triple Gas

Fluido supercrítico

Punto crítico

Sólido

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

Figura 1. Diagrama de fases del CO2, donde se puede observar el punto crítico y la zona de presión-tempera-tura de comportamiento supercrítico. Imagen cedida por Matgas 2000 IAE.

Figura 2. Extracción del pigmento de la caléndula.De izquierda a derecha, harina de caléndula previoy posterior al tratamiento con SCCO2 y pigmento ex-traído. Imagen cedida por Matgas 2000 IAE.

CO2 a presión, más que una alternativa de bajo impacto ambiental…

55

de la figura 3, la solubilidad aumentacon la presión y puede aumentar o dis-minuir con la temperatura. La influenciacontradictoria de la temperatura se jus-tifica por la acción combinada de dosfactores: la densidad del fluido supercrí-tico y la presión de vapor del soluto. Unaumento de la temperatura provoca unadisminución de la densidad que reducela solubilidad, pero también un incre-mento de la presión de vapor del solutoque la aumenta. Otra propiedad intere-sante del CO2 a presión es la reducciónde la temperatura de transición vítrea (Tg)y de fusión (Tm) de las sustancias satu-radas con este gas; en otras palabras, sepuede aplicar como plastificante o fun-dente temporal. Temporal porque a pre-sión y temperatura ambientales, el CO2

se desprende y el material vuelve a recu-

perar sus propiedades originales. Todasestas propiedades permiten aplicar elCO2 a multitud de aplicaciones; en latabla 1 se presentan las más importantes.

Extracción supercríticaEs la aplicación más importante y conmayor experiencia industrial de todas lasaplicaciones del CO2 supercrítico. Es si-milar a cualquier extracción conven-cional donde el disolvente líquido a pre-sión atmosférica es sustituido por el CO2

a presión, requiriendo equipos capacesde trabajar por encima de los 100 bares(normalmente entre 250 y 500 bares).En la figura 4 se presenta un típico dia-grama de flujo de una instalación de in-vestigación; el CO2 entra en el extractorpor la parte inferior y, en contacto conla matriz sólida o líquida, disuelve el so-luto presente en la matriz. Una vez di-suelto el soluto, la solución supercrítica

Presión alta

Solu

bili

dad

de

solu

to

Presión baja

TemperaturaTc

Gas + Líquido

Presión media

Figura 3. Diagrama típico de la solubilidad de un so-luto en CO2 en función de la presión y la tempera-tura (7).

Tabla 1. Operaciones unitarias oprocesos donde el CO2 en condicionessupercríticas ofrece un campo deaplicación o se aplica actualmente.

Extracción de productos naturales(pigmentos, aceites, grasas, principiosactivos…).Separación o fraccionamiento de mezclas.Micronización, cristalización u obtenciónde partículas.Encapsulación o recubrimiento.Impregnación en matrices orgánicas.Procesamiento de plásticos.Medio de reacción (hidrogenación,oxidación o polimerización).Desactivación de bacterias, hongos yesporas.Síntesis de nuevos materiales conpropiedades únicas (aerogeles).


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entra en la zona de los separadores,donde el soluto es recuperado por pre-cipitación al descomprimir y/o enfriar elCO2. Esta recuperación se puede realizaren una o varias etapas, permitiendo elfraccionamiento del extracto en distintoscomponentes. Para reducir los costes, elCO2 es recuperado después de lasetapas de separación y realimentado alextractor, formando un anillo de recir-culación. En esta configuración, el con-sumo de CO2 queda limitado al rema-nente en el extractor y los separadoresdurante su descarga.

La extracción está limitada por dos me-canismos: solubilidad del extracto en eldióxido de carbono y la transferencia demateria del extracto entre la matriz y eldisolvente. Estos mecanismos dibujan

unas curvas de extracción típicas dondedestacan dos zonas: una lineal, dondela solubilidad o saturación del extractoes la etapa limitante más importante, yotra asintótica, definida por la transfe-rencia del soluto entre las dos fases, li-mitada por la difusividad del CO2 y delsoluto en la matriz del refinado (ver fi-gura 5). En la etapa controlada por lasolubilidad, la densidad y el caudal deCO2, así como el tipo y concentraciónde cosolvente, son los parámetros másimportantes de la extracción; por otrolado, el tamaño y el tiempo de contactoo residencia entre el refinado y el fluidosupercrítico definen la extracción en laetapa controlada por transferencia demasa (11).

La etapa de separación del extracto delCO2 es una de las partes más críticaspara la optimización del coste energéticoy económico, que frecuentemente no sele da la importancia suficiente que de-bería. El procedimiento tradicional de ex-pandir el fluido supercrítico y recoger elprecipitado es simple y eficiente, pero re-quiere recomprimir y recalentar el fluidopara su recirculación al extractor. El costeenergético de esta expansión depende

25,5

265

25

4,2

PXV06

XV08

XV02

PT04

P1

P3

Cosolvente

Alimentación

XV11 XV10

XV13

Caudal

Caudal

EnchufeºC

PXV04

XV09

4,2

ºC

ºC

barºC

bar

ºC

bar

45

25040

125

R4R3

XV12

R2

R1

CO2

Figura 4. Típico diagrama de flujo de una instalaciónde investigación de extracción supercrítica, formadapor un extractor y dos separadores sin recuperacióndel CO2.

Figura 5. Curvas típicas de extracción a 40 ºC y dis-tintas presiones (de abajo a arriba 100, 120, 160 y200) (10).

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

Cam

po

,%

Tiempo de extracción/60''0 100 200 300 400 500 600


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del salto de presiones requerido, sueleser alto, y valores de expansión supe-riores a los 100 bares no son raros parala recuperación de extractos sólidos.Alternativas eficientes energéticamenteson la absorción y adsorción del extractoen agua o carbón activo, que permitenrecuperar el extracto sin pérdida de pre-sión, pero implican añadir una terceraetapa para la separación del extracto dellíquido o sólido adsorbente. La separa-ción industrial de la cafeína del CO2 serealiza por absorción en agua y la solu-ción acuosa obtenida se concentra porósmosis inversa (1). Estas técnicas re-quieren una alta especificidad y es difícilencontrar sustancias como la cafeína,que sean lo suficientemente apolarespara ser disueltas en CO2 y muestren lasuficiente polaridad para ser disueltas enagua. Una solución universal y a un costemedio es la separación por membranas,normalmente por ultra o nanofiltración,que permite realizar la recuperación delextracto con una pérdida de carga entre10 y 40 bares (12). La cromatografía su-percrítica preparativa es una técnica muypotente para la realización de separa-ciones especiales, como enantiómeros opurificación de fármacos. Basada en unafase estacionaria convencional y unamóvil formada por el fluido supercrítico.Aunque es un proceso discontinuo, exis-ten propuestas de instalaciones con seisu ocho columnas cromatográficas en pa-ralelo que permiten realizar separacionesen continuo (2).

Una configuración muy interesante parala extracción o fraccionamiento de sus-tancias líquidas es la extracción en unacolumna de intercambio líquido-líquidoen continuo. En la figura 6 se observa el

gran parecido de una columna de ex-tracción supercrítica con una columnade extracción líquida convencional o dedestilación en una columna de relleno.De hecho se utilizan las mismas herra-mientas de diseño: el número de etapasde equilibrio (NTU) y la altura de cadaetapa de equilibrio (HTU), así como losmétodos de McCabe-Thiele o Ponchon-Savarit para la determinación del nú-mero de etapas de equilibrio (3). Permitela separación de mezclas complejas,como el fraccionamiento de aceites ve-getales o de pescado y la eliminación delalcohol de bebidas alcohólicas sin afec-tar al aroma. Normalmente, el líquido aprocesar se alimenta a la columna en laparte media y en contacto con el CO2 sefracciona en dos corrientes: enriqueci-

Reflujodisolvente

Reflujo

ExtracciónAlim

enta

ción

Disolventecargado

Diso

lven

tem

aqui

llado

Regeneracióndisolvente

Gas

Gas

Refinado

Colu

mna

deex

trac

ción

Figura 6. Esquema típico de un equipo de extracciónlíquido-líquido, extracción que permite la separacióndel alcohol de cervezas o licores sin pérdida de gustoo aroma (7).


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miento y agotamiento. La corriente deenriquecimiento se dirige hacia la partesuperior donde el extracto es separadodel fluido supercrítico, el CO2 supercrí-tico es inyectado otra vez a la columna,formando el reflujo. En contraposición,la corriente de agotamiento se dirigehacia la parte inferior, donde se eliminael refinado y el fluido recuperado se in-yecta otra vez a la columna (7).

La extracción supercrítica permite pro-cesar alimentos y medicamentos de unamanera eficiente, evitando el contactocon sustancias tóxicas y resuelven el pro-blema de los residuos tóxicos en el pro-ducto, la toxicidad en los puestos de tra-bajo y la gestión de los residuos tóxicos.Se aplica industrialmente en la extrac-ción de la cafeína del té o del café, dellúpulo para producir cerveza, de pesti-cidas en cereales, de productos natu-rales como la resina de pimentón o acei-tes esenciales, para desengrasar cacao,pieles o piezas metálicas, limpieza enseco de ropa y equipos electrónicos, eli-minación de TCA del corcho o residuosde disolventes.

Cristalización/micronización

Como en cualquier otro disolvente, elCO2 supercrítico permite procesar pro-ductos químicos por recristalización o pre-cipitación, obteniendo partículas de ta-maño y forma controlados. Ofrece comogran ventaja un proceso más simple conunas prestaciones superiores: permiteobtener en una sola etapa partículas detamaños menores a 100 nm con unadistribución de tamaños muy intere-sante, sin un exceso de partículas finas,sin tensiones térmicas y controlando la

forma de una sustancia polimórfica (4).Estas prestaciones superiores se justi-fican por un mecanismo de precipitacióndistinto a los procesos convencionales.En éstos la reducción de la solubilidadse realiza por cambios térmicos y estánlimitados por la transferencia térmica deldisolvente. En la micronización supercrí-tica, la reducción de solubilidad se con-sigue por cambios de presión, cambiosque se transmiten a velocidades del so-nido. Consiguiendo unas condicionesmuy homogéneas que permiten obteneruna gran cantidad de núcleos y un bajocrecimiento de éstos (9), en conse-cuencia unas partículas uniformes y pe-queñas. Otra ventaja adicional es el grancontrol de la solubilidad que se consiguecon los fluidos supercríticos, control quepermite obtener fácilmente sobresatu-raciones muy superiores a los disol-ventes convencionales y condiciones deoperación donde la nucleación es elprincipal mecanismo de la cristalización.

En la micronización convencional, la ob-tención de partículas inferiores a unamicra implica la combinación de diversasetapas: cristalización, sembrado de cris-tales, secado, criba y molienda. La mi-cronización supercrítica permite simpli-ficar este proceso a una única etapa decristalización donde se añaden hastatres sustancias: el producto a micronizar,el fluido supercrítico y, eventualmente,un disolvente (9). El orden como se aña-den estas sustancias permite definir mul-titud de técnicas como RESS, GAS,ASES, SAS, PGSS y DELOS, técnicas quese agrupan en tres clases: precipitaciónpor expansión rápida, por antisolvenciay por soluciones saturadas de CO2 su-percrítico (ver figura 7) (4).


59

Los procesos basados en la expansiónrápida consisten en la disolución de lasustancia a micronizar en CO2 supercrí-tico y su posterior precipitación por re-ducción brusca de la presión. El ajustede la presión y la temperatura en el ex-tractor y en el recipiente de precipitaciónpermiten controlar el tamaño y la formade las partículas. Este tipo de microniza-ción ofrece la ventaja de una gran sim-plicidad y evita completamente el con-tacto con disolventes orgánicos, peropadece de un escalado difícil y un rangoestrecho de sustancias con una solubi-lidad suficiente para justificar económi-camente el proceso.

Un antisolvente es un líquido que seañade a una solución para reducir la so-lubilidad del soluto y forzar su precipi-

tado. En la precipitación supercrítica porantisolvencia, el CO2 supercrítico se aña-de a una solución orgánica, reduciendola densidad del disolvente final (formadopor la mezcla del CO2 y el disolvente ori-ginal) y la solubilidad del soluto. El tipode solución original y la manera como seestablece el contacto entre ésta y el dióxi-do de carbono definen distintas técnicaso procedimientos. En la precipitaciónGAS, la solución a procesar se introduceinicialmente al recipiente a presión y len-tamente se añade el fluido supercrítico.La disolución del fluido supercrítico enel disolvente original reduce la densidady la capacidad de disolución, hasta quese obtiene el precipitado deseado. En laprecipitación SAS o ASES, el contacto esa la inversa: en un recipiente a presiónlleno de CO2 se pulveriza la solución or-

Figura 7. Diagramas simplificados de los tres grandes tipos de micronización con CO2 supercrítico: precipita-ción por expansión del CO2, por antisolvencia y por soluciones saturadas (de izquierda a derecha) (8).

Respiradero

Respiradero

Sustancia activa+ disolvente

CO2

Bomba BombaBoquilla Recipiente

de altapresión

Tanque depresión

baja

Bomba

Sustanciaactiva

Vaso deexpansión

Unidad de extracciónUnidad de precipitación

CO2

P

P

Producto

Saturación Expansión

Respiradero

CO2


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gánica, obteniéndose una dispersión depequeñas gotas de disolución en un marde CO2, de esta manera el disolvente or-gánico se disuelve fácilmente en el CO2,obteniéndose un precipitado muy fino(figura 8). El proceso se realiza en semi-continuo, alimentando constantementeel CO2 y la disolución orgánica, extra-yendo la mezcla disolvente/CO2 y reco-giendo el precipitado en un filtro. Los re-quisitos para su aplicación son dos: unsoluto insoluble y un disolvente miscibleen CO2 supercrítico; siendo el disolventecapaz de disolver el soluto, requisitos fá-ciles de cumplir en multitud de sustan-cias. Presenta el inconveniente de queno evita el contacto con disolventes or-gánicos y su residuo en el precipitado re-quiere ser controlado.

La tercera clase consiste en la disolucióndel CO2 en una sustancia pura, una so-lución o una suspensión y su posteriorexpansión para obtener un precipitadomuy fino. El principal mecanismo decristalización es el inmenso frío locali-zado en una zona muy pequeña de la

válvula de expansión, frío generado porla gasificación del CO2 disuelto y capazde reducir la temperatura de la soluciónhasta –40 ºC. El CO2 en fase gaseosa seconvierte en un buen medio para dis-persar las partículas y evitar el tapona-miento de la válvula de expansión.Destacan dos técnicas con distintas va-riaciones: PGSS, aplicada principalmentepara la micronización de plásticos, yDELOS, aplicada en la micronización desustancias disueltas en disolventes orgá-nicos. Por último, destacar otros tipos detécnicas que permiten la obtención departículas insolubles en CO2 como ma-teriales cerámicos o metálicos. Éstasconsisten en disolver un precursor delmaterial en CO2 y por descomposicióntérmica obtener un precipitado.

Todas estas clases de micronización per-miten el encapsulamiento de principiosactivos, en forma de microcápsula o mi-croesferas (4, 8). Una microcápsula pre-senta una morfología en la que el prin-cipio activo forma un núcleo esféricoenvuelto perfectamente por el recubri-

Figura 8. Precipitado obtenido por ASES, observándose una aglomeración de un precipitado muy fino (de-recha). Montaje de laboratorio para la realización de una precipitación por ASES, se observa el reactor, la vál-vula de expansión y el filtro (izquierda). Imágenes cedidas por Matgas 2000 IAE.


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miento. En contraposición, una microes-fera se caracteriza por una distribuciónheterogénea y caótica del principio ac-tivo y el recubrimiento, distribución quese mantiene incluso en su superficie. Lasmicroesferas se obtienen normalmentepor precipitación simultánea de los doscomponentes partiendo de la mezcla delas dos sustancias, en disolución o só-lidas. La obtención de microcápsulas re-quiere una precipitación separada del re-cubrimiento y la sustancia a encapsularo la precipitación del recubrimientosobre partículas preformadas. Una posi-bilidad sería la precipitación del recubri-miento por RESS o expansión rápidasobre un lecho fluidizado de la sustanciaa recubrir; otra opción es la precipitaciónpor antisolvencia de dos soluciones dis-tintas (recubrimiento y principio activo)inyectadas simultáneamente en una bo-quilla coaxial. Estas boquillas coaxialesse caracterizan por disponer de tres ca-nales concéntricos: en el canal interiorse inyecta el CO2, en el intermedio lasustancia a encapsular y en el exterior elrecubrimiento; en esta configuración, elCO2 supercrítico primero fuerza la pre-cipitación del principio activo y poste-riormente la del recubrimiento (8, 9).

ImpregnaciónLa encapsulación de sustancias es unatécnica muy útil para poder trabajar consustancias sensibles al medio, al quedarprotegidas por el recubrimiento hasta al-canzar el objetivo, o diseñar sistemas deliberación controlada. Estos últimos re-sultan muy interesantes para el diseño denuevos medicamentos (Drug DeliveringSystem) o plásticos para el envasado inte-ligente de alimentos. Por ejemplo, una

sustancia antioxidante o antibacterianaqueda encapsulada dentro del plásticoque forma el envase del alimento y se li-bera lentamente para protegerlo. Unatécnica alternativa para su síntesis es laimpregnación supercrítica, ya que permiteencapsular el principio activo sin alterar elrecubrimiento. Como en la impregnaciónconvencional, el fluido supercrítico actúacomo el medio o transporte para intro-ducir el principio activo hasta el interiordel material, ya sea poroso o sólido. En laimpregnación de plásticos, el CO2 pre-senta la ventaja de ser capaz de hincharun plástico amorfo mientras esté disueltoen su interior, reduciendo su densidad ypotenciando la difusión de las sustanciasdisueltas en él. Esta propiedad permitetanto introducir sustancias como extraerlas,por ejemplo, eliminando residuos de mo-nómeros o dímeros del plástico.

La impregnación supercrítica consiste endos recipientes a presión, el primerocontiene el principio activo a encapsular,por ejemplo, el compuesto antioxidanteo antibacteriano, y el segundo la sus-tancia a impregnar, como el plástico. ElCO2 supercrítico entra en el primer reci-piente, donde disuelve la sustancia ac-tiva y lo transporta hasta el segundo re-cipiente, donde se encuentra la matriz aimpregnar. La impregnación se puedeproducir por precipitación del solutocontenido en la solución supercríticaque rellenaba los poros de la matriz, poradsorción del soluto en los centros ac-tivos o atrapamiento del soluto en el in-terior sólido de la matriz. Este últimomecanismo se produce cuando el fluidosupercrítico transporta sus solutos mien-tras se difunde en la matriz, pero es in-capaz de sacarlos durante la despresuri-


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zación y van precipitando en el interiorde la matriz (4).

No es extraño conseguir distintas cargasde impregnación de un mismo soluto endiferentes materiales para una mismaconcentración en CO2. En estos casos,se puede discutir si estas diferentes car-gas son debidas a la interacción fluidosupercrítico-matriz o soluto-matriz. Laprimera equivaldría a diferentes conte-nidos de CO2 supercrítico disuelto en lamatriz y en consecuencia un contenidomayor de soluto, mientras que la se-gunda sería debido a un coeficiente dereparto del soluto entre la solución su-percrítica y la matriz que favoreciese suacumulación en el interior de la matriz.

Desactivación demicroorganismos:esterilización/pasteurización

Aunque pudiera extrañar, el CO2 super-crítico permite la desactivación de micro-organismos como bacterias, hongos oesporas, siendo capaz de pasteurizar oincluso esterilizar alimentos, preparadosfármacos o cosméticos y dispositivos mé-dicos. La operación con fluidos supercrí-ticos implica trabajar con sistemas a pre-sión y es bien conocido el efecto de lapresión para la desactivación de microor-ganismos. Pero la interacción del CO2 conlos microorganismos permite la desac-tivación a presiones inferiores a las uti-lizadas en el procesado por altas pre-siones hidrostáticas (HPP). El CO2 sedifunde y se acumula en el interior de lacélula del microorganismo, reduciendoel pH del líquido celular, desactivandoenzimas y/o eliminando parte de su con-tenido vital por extracción supercrítica.

Estas interacciones, junto con la capa-cidad de romper la pared celular en unadespresurización rápida, pueden con-ducir al microorganismo a su desactiva-ción (5, 6).

La desactivación de bacterias es un pro-ceso relativamente fácil comparado a ladesactivación de esporas, siendo las bac-terias gramnegativas más sensibles alCO2 que las grampositivas. Esta dife-rencia de comportamiento es debido aldiferente tipo de pared celular de lasbacterias, en las gramnegativas las pa-redes son más débiles y su ruptura esmás fácil durante la despresurización (6).La mayor resistencia de las esporas re-quiere la utilización de condiciones depresión y temperatura mayores, ademásde un cosolvente como el agua oxige-nada, ácido acético, etanol o lipzina;condiciones de trabajo viables única-mente en dispositivos médicos (13). Losresultados de la desactivación dependenfuertemente del microorganismo estu-diado, obteniéndose reducciones del nú-mero de microorganismos del orden deentre 5 y 8 unidades logarítmicas, comose observa en la figura 9.

Implantación tecnológica enEspaña

A pesar de las numerosas ventajas queaporta la tecnología de fluidos supercrí-ticos respecto a los disolventes orgá-nicos, ésta no disfruta de una gran im-plementación en el mundo industrialcomo se esperaría, destacando menosde 40 instalaciones con recipientes devolumen superior a 100 litros en Europahasta 2005 (2). En España, se conocenunas cuatro instalaciones, dos para la

extracción del pimentón, otra para la eli-minación de TCA del corcho (corchos deMérida perteneciente al grupo Oeneo,http://www.oeneo-bouchage.com) y otrapolivalente y versátil para la realizaciónde extractos para terceras empresas(http://www.aplitex.com). Pocas instala-ciones para una gran capacidad investi-gadora, existen más de 40 grupos de in-vestigación dedicados a la investigaciónde fluidos supercríticos, y define las di-ficultades de esta tecnología para cruzarla barrera entre el mundo científico y elindustrial.

En una primera aproximación, pareceríaque las presiones elevadas que requierenlos fluidos supercríticos suponen un so-brecoste que impide el uso industrial,pero existen aplicaciones industriales queemplean presiones más elevadas, porejemplo, la pasteurización por presión(HPP) opera a una presión diez veces su-perior. Se han publicado diversos estudiospara entender la resistencia del mercadoa aplicar esta tecnología, enfocados

todos a estimar y analizar sus costes. Enellos, se detecta un peso muy importantede la amortización de equipos y de per-sonal, sumando entre los dos más del60% de los costes o el 75% sin contarimpuestos (2). Éstos reflejan una realidadbasada en equipos de alto coste y bajaproducción orientados a productos dealto valor añadido. Así no es de extrañarque un aumento de la capacidad de lasinstalaciones disminuya muy significati-vamente el coste total del producto. Enla figura 10 se muestra cómo una pro-ducción por lotes de 1.000 toneladas/añopresenta un coste de 5 €/kg, coste quese reduce a 0,6 €/kg para produccionesde 10.000 toneladas/año. El procesadode líquidos que permitan un funciona-miento en continuo reducen el costehasta valores de 0,6 €/kg para produc-ciones de 1.000 toneladas/año (2).

En definitiva, como cualquier tecnologíaalternativa a un proceso convencionalbien establecido y con fuerte impactoambiental, la economía de escala acabasiendo el principal factor que impide oretarda su aplicación industrial. Graciasa su larga tradición, el procesamientobasado en disolventes orgánicos se en-cuentra muy optimizado económica-mente en todas sus etapas, ofreciendosolamente una brecha en la gestión me-dioambiental de sus residuos y en los as-pectos higiénicos tanto de trabajo comode consumo. La tecnología de fluidossupercríticos podría cubrir fácilmenteesta brecha, pero requiere volúmenes deproducción elevados para hacerlo a uncoste competitivo. Estos volúmenes re-quieren una considerable inversión ini-cial que entrañan un riesgo importante,difícil de asumir en una tecnología con

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

-8

Reg

istr

o10

(n/n

)

Tiempo (min)0 20 40 60 80 100 120 140

Figura 9. Ejemplo de la mortandad del CO2 super-crítico en diversos microorganismos (5).


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poca experiencia industrial. Pero existenexperiencias de éxito, instalaciones queen pocos años han duplicado su capa-cidad productiva y disfrutan de una si-tuación competitiva inmejorable: ser elúnico o de los pocos capaces de realizarel proceso a escala industrial.

AgradecimientosEl autor agradece el soporte financiero re-cibido desde el CDTI, Ministerio de Cien-cia e Innovación del gobierno español,Programa Ingenio 2010, bajo el proyectoCENIT SOST-CO2 (CEN-2008-1027).

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Alimentación rendimiento (toneladas/año)

Co

sto

po

rto

nel

ada

de

alim

ento

sólid

o(€

/Tn

)

Proceso por lotes

Proceso continuo

50.000

5.000

500

50

100 1.000 10.000 100.000

Figura 10. Variación del coste de procesamiento con fluidos supercríticos en función de la producción anual (2).


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9. Pasquali I, Bettini R. Are pharmaceutics re-ally going supercritical? International J ofPharmaceutics 2008; 364:176-87.

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Introducción

Origen y desarrollo histórico de laenergía electromagnética

La energía electromagnética, popular-mente conocida como microondas, fuedescubierta en el año 1861 cuandoMaxwell desarrolló su teoría de ondaselectromagnéticas. La teoría se basó enlos trabajos previos de Ampère, Faradayy Gauss, y permitió deducir la existenciade unas ondas, formadas por camposeléctricos y magnéticos variables.

La energía electromagnética está for-mada por ondas que cubren la regióndel espectro comprendida aproximada-mente entre frecuencias de 105 y 1012 Hz,que corresponden a longitudes de ondaentre algunos kilómetros y 0,1 mm. Laingeniería de la energía electromagné-tica es pues aquella rama de la inge-niería eléctrica que trata sobre la gene-ración, transmisión y proceso de dichasondas.

Resulta difícil establecer un punto departida de desarrollo de esta rama. En1888, Hertz diseñó un experimento paraverificar la teoría de Maxwell y demos-trar la existencia de las ondas electro-magnéticas.

Su experimento consistía en conectar ungenerador de alta frecuencia a un sis-tema (antena emisora) formado por dosesferas separadas una cierta distancia.

En el otro lado de la mesa, una espira(antena receptora) tenía una ligera se-paración en el punto de unión de dichaespira.

Haciendo saltar chispas entre los cablesde la antena emisora, se reproducíanentre los dos extremos de la antena re-ceptora.

A partir de esta demostración, los acon-tecimientos se precipitan rápidamente.Aparecen los primeros trabajos sobreondas guiadas y se desarrolla su teoría.La posibilidad de conducir ondas en elinterior de tubos huecos (guías de onda)fue sugerida vagamente en la última dé-cada del siglo XIX y primera del XX, porfísicos tales como J.J. Thompson y LordRayleigh, siguiendo durante la décadade 1910 a 1920 ciertos trabajos experi-mentales a cargo de los profesores Zahny Schriever de la Universidad de Kiel.

Fue en la tercera década de este siglo,cuando la historia de las guías de ondacambió de signo. Durante los años 1933y 1934 se registraron varias patentes co-merciales y la teoría matemática de lapropagación de ondas guiadas adquiríasolidez con los trabajos de Schelkunoffy Southworth.

Fue también en esta década cuando co-menzaron las investigaciones y se desa-rrollaron algunos prototipos de los pri-meros osciladores y amplificadores deenergía electromagnética, tales como el

Nuevos avances en la tecnología demicroondas para la industria alimentariaD. Josep M.ª Darne Monar

magnetrón y el klystrón, éste último de-sarrollado por los hermanos Varian.

El comienzo de la segunda guerra mun-dial marcó un paso decisivo en el desa-rrollo de las técnicas de energía electro-magnética. Este desarrollo vino impulsadopor la necesidad de conseguir radarescon gran capacidad de resolución paradetectar barcos y aviones enemigos.Tanto en los EE.UU. como en Canadá yel Reino Unido, gran cantidad de físicose ingenieros trabajaron en el desarrollode circuitos, antenas, tubos osciladoresy amplificadores. Durante muchos añostodas estas investigaciones fueron ma-terial reservado. Poco después de termi-nada la guerra, todos los trabajos ante-riores se fueron publicando, siendo eltrabajo más notable el llevado a cabopor el MIT (Massachusetts Institute ofTechnology) con la publicación de los 28volúmenes de la Radiation LaboratorySeries. Particularmente interesantes sonlos volúmenes 8 y 11 donde se sientanlas bases de la teoría de circuitos y lastécnicas de medida de la energía elec-tromagnética. Fue también en el es-fuerzo de la guerra en el que se impulsóla construcción definitiva de magne-trones y klystrones en formas que di-fieren poco de los empleados actual-mente.

Hasta aquí el desarrollo de la energíaelectromagnética había marchado para-lelo al del radar. El uso industrial apa-reció como un fenómeno parásito. Conel uso de radares de alta potencia, seobservó que algunos materiales se ca-lentaban cuando incidían sobre ellos lasondas electromagnéticas. De aquí sólofaltó un pequeño paso para aprovecharesta energía para uso primario como ca-

lentamiento de materiales que se deno-minaron dieléctricos (esta aplicación eslo que hoy denominamos uso industrial).

A partir de aquí, han aparecido unagran cantidad de aplicaciones que pro-gresivamente se han introducido en laindustria y en los electrodomésticos.

La energía electromagnética utilizadapara las aplicaciones industriales formaparte de un amplio espectro de usos deestas ondas. En función de la frecuencia,estas ondas reciben distintos nombres,pero siendo todas ellas de la misma na-turaleza. Así, para las frecuencias másbajas hablamos de radiofrecuencia. Eneste rango se incluyen la radio, televi-sión, etc. A continuación hablamos demicroondas que, además de los usos in-dustriales que estamos comentando, seutilizan para la transmisión de informa-ción punto a punto. A continuaciónestán los infrarrojos, que se usan tam-bién para calentamiento y para comuni-caciones. La luz visible también es de lamisma naturaleza que las microondas, yterminamos con la gama de ultravioletay rayos X. Estos dos últimos, aun siendode la misma naturaleza que las ondas deradio y microondas, tienen la caracterís-tica particular de ser ionizantes, por loque quedan fuera de las energías no io-nizantes que estamos tratando en el usoindustrial de las microondas. Entre ellasfigura una banda denominada ISM(Industrial, Scientific and Medical) cuyasfrecuencias podemos ver en la figura 1.

Para la zona mundial donde se halla Es-paña, las más habituales son:

• 27,12 MHz.

• 2.450 MHz.


68

Principios básicos de la energíaelectromagnética

Faraday verificó que si disponemos deunas cargas eléctricas en movimiento,esta corriente eléctrica genera un campomagnético. A su vez, un campo magné-tico variable en el tiempo genera unacorriente eléctrica en un conductor si-tuado en el interior del campo.

¿Qué sucede si de alguna forma aso-ciamos un campo eléctrico y uno magné-tico variables? El resultado es una ondaelectromagnética. Una onda electromag-nética es un campo eléctrico y otro mag-nético, asociados, que se propagan porel espacio y transportan energía. Téngaseen cuenta que estos campos son vecto-riales. Podemos definir la energía electro-magnética como la energía asociada a uncampo electromagnético (figura 2).

Definimos así un nuevo concepto, el develocidad de propagación (C), que es la ve-locidad a la que se propaga la onda elec-tromagnética en el espacio. Estas tresmagnitudes, longitud de onda, frecuenciay velocidad de propagación se hallan rela-cionadas mediante la expresión siguiente:

λ · f = C

Sus características principales son:

• Por tratarse de un campo electromag-nético, no es una radiación de flujo departículas ionizadas.

Nuevos avances en la tecnología de microondas para la industria alimentaria

69

Figura 1.

Figura 2.

• No transporta materia, sólo energía.

• La energía se halla distribuida alterna-tivamente en el campo eléctrico ymagnético.

• De forma general no es ionizante.Aunque la energía electromagnéticapuede ser ionizante, esto sucede apartir de frecuencias no consideradasen estas aplicaciones (la ionizaciónaparece a partir del ultravioleta).

Así pues, vamos a hablar de esta formade energía (energía electromagnética) yde su influencia sobre los componenteselementales de la materia.

Características de la energíaelectromagnética

Principios

El estudio de la energía electromagnéticaimplica el uso de una terminología y unaserie de nuevos conceptos que vamos adesarrollar a continuación. Primero dis-tinguiremos los materiales, desde elpunto de vista de la energía electromag-nética, en dos grandes grupos, conduc-tores y dieléctricos. Seguidamente ve-remos cómo se comportan las ondaselectromagnéticas en estos materiales.

Conductores y dieléctricos

No existe una frontera clara entre mate-riales conductores y materiales dieléc-tricos. Sí que existen materiales clara-mente conductores y otros claramentedieléctricos. Sin embargo, existe un grannúmero de sustancias que, dependiendode su temperatura, frecuencia de aná-lisis, etc., pueden comportarse comoconductores o como dieléctricos.

Pongamos como ejemplo el agua delmar. Es un mal dieléctrico a frecuenciasmuy bajas (< kHz). A medida que su-bimos en frecuencia, cada vez es mejorconductor (GHz), hasta que vuelve a serun dieléctrico e incluso un buen dieléc-trico a frecuencias ópticas.

Con algunas reservas, vamos a definirun conductor como aquella sustanciaque dispone en su estructura íntima deunas cargas que denominaremos libres.Al contrario, un dieléctrico será una sus-tancia que no dispone de estas cargaslibres.

Se entiende por cargas libres, las cargasque pueden ser desplazadas por efectode un campo eléctrico.

Materiales dieléctricos

En estos materiales, todos los electroneso cargas están ligados, por lo que elúnico movimiento posible es un ligerodesplazamiento de las cargas positivas ynegativas en direcciones opuestas. Estedesplazamiento es pequeño comparadocon las distancias atómicas.

Un dieléctrico en el que se ha producidoeste desplazamiento de las cargas sedice que está polarizado y que sus mo-léculas tienen un momento dipolar in-ducido. Estos dipolos crean su propiocampo eléctrico, que se suma en cadapunto al campo generador exterior (re-cuérdese que estos campos son vecto-riales).

Algunos dieléctricos se hallan compues-tos por moléculas que poseen un mo-mento dipolar permanente. Un ejemplocomúnmente utilizado para explicar esteconcepto es el de la molécula de agua.


70

La molécula de agua esta constituida dela siguiente manera:

y es equivalente desde el punto de vistaeléctrico a:

que presenta un cierto momento dipolarpermanente. En este caso, el campoeléctrico aplicado polarizará estos di-polos permanentes orientándolos segúnla dirección del campo. A estos dieléc-tricos les llamaremos polares.

En un dieléctrico polarizado (no polar)cada molécula se comporta como un di-polo eléctrico de momento P.

Llamaremos polarización eléctrica P enun punto dado al momento dipolar porunidad de volumen y es una magnitudmacroscópica.

Podemos decir que los dieléctricos so-metidos a un campo eléctrico sufrenuna alteración de la distribución de lascargas constitutivas de sus moléculas. Aesta alteración le llamaremos polariza-ción inducida por un campo exterior ypara la mayoría de dieléctricos será fun-ción del campo eléctrico local resultanteen cada molécula. El parámetro, propiode cada dieléctrico, que caracteriza la

polarización inducida por un campo ex-terior se denomina susceptibilidad eléc-trica, la cual se relaciona con εr: permi-tividad relativa del dieléctrico.

Por lo tanto, el primer parámetro impor-tante de un dieléctrico es su permiti-vidad relativa εr que nos indicará la ca-pacidad de este dieléctrico a polarizarseal someterlo a un campo E exterior.

A partir de εr y del valor del campo Epodemos determinar la polarización in-ducida. A partir de ella, las densidadesde cargas ligadas, superficial y volumé-trica.

Consecuentemente, en el caso de camposeléctricos variables, estas densidades decarga generarán unas corrientes en el in-terior y en la superficie del dieléctrico queprovocarán, en el caso que el dieléctricotenga pérdidas, su calentamiento. A estacorriente la llamaremos corriente de des-plazamiento.

Materiales conductores

A continuación, vamos a hablar some-ramente de los conductores. Desde elpunto de vista de las aplicaciones indus-triales, los conductores tienen menos in-terés. La característica principal de unconductor es la presencia de cargas li-bres en su interior. Estas cargas libresgenerarán unas densidades de carga su-perficial y volumétrica, idénticamenteque en los dieléctricos. Un campo eléc-trico genera una diferencia de potencial.La presencia de cargas libres provocauna corriente que iguala el potencial.Por lo tanto, el campo local interno quese genera en los dieléctricos no apare-cerá en los conductores. Por esta razón,


71

no puede haber campos eléctricos en elinterior.

Así, en un conductor hablaremos dedensidades de corriente inducidas por elcampo eléctrico exterior (campo eléc-trico creado por la onda electromagné-tica). A estas corrientes las llamaremoscorrientes de conducción, distintas delas de desplazamiento que se generanen los dieléctricos.

No obstante, y tal como decíamos alprincipio, la frontera entre conductoresy dieléctricos se difumina en función dela frecuencia y del material.

Veremos esto con más detalle cuandohablemos de ondas electromagnéticas yde pérdidas en los capítulos siguientes.

Ondas electromagnéticas

Hemos dicho que una onda electromag-nética está constituida por un campoeléctrico y otro magnético, asociados,variables en el tiempo y que se pro-pagan en el espacio. También hemosvisto cómo Maxwell planteó una seriede ecuaciones que constituyen la basede la teoría electromagnética.

Estas ecuaciones son:

donde:

D: vector densidad de flujo eléctrico.

ρ: densidad de carga libre.

B: vector densidad de flujo magnético.

E: vector de campo eléctrico.

H: vector de campo magnético.

J: densidad de corriente de cargas libres.

Esta forma es la más general, y son vá-lidas tanto para dieléctricos como con-ductores y, en general, para los mate-riales que no son ni dieléctricos niconductores.

Estas ecuaciones de Maxwell resumenlas propiedades de este tipo de energíacon los conceptos siguientes:

1. El campo magnético no tiene cargasaisladas.

2. El campo eléctrico sí que está for-mado por cargas.

3 y 4. Existe una relación que nos ligalos campos eléctricos y magnéticoscon las corrientes eléctricas.

En un conductor, la densidad de co-rriente vale:

J = σ E

donde σ es la conductividad.

Por otra parte y tal como hemos dicho,sabemos que si tenemos un campomagnético variable, vamos a inducir unacorriente en un conductor.

Visto esto, vamos a describir los tér-minos que aparecen en la 4.ª ecuaciónde Maxwell.

Dicha expresión está en su forma másgeneral y vamos a mantenerla así por-que nuestro interés se dirige hacia losmateriales que no son ni buenos con-ductores ni buenos dieléctricos. En unbuen conductor, el término es nuloo despreciable, mientras que en unbuen dieléctrico lo es el término J.

∇ · Dur =ρ

∇ · Bur = 0

∇ × Eur = ∂B

ur

∂t

∇ × Huru = J

ur + ∂Dur

∂t


72

←

←

←

←

←

∂ D∂ t

← ←

←

El término recibe el nombre de co-rriente de desplazamiento y está gene-rada por una onda electromagnéticapropagándose en el material. El términoJ se denomina corriente de conduccióny está provocada por el desplazamientode las cargas libres.

Por lo tanto, para las aplicaciones de ca-lentamiento utilizando la energía elec-tromagnética, estas corrientes produ-cirán unas pérdidas en el material quese traducirán en calor. Cuanto más ele-vadas sean las corrientes y más elevadassean las pérdidas, más elevada será laaportación de calor.

Es importante destacar que las pérdidasse producen por dos razones:

• Pérdidas como mal conductor.

• Pérdidas por polarización en el dieléc-trico.

Las pérdidas

Hemos visto cómo la incidencia de unaonda electromagnética sobre un mate-rial nos generará dos tipos de corrienteseléctricas: la corriente de desplaza-miento y la corriente de conducción.

Según el material sea mejor conductoro mejor dieléctrico, la importancia deuna corriente o la otra variará.

Para un buen conductor

La corriente de conducción que recorresu superficie perderá energía en formade calor. Cuanto mayores sean las pér-didas del conductor a esta corriente,mayor será el calor generado.

Las corrientes de conducción penetranmás o menos en el conductor en fun-

ción de sus características y de la fre-cuencia de la onda. Se define la profun-didad de penetración que correspondeal punto donde la energía de la super-ficie ha disminuido al 36% de su valorinicial aproximadamente.

Para un buen dieléctrico

Evaluamos las pérdidas a través de unfactor que denominaremos "número deonda", k. Este factor nos permite carac-terizar la propagación de una onda enun dieléctrico y nos indica en cuánto seatenúa la onda. Esta atenuación, me-dida a través de la corriente de despla-zamiento, nos dará el valor de la energíadisipada en el dieléctrico y, por lo tanto,del calor generado.

Conclusión sobre materiales ypérdidas

Para resumir el problema del calenta-miento a partir de la energía electro-magnética, podemos decir:

1. El calentamiento de una sustancia sedebe al efecto sobre ella de las co-rrientes de desplazamiento y/o con-ducción.

2. Vamos a caracterizar los materialesdieléctricos mediante dos parámetrosllamados ε' y ε", los cuales nos per-mitirán evaluar las pérdidas. En elcaso de los conductores utilizaremosel parámetro σ.

3. Estos parámetros anteriores varíancon la frecuencia y, por lo tanto (y entérminos generales), un material seráconductor o dieléctrico según la fre-cuencia.


73

←

∂ D∂ t

4. El mecanismo de las pérdidas es dis-tinto según estemos considerando undieléctrico o un conductor. Cuandonos acercamos a la frontera entre losdos, el análisis es mucho más compli-cado y las aproximaciones vistas paramateriales conductores o dieléctricosno son válidas.

Gráficamente podemos representar losmateriales sobre una línea, con los con-ductores en un extremo y los dieléctricosen el otro. La zona de interés es esta re-gión central, donde las pérdidas sonmuy elevadas. Podemos representar unaonda que se disipa en un dieléctrico:

Y de forma análoga, la pérdida sobre unconductor:

La densidad de energía

Uno de los factores fundamentales en elmomento de caracterizar la energíaelectromagnética aplicada a un proceso

industrial es su densidad. Hemos vistocómo somos capaces de convertir laenergía electromagnética en calor en elinterior de la materia. La “velocidad” deconversión vendrá determinada por ladensidad de energía disponible. La ex-presión simplificada de la densidad deenergía obtenida, que se medirá enW/cm3, vale:

P = K · εr · tan δ · f ·E2

con:

K: constante (0,556.10-12).

εr: permitividad relativa del material.

tan δ: factor de pérdidas.

f: frecuencia (Hz).

E: campo eléctrico (V/m).

Si analizamos esta expresión, vemoscómo el calor generado en el materialdepende básicamente de dos términos:

• εr tan δ.

• E.

El primero es función del material. En al-gunos procesos podremos alterar estevalor mediante la adición de aditivospara obtener unas “pérdidas” suficientespara que el rendimiento del proceso seaadecuado. Es decir, podemos intentarcambiar las características dieléctricas delmaterial para hacerlo más adecuado alcalentamiento por energía electromag-nética. No obstante, esta posibilidad nosiempre se puede asumir.

En la tabla de la página siguiente apa-recen dichos valores para distintos ma-teriales.

El campo eléctrico E es función de la po-tencia de la energía electromagnética,mediante la siguiente relación:


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siendo η la impedancia de la onda.Evidentemente, este parámetro depen-derá de la potencia suministrada por elgenerador.

Dado el interés de disponer de camposeléctricos elevados para aumentar elcalor desarrollado en el producto, espe-cialmente en los casos de materiales debajas pérdidas (εr tan δ pequeños), hanaparecido sistemas especialmente dise-ñados para aumentar el valor del campoeléctrico. Este principio nos lleva haciaun nuevo concepto, el de los aplicadoresde energía electromagnética.

Aplicadores de energíaelectromagnéticaSe define como aplicador de energíaelectromagnética al sistema que se di-seña para hacer incidir la energía elec-tromagnética sobre el material que sedesea tratar.

La energía electromagnética puede sertransportada de un lugar a otro me-diante una línea de transmisión.

Líneas de transmisión

Cuando confinamos la energía electro-magnética en el interior de un recinto

formado por paredes metálicas, ob-tengo un sistema de guía de ondas. Asu vez, este sistema de guiado consti-tuye el método más sencillo para aplicarla energía electromagnética a un mate-rial, simplemente introduciéndolo en elinterior de la guía. A su vez, las dimen-siones de la guía en función de la fre-cuencia, originan que el campo eléctrico(o el magnético) se distribuya de formasdistintas, dando origen a los modos.Dado que el calor disipado en el mate-rial depende de la distribución de las lí-neas de campo eléctrico o magnético, elconocimiento de estos campos nos per-mite conocer la distribución de tempe-ratura en el material a tratar.

Para ilustrar mejor lo dicho anterior-mente, vamos a dibujar la forma de laslíneas de campo para el modo TE20. Eneste caso, en el sentido del eje X habrádos variaciones de semiperiodo.

Como se observa en el dibujo, los dis-tintos modos se generan por distintascondiciones de contorno del recinto queconduce o encierra la onda electromag-nética y evidentemente por distintasformas de introducir la onda electromag-nética en el recinto o conducto (guía).

Distribución de la energía en laslíneas

Hasta ahora hemos visto cómo será ladistribución de la energía en la secciónde la línea de transmisión (guía) y, porlo tanto, cómo será lo que denomina-


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Material σ ε'r f para

σ +ωε''=ωε'

Cobre (Cu) 5,8 10-7 –– ópticaPlatino (Pt) 0,94 10-7 –– ópticaGerminaio (Ge) 2,2 16 2,5 109

Agua salada 4 81 8,9 108

Agua dulce 10-3 81 2,2 105

Silicio (Si) 10-3 12 1,5 105

Tierra húmeda 10-3 10 1,8 106

Tierra seca 10-5 5 3,6 106

P = E2

η

remos mapa térmico. Naturalmente es-tamos considerando una primera apro-ximación de esta distribución térmica yno tenemos en cuenta los efectos depropagación de calor dentro del cuerpo.Si consideramos la densidad de energíaa lo largo de la línea, podemos represen-tarla de la siguiente forma:

Cavidades resonantes

Una cavidad resonante es un recintometálico cerrado, con unas dimensionesapropiadas de acuerdo a la frecuencia,de forma que la energía electromagné-tica queda atrapada en su interior.

La forma más elemental de cavidad re-sonante consiste en cortar y cerrar unaguía de ondas, con una longitud igual ala mitad de la longitud de onda. Por lotanto, dependiendo del tipo de guía ydel modo que esté propagando, obten-dremos una distribución dentro de la ca-vidad. Nótese que dado que estamoshablando de ondas que se propagan, alcerrar la guía provocaremos una refle-xión de la energía. Si cerramos los doslados (no nos preocupamos por ahorade la forma en cómo inyectamos laonda habiendo cerrado la guía) obten-dremos una onda estacionaria. Si consi-

deramos un caso ideal sin pérdidas,dicha onda quedará confinada en el in-terior de la cavidad.Podemos ver esto esquemáticamentesuponiendo una onda estacionaria en-cerrada en una cavidad de dimensióncuatro veces la básica. La onda formarácuatro crestas y cinco valles. El ejemplo

mecánico que puede ilustrar este fenó-meno sería el de una cuerda atada deun extremo y que hacemos oscilar desdeel otro. Cuando alcanzamos la fre-cuencia de oscilación apropiada deacuerdo a la longitud de la cuerda, lle-gamos a obtener una onda estacionaria.Una onda estacionaria es una onda queparece que no se desplace, es decir quelos picos y los valles están siempre en elmismo lugar.

Naturalmente, también podemos usar lacavidad resonante como aplicador de laenergía electromagnética. No obstante,


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hay un problema asociado a los aplica-dores definidos hasta ahora, el tamaño.Hemos dicho que las guías o cavidadestienen un tamaño determinado paracada frecuencia. Si el producto que que-remos tratar tiene un tamaño mayor nopodríamos introducirlo dentro de la ca-vidad. Para resolver esto se utilizan lascavidades o las guías sobredimensio-nadas. A estos sistemas se les denominamultimodo, por su capacidad de pro-pagar varios modos al mismo tiempo.

Distribución de energía en lascavidades

Por otro lado, cuando consideramos elcaso de cavidades resonantes, la energíaqueda atrapada dentro de la cavidad,por lo que la distribución de energía esde la forma:

Guías y cavidades multimodo

Por el principio de generación de losmodos, cuanto mayor sea una guía o ca-vidad, mayor será el número de modosque podrá propagar. Consecuentemen-te, la energía electromagnética, en estossistemas multimodo, se distribuirá segúnel número de modos y de la forma delas líneas de cada modo.

Esto nos lleva a un punto interesante. Sipor razones de tamaño del producto nopodemos usar sistemas monomodo, alutilizar un sistema multimodo tenemosdistribuciones de energía electromagné-

tica más o menos erráticas según el nú-mero de modos generados. No obstante,este mismo fenómeno nos favorecedesde el punto de vista de uniformidadde la energía. Dado que cada modolleva a un mapa térmico distinto, la com-binación de varios modos nos permitecompensar dichos mapas. Así, donde unmodo tiene un mínimo de energía, otromodo tiene un máximo, y en conjunto,la resultante tiende a compensarse.

Avances tecnológicos

Las aplicaciones industriales de la ener-gía electromagnética son tan variadascomo la imaginación del hombre escapaz de generar. Obviamente, sería im-posible citar todas las posibles aplica-ciones de la energía electromagnética.Sairem Ibérica ha sistematizado sus pro-cesos de diseño basándose en dos prin-cipios básicos:

• Disponibilidad de herramientas parasimulación.

• Diseños optimizados.

Actualmente, Sairem Ibérica ha iniciadoun programa de investigación y desa-rrollo destinado a analizar y promoverlos sistemas electromagnéticos medianteun innovador punto de vista basado enlas modelizaciones y simulaciones asis-tidas por ordenador.

Este punto de vista que nos permite pre-decir los resultados, optimizar los sis-temas antes de fabricarlos y simularnuevos sistemas para nuevas aplica-ciones o con nuevos productos, noslleva a presentar una serie de procesosmejorados o innovadores.


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Herramientas para simulación

El software de simulación permite cal-cular los efectos de las ondas electromag-néticas sobre los materiales. Esta herra-mienta aporta las siguientes ventajas:

1. Predecir los resultados, optimizar lossistemas antes de fabricarlos y opti-mizar los equipos estándares.

2. Desarrollar y simular nuevos sistemaspara nuevas aplicaciones o con nue-vos productos.

3. Visualizar el comportamiento de laenergía electromagnética en estosproductos.

4. Conocer el rendimiento del sistemasin necesidad de pasar por un largo ytedioso camino de ensayos.

Vamos a desarrollar a continuación al-gunos ejemplos o casos de los aspectosde esta técnica.

Mejora y optimización de losequipos estándar

En general, para la industria se necesitansistemas de microondas para calentarproductos en continuo. Si consideramosque el espacio ocupado es siempre muy

importante, debemos desarrollar hornosque ocupen un espacio mínimo. A me-nudo se requiere utilizar codos en lasguías de onda que transportan laenergía electromagnética.

Cada discontinuidad en el sistema depropagación de la onda electromagné-tica implica pérdidas y afecta al rendi-miento global del sistema. Una simula-ción por ordenador permite optimizar ladiscontinuidad para limitar la perturba-ción y aumentar el rendimiento globalde la máquina, como podemos ver en lafigura siguiente, en la que se representaun sistema adaptado (superior) y un sis-tema sin optimización (inferior), dondese pierde más del 25% de la energía.

Otro aspecto muy importante de un sis-tema de simulación electromagnética esla posibilidad de desarrollar nuevos pro-totipos, ajustarlos y verificarlos previa-mente a la fabricación.

Esta técnica se combina con la medi-ción de las características de los pro-ductos, las cuales, una vez introducidasdentro del calculador, nos permiten vi-sualizar los resultados de la energía


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Propagación de la energía microondas en un codo

electromagnética sobre el producto encuestión.

Presentamos a continuación otro ejem-plo del uso de esta técnica de simula-ción para el diseño de un proceso detratamiento de materiales cerámicos enalta temperatura.

En función de las características dieléc-tricas del producto que vamos a ponerdentro de un sistema electromagnético,podemos saber antes de hacer las prue-

bas cómo se comportará la onda en elproducto. Esto permite definir la posi-ción óptima del producto para favorecerel calentamiento o la homogeneidad decalentamiento en el producto y adap-tarse a cada caso con la máquina apro-piada.

En el caso ejemplo, vemos parte del di-seño de un equipo para el calenta-miento de materiales cerámicos hastatemperaturas superiores a los 600 °C.


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DESARROLLAR NUEVOS SISTEMASSistema de medida de las características dieléctricas de los alimentos

CONOCER, VISUALIZAR Y PREDECIRLOS RESULTADOS PARA CADA PRODUCTO

Sistema de calentamientode materiales cerámicos

Diseños optimizados. Nuevasaplicaciones y resultados

Toda esta metodología de trabajo queSairem Ibérica está presentando nos per-mite abordar procesos y diseños quehasta hoy habían quedado sin solución ocon soluciones parcialmente satisfactorias.Así, hoy se están desarrollando equipospara la descongelación de productos quehabían encontrado serias dificultadeshasta la fecha. También se aborda la coc-ción en condiciones favorables a los pro-ductos, menos agresivas y más eficaces.

También se proponen soluciones inno-vadoras destinadas a la pasteurización yesterilización en condiciones mínima-mente agresivas.

Descongelación de ciertos productos

Así podemos resumir los nuevos diseñosen descongelación con los principios si-guientes:

• Rapidez de proceso.

• Ganancia de peso.

• Poca manipulación.

• Ahorro en superficie ocupada y enenergía.

Para obtener estos objetivos, no sólo endescongelación sino en el procesado dealimentos, las técnicas descritas nos hanpermitido el desarrollo de un nuevo con-cepto que denominamos “sphericalwaves”. Este concepto está formado porla capacidad de optimizar los aplicadoresy encontrar formas de procesado me-diante las técnicas que engloban las me-joras descritas antes. Es decir, se trata deuna técnica de diseño de procesos quenos conducen hacia una mejora del resul-tado del procesado de alimentos (u otros

materiales). Este nuevo diseño nos llevahacia conceptos más generales, de formaque la antigua necesidad de equipos es-pecíficos para procesos distintos ha sidocasi eliminada para pasar a sistemas másgenerales de uso indistinto. Esta nuevageneración de equipos proporciona unafranca mejora para el usuario, al simpli-ficar su funcionamiento y generalizar suaplicación. Así resumimos la tecnologíaque denominamos “spherical waves”:

• Está basada en un nuevo diseño delaplicador con el que se obtienen me-jores resultados de penetración y uni-formidad.

• Facilita la “generalización” de los pro-cesos mediante una menor “selectivi-dad” en función del producto.

• Mayor rapidez en el proceso.

Consideremos el siguiente ejemplo, en elcual se pretende descongelar un pescado.

La simulación del sistema permite darsecuenta de la repartición de la energíadentro de la modelización de este pez.Vemos cómo la energía se concentramás cerca de la cabeza, por lo que de-beremos modificar el equipo para con-seguir descongelar de manera homo-génea mediante la modificación delaplicador, de forma que consigamosmejorar esta distribución de la energía.

Esta optimización nos puede llevar a ob-tener unos resultados sustancialmentemejores a los obtenidos hasta ahora.


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DESCONGELACIÓN DECIERTOS PRODUCTOS

Spherical WavesTM

Una vez modelizado y ajustado el pro-ceso, pasamos al diseño del equipo y alestudio de resultados.

Considerando lo expuesto, presentamosel estudio, en un caso de descongela-ción, de las ventajas de la tecnología“spherical waves” frente a las tecnologíasmás habituales hoy en día, que son lasmicroondas y la radiofrecuencia.

De forma rigurosa, esta comparación noes del todo posible, puesto que el con-cepto de los equipos que denominamosde microondas y de radiofrecuenciaestán en un escalón inferior a lo que de-nominamos “spherical waves”, que enrealidad es un proceso.

No obstante, podemos comparar los re-sultados parcialmente. Así, desde elpunto de vista energético, el consumode energía para la descongelación de-pende del producto (entalpía). Losequipos con tecnología “sphericalwaves” frente a los tradicionales que de-nominamos de microondas y radiofre-cuencia, pueden mejorar el rendimientode conversión de la energía electromag-nética en calor sobre el producto y,sobre todo, los resultados de unifor-midad, con independencia del tipo deproducto y velocidad de proceso. Por lotanto, podemos comparar resultados fi-nales aun no siendo estrictamente com-parables un proceso y un equipo.

Para el estudio del proceso de descon-gelación, partimos de los datos físicosde la entalpía asociada al proceso.

Las curvas dibujadas representan la po-tencia necesaria (en W/h) para descon-gelar diferentes productos desde –20 °Chasta la temperatura deseada. La en-talpía nos muestra la no linealidad de la

energía necesaria con relación a la tem-peratura, lo que provoca la heteroge-neidad térmica de un bloque hetero-géneo: varios componentes distintosjuntos en el bloque (carne, grasa, hielo,sangre, etc.).

También observamos cómo existe unpunto (sobre los –5 °C) a partir del cualel comportamiento de los diferentesproductos difiere drásticamente. De estehecho se distinguen dos procesos quedenominamos atemperado (llegar hasta–5 °C) y descongelar (hasta 0 °C).

Estos dos procesos son distintos encuanto a su duración, de forma que elprimero se realiza en unos 5 minutosmientras que el segundo en unos 90 mi-nutos. Es decir, el atemperado es unproceso rápido porque desde el puntode vista energético, todos los productosson parecidos. Cuando pasamos estepunto, los productos se separan y en elcaso del procesado de productos mez-clados (habitual al coexistir, carne, grasa,sangre, agua, etc., en un mismo bloquecongelado), la temperatura que alcanzacada subproducto para la misma energíaes distinta, y es en función de la entalpíade cada uno. Por tanto, tradicional-mente, esto dos procesos se han reali-zado con equipos distintos y procesosconsiderados distintos. Así el atempe-rado se realiza con equipos de micro-ondas, llegando hasta –4/–3 °C antes deempezar a tener problemas de unifor-midad de temperatura. El proceso dedescongelado se realiza con radiofre-cuencia, llegándose hasta –1 °C o in-cluso más cerca de 0 °C.

Cada una de estas dos técnicas (MO oRF) tiene sus ventajas e inconvenientes.


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De forma general podemos decir que lasMO son más rápidas y más indepen-dientes en cuanto a la forma y tipo deproducto que la RF. La RF es más uni-forme pero más lenta y más depen-diente de la forma y tipo de producto.

Para determinar el consumo del equipo,el dato básico es la entalpía y para elloes fundamental determinar la tempera-tura final del producto. Vamos a realizarun caso ejemplo para acotar los datos.Supongamos que queremos atemperarcarne de cerdo magra, con una produc-ción de 2.000 kg/h y una temperaturafinal de –4 °C.

Vamos a establecer una pequeña tablade temperaturas y sus consumos a partirde la tabla de entalpía siguiente, en lacual hemos marcado los requerimientosenergéticos de distintos productos paradistintas temperaturas:

Podemos decir que con el proceso “sphe-rical waves” podemos usar un soloequipo y alcanzar temperaturas máspróximas a 0 °C.

Para determinar la potencia a instalar enlos equipos se usa la siguiente expresión:

Consideramos los rendimientos si-guientes:

• La transformación de la energía de mi-croondas en calor tiene un rendi-miento muy elevado. Podemos consi-derar un 95%.

• La transformación de energía eléctricaen energía de microondas tiene unrendimiento de aproximadamente un72%.

• Aquí habría que añadir el consumogeneral de la máquina, es decir, venti-ladores, transporte, etc. Estimamoseste valor en 5 kW.

Así construimos las siguientes tablascomparativas para una producción de1.800 kg/h de cerdo magro.

Para las dos técnicas clásicas:

Para el caso de “spherical waves”:


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Entalpía j/g

P (kW) =Producción (kg/h) · entalpía (J/gr)

3.600

Microondas

Temperatura –5 °C –4 °C

Entalpía J/gr 60 75

Pot. nominal kW 30 37,5

Pot. real kW 31,58 39,47

Pot. de red kW 35,09 43,86

Pot. red total kW 36,59 45,73

Radiofrecuencia

Temperatura –3 °C –2 °C –1 °C

Entalpía J/gr 100 140 225

Pot. nominal kW 50 70 112,5

Pot. real kW 52,63 73,68 118,42

Pot. de red kW 75,19 105,26 169,17

Pot. red total kW 77,69 108,76 174,80

Otros ejemplos

Además de las ventajas expuestas en elpunto anterior de la tecnología “sphe-rical waves”, vamos a presentar a conti-nuación, de forma breve, otros ejemplosde diseños avanzados en el uso de laenergía electromagnética.

Cocción o similares en condicionesespeciales

Si consideramos los procesos estrictamen-te de cocción, Sairem Ibérica propone lacocción o precocción de productos dentrodel embalaje. Esto permite mantener lascondiciones de pasteurización obtenidasdurante el proceso. Consecuentemente,la vida útil del producto se alarga.

La cocción por microondas

El proceso de precocción en embalajeconstituye de forma “natural” un pro-ceso de pasteurización. Este tipo de tec-nología permite obtener alimentos deprimera calidad y poder mantenerlos enrefrigeración (+4 ºC) durante varias se-manas sin que el producto pierda su ca-lidad. Esto nos lleva a un periodo de ca-ducidad entre 21 a 28 días mínimo.

Sin embargo, este proceso es muy depen-diente del embalaje. Se requieren emba-lajes especiales adaptados a la cocción pormicroondas y que permitan (en la mayoríade los casos) la salida del vapor generadodurante la cocción o pre-cocción.

Las ventajas frente a un sistema clásicode cocción en autoclave son:

• Menor agresividad térmica en el pro-ceso.

• Menor alteración organoléptica res-pecto al producto fresco.

• Posibilidad de tratamientos en con-tinuo (tubo) o batch (cinta).

• Menor consumo.

Así podemos observar, a partir de lastemperaturas medidas tanto en el pro-ducto como en el interior del envase(calor generado por el vapor del propioproducto), cómo la temperatura del pro-ducto crece muy rápidamente (flash mi-croondas) teniendo como consecuenciauna menor agresión térmica sobre elproducto y un efecto de pasteurizaciónmayor. El vapor nos permite completarel proceso y obtener sobre el productouna mejor característica organoléptica.

Resumimos el proceso en que:


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Spherical waves

Temperatura –5 °C –4 °C –3 °C –2 °C –1 °CEntalpía J/gr 60 75 100 140 225Pot. nominal kW 30 37,5 50 70 112,5Pot. real kW 31,58 39,47 52,63 73,68 118,42Pot. de red kW 37,15 46,44 61,92 86,69 139,32Pot. red total kW 38,65 48,31 64,42 90,19 144,94

A continuación vamos a presentar uncaso ejemplo comparativo de cocción enembalaje entre el proceso de micro-ondas y el de autoclave tradicional.

Partimos de los datos de procesado si-guientes:

• Paquetes de patatas de 3 kg.

• Producción: 1 t/h.

• Operación diaria: 14 h.

• Número de días operados: 200.

• Producción anual: 2.800 t.

Los datos energéticos y de coste (a partirde un coste energético dado) que se ob-tienen de los procesos son:

• Consumo energético:

– Consumo eléctrico con autoclave:0,67 kW-h/kg.

– Consumo eléctrico con sistema demicroondas: 0,32 kW-h/kg.

• Coste energético (precio por kW-h:0,08 €):

– Autoclave: 0,67 x 0,08 x 2.80.000:150.080 €.

– Microondas: 0,32 x 0,08 x 2.800.000:71.680 €.

Mostramos a continuación una instala-ción de ejemplo:

Como se ha indicado previamente, eltipo de envase es muy importante paraeste proceso.

Existen tres sistemas de embalaje pararealizar este proceso:

• Embalaje sin modificar. Esto significaque no se establece ningún métodoque permita la salida del vapor gene-rado. Esto sólo es válido para pe-queñas cantidades de producto (nor-malmente, máximo 1 kg) y el embalajedebe resistir la presión generada.

• La segunda opción consiste en instalaren el embalaje una válvula que per-mita la desgasificación. Se trata de undiseño de válvula que a partir de uncierto valor de presión de vapor seabre y antes de que la presión del in-terior del paquete sea igual a la at-mosférica, vuelve a cerrarse. Esto im-pide la entrada de aire externo en elinterior del paquete.

• Con esta técnica se obtienen resul-tados de muy buena calidad en el casode platos semi-elaborados, donde se


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Manzanas en rebanadasManzanas en pedazosManzanas enterasZanahorias cortadasPatatas cortadas

Instalación de 380 kW de microondas.

han mezclado productos distintos enel interior del paquete.

• El tercer tipo de embalaje consiste enpracticar unos canales de salida devapor calibrados, de forma que se co-noce y controla la presión de vapor enel interior del paquete y el caudal desalida del vapor. Una vez terminado elproceso de cocción, se cierra me-diante un sellado térmico el canal,antes de que haya reentrada de aireen el paquete. El resultado es similaral anterior, con un menor coste en elembalaje pero mayor complejidad enla instalación.

Sistema de secado en vacío

Se trata de un sistema de secado en vacíoa baja temperatura. Tiene una capacidadde evaporación de unos 100 kg/h deagua a una temperatura de unos 40 °C.

Esterilización

Presentamos a continuación un caso deesterilización de productos líquidos (o engeneral bombeables). Se trata de unproceso batch, en el cual el líquido se in-troduce en un depósito, se bombea através del sistema de microondas y sedevuelve al depósito. Este proceso sepuede mantener hasta la obtención delresultado deseado. Si el producto ad-mite temperaturas más altas, el mismoproceso puede realizarse en circuitoabierto, es decir, el producto sólo pasauna vez por el sistema de microondas yse entrega en un segundo depósito (deproducto estéril).

También se puede realizar la instalaciónpara el caso de un solo paso del pro-ducto por el sistema de microondas. Eneste caso se ha aumentado el factor decalidad del aplicador, para obtener uncalentamiento más rápido y a mayortemperatura (mayor presión de tra-bajo).


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kw

kw


86

Proceso UHEMP®

El proceso UHEMP (Ultra High Electro-Magnetic Pulse), que se halla actual-mente en fase de desarrollo por SairemIbérica, es un nuevo concepto dentro delos procesos de esterilización. En estesentido se trata de un proceso que hayque englobar en las denominadas tec-nologías frías de esterilización.

El proceso consiste en aplicar pulsoselectromagnéticos sobre el productoque se desea esterilizar. Sus caracterís-ticas principales son:

• Se trata de un proceso de esteriliza-ción fría.

• Basado en pulsos electromagnéticos(no ionizantes).

• Muy bajo consumo energético.

• Posibilidad de proceso en continuo odiscontinuo.

• Preservación de las características or-ganolépticas del producto fresco.

• Posibilidad de tratamiento de una am-plia gama de productos.

Seguridad

Existen dos tipos de normas aplicables:

Compatibilidad electromagnética

Hacen referencia a la interferencia y laconvivencia entre sistemas distintosdentro del espectro electromagnético.

Seguridad del personal

Son el conjunto de normas internacio-nales que indican las condiciones de ex-posición humana a la energía electromag-nética. Estas normas se complementanmediante recomendaciones.

Vamos a centrarnos en el aspecto de se-guridad del personal. En este sentidoqueremos destacar que todas las normasexistentes (europeas, americanas, paísesdel Este...) hacen referencia a la peligro-sidad de la energía electromagnética enreferencia al incremento de temperaturacausado sobre el organismo.

En general se tiende a menospreciareste efecto térmico, el cual es extrema-damente peligroso. Téngase en cuentaque una instalación industrial puede dis-poner fácilmente de 100 kW de micro-ondas. Esta potencia sobre un orga-nismo humano de 75 kg provocará unincremento de temperatura superior a2,5 °C por segundo. Esto significa queen unos 2 segundos, la temperatura al-canzada en el cuerpo es mortal.

Cuando calculamos el efecto sobre el or-ganismo necesitamos incorporar el con-cepto de la masa corporal para poderdeterminar el efecto térmico. De estaforma se habla no de la potencia abso-luta, sino de la densidad de potencia(vatios por kg) que se identifica comoSAR. En la tabla adjunta se detallan losvalores límite para distintas frecuencias,publicadas por el Consejo de la CE y re-cogidas por el Instituto Nacional deHigiene y Seguridad en el Trabajo.

Hay que destacar que las normas recogendiferencias en distintas partes del cuerpopara el caso en que el efecto térmicopueda ser localizado. Esto es por dos ra-zones:

1. La circulación de la sangre realiza deforma natural una función de regula-ción térmica (tanto para reducir comopara aumentar la temperatura delcuerpo). Según qué partes del cuerpo


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sean, disponen de un mayor o menorriego sanguíneo que permite evacuarmejor o no el calor.

2. La existencia o no de órganos vitalesen las distintas partes del cuerpo.

Las normas también fijan aquellos va-lores que, aun no siendo límites, re-

quieren una intervención para redu-cirlos. En la tabla siguiente se muestrandichos valores.

Por último, queremos indicar que dichasnormas (y en general todas las normas)son redactadas por organismos técnicosy por cuenta de la Comunidad Europea.

En el caso de las normas que afectan a laenergía electromagnética son redactadaspor el ICNIRP (International Commissionon Non-Ionizing Radiation Protection).Este organismo emite sus propios crite-

rios de recomendaciones de seguridadque detallamos a continuación y quetambién están recogidos por el InstitutoNacional de Seguridad e Higiene en elTrabajo.

Directiva 2004/40/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, de 29 de abril. Valoreslímite de exposición. Han de cumplirse todas las condiciones.

Gama de Densidad de SAR medio SAR localizado SAR localizado Densidadfrecuencias corriente para de cuerpo entero (cabeza y tronco) (extremidades) de potencia S

cabeza y tronco, J (W/kg) (W/kg) (W/kg) (W/m2)(mA/m2)

Hasta 1 Hz 40 – – – –1-4 Hz 40/f – – – –4-1.000 Hz 10 – – – –1 kHz-100 kHz f/100 – – – –100 kHz-10 MHz f/100 0,4 10 20 –10 MHz-10 GHz – 0,4 10 20 –10 GHz-300 GHz – – – – 50

Directiva 2004/40/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, de 29 de abril. Valoresque dan lugar a una acción (valores rms imperturbados).

Gama de Intensidad Intensidad Inducción Densidad Corriente Corrientefrecuencias de campo de campo magnética, B de potencia de contacto, inducida

eléctrico, E magnético, H (É T) de onda plana IC (mA) en las(V/m) (A/m) equivalente, extremidades,

Seq (W/m2) IL (mA)0-1 Hz – 1,63x10exp5 2x10exp5 – 1,0 –1-8 Hz 20.000 1,63x10exp5/fexp2 2x10exp5/fexp2 – 1,0 –8-25 Hz 20.000 2·10exp4/f 2,5x10exp4/f – 1,0 –0,025-0,82 kHz 500/f 20/f 25/f – 1,0 –0,82-2,5 kHz 610 24,4 30,7 – 1,0 –2,5-65 kHz 610 24,4 30,7 – 0,4 f –65-100 kHz 610 1.600/f 2.000/f – 0,4 f –0,1-1 MHz 610 1,6/f 2/f – 40 –1-10 MHz 610/f 1,6/f 2/f – 40 –10-110 MHz 61 0,16 0,2 10 40 100110-400 MHz 61 0,16 0,2 10 – –400-2.000 MHz 3f1/2 0,008fexp1/2 0,01fexp1/2 f/40 – –2-300 GHz 137 0,36 0,45 50 – –


88

Bibliografía recomendada

Parte teóricaCollin RE. Foundations for Microwave Engi-neering. ISBN 0-07-Y85125-5.

Edward C. Jordan, Keith G.Ondas electro-magnéticas y sistemas radiantes. Balmain.ISBN 84-283-0967-1.

Paul Lorrain y Dale R. Campos y Ondas Electro-magnéticos. Corson. ISBN 84-85021-29-0.

Simon Ramo, John R. Campos y Ondas.Whinnery, Theodore Van Duzer. ISBN84-368-0006-0.

Parte prácticaSairem Ibérica.

Tipo de Gama de Densidad de SAR medio SAR localizado SAR localizado Densidadexposición frecuencias corriente para de cuerpo (cabeza y (extremidades) de potencia

cabeza y tronco, entero (W/kg) tronco) (W/kg) (W/kg) S (W/m2)J (mA/m2) (rms)

Hasta 1 Hz 40 – – – –1-4 Hz 40/f – – – –4-1.000 Hz 10 – – – –1 kHz-100 kHz f/100 – – – –100 kHz-10 MHz f/100 0,4 10 20 –10 MHz-10 GHz – 0,4 10 20 50 (entre 10

y 300 GHz)

Hasta 1 Hz 8 – – – –1-4 Hz 8/f – – – –4-1.000 Hz 2 – – – –1 kHz-100 kHz f/500 – – – –100 kHz-10 MHz f/500 0,08 2 2 –10 MHz-10 GHz – 0,08 2 2 10 (entre 10

y 300 GHz)Expo

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ResumenEl aumento de competitividad y la expan-sión del sector agroalimentario europeorequieren el desarrollo continuo de sis-temas eficaces de control de procesos. Lamejora de los sistemas de control dependede la disponibilidad de sensores capacesde evaluar las modificaciones físico-quí-micas que ocurren durante el procesadode los alimentos. Una generación desensores emergente capitaliza la escasacapacidad de penetración de la luz enlos alimentos, la disponibilidad de espec-trómetros miniatura, la robustez de losnuevos sistemas de adquisición de datosy el empleo de fibras ópticas y de micro-componentes electrónicos. Las caracte-rísticas de los sensores de fibra óptica–no destructivos, de fácil instalación ymantenimiento– los convierten en unaherramienta de control ideal. Durantelos últimos años se han desarrollado va-rios sensores ópticos para el control deprocesos en la industria alimentaria. Lossensores de dispersión NIR estiman lostiempos de gelificación y de corte en laelaboración de queso y permiten moni-torizar la humedad de la cuajada encuba. Los sensores de extinción evalúanla atenuación de la luz en el producto.Los sensores de transición inteligentesdetectan el tránsito de un fluido a otroa través de las conducciones y los sen-sores de control de efluentes alertan

ante el aumento de la concentración desólidos en los vertidos. Sin duda, la in-vestigación en este campo contribuirá amejorar la homogeneidad y la calidad delos alimentos, aumentando a la vez laeficacia del procesado y el beneficio em-presarial.

Introducción

Seguridad y calidad son dos conceptosinseparables del procesado de ali-mentos. La sociedad actual reclama pro-ductos de gran calidad a precios máscompetitivos que, además, cumplan conuna regulación alimentaria cada vez másexigente. Para mantener la calidad y laseguridad de los alimentos no sólo esnecesario garantizar su salubridad sinotambién controlar su procesado a lolargo de toda la cadena de producción.Las industrias del sector agroalimentariose ven obligadas a mejorar la eficienciade la producción para reducir el vertido,el ciclo de producción y los costes –au-mento de rendimiento, ahorro de mate-rias primas y energía…–, garantizandola calidad y la seguridad higiénica delproducto final. La mayoría de los con-ceptos relativos a la seguridad alimen-taria se han desarrollado durante las úl-timas dos décadas (normas de correctafabricación, análisis de riesgos y controlde puntos críticos, normas de asegura-

Incorporación de sensores ópticos alprocesado de alimentosDr. Manuel Castillo Zambudio

miento de la calidad, calidad total, ho-mologación de la calidad, trazabilidad yautentificación), y todos ellos demandanmejores métodos de control. Pero la me-jora de los sistemas de control y auto-matización requiere métodos de medidaen línea que permitan monitorizar lasdistintas etapas de elaboración.

Holm (2003) define los sensores como ins-trumentos que responden a una o variaspropiedades de los alimentos y transformanla respuesta en una señal, normalmente denaturaleza eléctrica. Los sensores son he-rramientas poderosas para la medida atiempo real de los cambios físico-químicosde las materias primas, productos finales ysubproductos durante el procesado de losalimentos. Las medidas adquiridas me-diante sensores instalados en línea, en com-binación con los controladores y actuadoresadecuados, permiten la activación/desacti-vación de mecanismos automáticos, la im-plementación de sistemas de alarma y laaplicación de medidas correctoras, mejo-rando el rendimiento de los procesos indus-triales y la calidad del producto final.

Según el procesado de la señal, los sen-sores se pueden clasificar en dos grupos:sensores primarios, que determinan di-rectamente una propiedad específicacomo, p. ej., la temperatura, y sensoresanalíticos o inteligentes, que detectan va-riaciones de un parámetro en función deltiempo y mediante ecuaciones de predic-ción estiman parámetros tecnológicos decontrol −p. ej., el tiempo de corte en laelaboración de queso−. De acuerdo conKress-Roger (1993), los sensores se clasi-fican según su uso en cuatro grupos: lossensores “in-line” se instalan directa-mente en las paredes de una conducciónprincipal. Algunos sensores “in-line” se

instalan en la cara interna de la conduc-ción y entran en contacto con el ali-mento, mientras que otros se instalansobre la pared externa, bien directa-mente, o a través de una ventana, cuyomaterial depende del tipo de sensor. Lossensores “on-line”, al igual que los ante-riores, se instalan en la pared de unaconducción que se deriva de la conduc-ción principal para alojar al sensor. Estetipo de sensores requieren, por tanto, eldesvío provisional de una alícuota del ali-mento a través de un by-pass, que per-mite el retorno de la muestra al caudalprincipal tras la medida, o bien la extrac-ción completa de la muestra a través deuna línea de sangrado. Finalmente, lasmedidas “at-line” y “off-line” se realizanmediante instrumentos de laboratorio lo-calizados en el área de producción (me-dida “at-line”) o en un laboratorio quí-mico (medida “off-line”). Una “AcciónConcertada Europea” (ASTEQ, Artificialsensing techniques for the evaluation ofquality) clasifica los sensores según la na-turaleza de la señal en los siguientesgrupos: a) biosensores, que emplean en-zimas o anticuerpos; b) sensores deagentes selectivos, que emplean pelí-culas de ciertos compuestos o materialescomplejos; c) de ultrasonidos; d) de va-riación de frecuencia; e) eléctricos; yf) electromagnéticos, que incluyen lossensores ópticos entre otros. Los sen-sores electromagnéticos se clasifican enfunción de la longitud de onda que uti-lizan. Así, por ejemplo, los sensores elec-tromagnéticos que emplean radiación in-frarroja se subdividen en sensores deinfrarrojo cercano (700-2.500 nm), in-frarrojo medio (2.500-30.000 nm), infra-rrojo lejano (hasta 1.000.000 nm) y de


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termografía (1-15 µm). También po-demos clasificar los sensores ópticos ensensores de absorción, transmisión y dis-persión, dependiendo del tipo de inter-acción luz/materia que se emplea en lamedida.

En la actualidad, existe un gran númerode sensores ópticos disponibles a nivelcomercial. Sensores que emplean luz vi-sible para la medida de color (coloríme-tros), sensores de infrarrojo para la de-terminación de componentes químicos,el control de calidad y la medida de tem-peratura en los alimentos, etc. Los es-fuerzos científicos y tecnológicos en estaárea se han centrado durante las últimasdécadas en el desarrollo de sensores ro-bustos, simples y baratos. Una nueva ge-neración de sensores emerge con fuerzagracias a la reducida capacidad de pene-tración de la luz en los alimentos, la dis-ponibilidad de pequeños espectrómetrosde fibra óptica, la robustez de los nuevossistemas de adquisición de datos y el em-pleo de fibras ópticas y microcompo-nentes electrónicos. A estas ventajas seune la enorme versatilidad de los sen-sores ópticos en relación con el procedi-miento de realización de la medida. Porejemplo, mientras que la determinaciónde la temperatura es directa, una deter-minación óptica se puede realizar a dife-rentes longitudes de onda y empleandoprocedimientos ópticos de diferente na-turaleza (reflectancia, fluorescencia, etc.),o configuraciones de medida diversas(absorción, dispersión a diferentes án-gulos, transmisión, etc.). La evolución delos sensores ópticos se ve, además, re-forzada con el desarrollo de avanzadosmodelos matemáticos y estadísticos“chemometrics”, y de algoritmos eficaces

que extraen y utilizan la información quí-mica contenida en las señales ópticasprocedentes de los alimentos para con-trolar y mejorar los procesos industriales.

Los sensores ópticos no sólo permiten ladeterminación cuantitativa de propie-dades físico-químicas, como la concen-tración de ciertos componentes de losalimentos, sino que en la mayoría de loscasos facilita la realización de medidasde naturaleza cualitativa que no sonproporcionales a propiedades físicas oquímicas específicas como en el caso an-terior, pero que son proporcionales a pa-rámetros de gran importancia en el con-trol de procesos. El desarrollo de unatecnología óptica de control requiere nosólo el diseño del sensor en sí, sino tam-bién establecer los algoritmos que per-mitan la estimación de los parámetrostecnológicos necesarios para la optimi-zación de la eficiencia del procesado dealimentos.

Durante la última década se han desa-rrollado varios sensores ópticos de in-terés para la industria alimentaria. Payneet al. (1993) proponen un sensor ópticode dispersión de radiación NIR que em-plea dos fibras ópticas para monitorizarla coagulación de la leche y estimar eltiempo de corte. El sensor de dispersiónNIR también permite la predicción deltiempo de coagulación de Berridge(Castillo, 2002) y el tiempo de gelifica-ción determinado mediante reometría(Castillo et al., 2006). Payne (2000) in-troduce sensores de dispersión que mo-nitorizan la concentración de sólidos enefluentes de quesería. Gillette et al.(2002) diseñan otro sensor de dispersiónque mediante el empleo de tres fibrasópticas determina la atenuación de la

Incorporación de sensores ópticos al procesado de alimentos

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luz en el interior de la leche. Basándoseen dicha tecnología, estos autores desa-rrollan un sensor que mide la concentra-ción de grasa en leche y nata. Danao yPayne (2003) desarrollan un sensor óp-tico de transmisión que detecta la inter-fase –transición– entre dos líquidos di-ferentes que fluyen a través de lossistemas de conducción. Recientemente,Castillo et al. (2004) encuentran una co-rrelación significativa entre la cinética dela coagulación medida mediante unsensor de dispersión NIR y los paráme-tros cinéticos del proceso de sinéresis.Basándose en esta interacción, dichosautores (Castillo et al., 2005b) desarro-llan un sensor de desuerado (LFV–“Large Field of View ”– sensor) que es-tima los tiempos de gelificación y decorte en la elaboración de queso, y tam-bién permite estimar la humedad de lacuajada en la cuba de cuajar. Más re-cientemente, Álvarez et al. (2009) yLamb et al. (2008) han trabajado respec-tivamente en el desarrollo de sendossensores ópticos para la estimación “in-line” de la estabilidad de las emulsionescárnicas durante el picado y del gradode desnaturalización de las proteínas sé-ricas durante el tratamiento térmico dela leche. Estas dos últimas aplicacionesse encuentran en fase inicial de desa-rrollo.

Sensor de coagulación ypredicción del tiempo de corte

La evaluación en cuba de la dureza de lacuajada y la estimación de los tiemposde coagulación y de corte son esencialespara el control de la coagulación du-rante la elaboración de queso. Las varia-

ciones de la composición de la leche yde las condiciones de coagulaciónejercen un impacto considerable en ladureza de la cuajada y, por tanto, en eltiempo de corte. La selección óptica delmismo es más importante en plantas pe-queñas y poco automatizadas en las quelas variaciones existentes, tanto en com-posición de los diferentes lotes de lechecomo en los procedimientos de coagu-lación, son más acusadas. Las factoríasde menor escala también suelen teneresquemas de producción más flexiblesque contribuyen a incrementar la varia-bilidad de la duración del proceso decoagulación. Por el contrario, las fábricasde mayor tamaño, fuertemente automa-tizadas, utilizan esquemas de producciónperfectamente programados que no per-miten modificaciones del tiempo decorte. Por este motivo, recurren general-mente a la estandarización de la lechepara su control. Pero, desafortunada-mente, siempre existe cierto riesgo deque se produzcan variaciones impre-vistas de las condiciones de procesado,e incluso errores humanos, que podríanresultar en pérdidas económicas consi-derables como consecuencia de su granescala de transformación. En estoscasos, un sensor “in-line” que monito-rice de forma objetiva la evolución de lacoagulación y de la dureza de la cuajadapodría proporcionar información atiempo real que permitiría tomar me-didas correctoras adecuadas para mini-mizar las pérdidas de grasa y finos.

Además, es bien conocido que el corteanticipado del gel supone una pérdidade rendimiento por la debilidad de la es-tructura proteica, mientras que su de-mora eleva el rendimiento pero también


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el contenido de agua de la cuajada, quedisminuye la calidad del queso al alterarel afinado. Por tanto, parece lógico asu-mir que debe existir un momento óptimopara el corte en el que las característicasdel gel determinan un máximo rendi-miento, homogeneidad y calidad (Casti-llo, 2002). Los parámetros que definiríanese punto de corte ideal no han sido aúncaracterizados desde una perspectivacientífica. La figura 1 muestra las fuentesde variación que afectan al tiempo decorte, así como las consecuencias princi-pales de su selección inadecuada. Elautor no es conocedor de ningún estu-dio riguroso que evalúe el impacto eco-nómico de la selección del tiempo decorte y que incluya todos los factores in-volucrados: coste energético de corte yagitación, rendimiento quesero, coste delos defectos del queso asociados con uncontenido inadecuado de humedad dela cuajada y, sobre todo, homogeneidady calidad del producto final.

De todo lo anterior, se desprende el in-terés de un método “in-line” para mo-nitorizar la coagulación y determinar lostiempos de coagulación y de corte. Enla industria quesera, el corte se realiza aun tiempo fijo o se delega en el juiciosubjetivo del quesero. Esta práctica hademostrado ser funcional, pero no hademostrado ser óptima. Durante las úl-timas décadas se han propuesto nume-rosos equipos para la monitorización dela coagulación y/o la estimación deltiempo de corte (gelógrafo, formógrafo,viscosímetro, reómetro, etc.). En ge-neral, estos sistemas que estudian pro-piedades reológicas son destructivos yno resultan prácticos en línea. La alter-nativa son los equipos no destructivosbasados en la medida de la conducti-vidad térmica, eléctrica y de ondas lumi-nosas, vibraciones y ultrasonidos. Lastécnicas vibracionales, térmicas y ópticasestán despertando grandes expectativas,pero la gran evolución de los sistemasde fibra óptica y de procesado automá-tico de datos está dando ventaja a losmétodos ópticos. Por el momento no seha conseguido un sistema completa-mente eficaz y adecuado para deter-minar de forma objetiva el tiempo decorte ideal, aunque algunos métodosexistentes permiten reproducir fielmenteel tiempo de corte establecido por elquesero.

El sensor óptico propuesto por Payne et al.(1993) mide la variación de intensidadde dispersión de radiación NIR (880 nm)mediante dos fibras ópticas separadas a0,7 mm de distancia. La luz procedentede un diodo de emisión de luz (LED) estransferida hasta la leche mediante unafibra óptica, mientras que la luz disper-


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Figura 1. Relación entre las propiedades del gel decaseína y la selección del tiempo de corte segúnCastillo (2006).

CONSECUENCIAS DE LA SELECCIÓN DEL TIEMPO DE CORTE

CORTEÓPTIMO

• Equilibrio óptimo: dureza-permeabilidad-desuerado-hume-

dad-rendimiento-calidad• Pérdida reducida de finos• Pérdida reducida de grasa en suero• Tendencia óptima al desuerado

DEMORA EN EL CORTE

• Permeabilidadmodificada

• Aumento de lahumedad

CORTEPREMATURO

• Cuajada blanda• Pérdida de finos• Pérdida de grasa

en suero

Reducción delrendimiento

Rendimiento ycalidad óptimos

Reducción decalidad

PROPIEDADES DEL GEL OPERACIÓN DE CORTE

• Duración• Velocidad• Rampa de velocidad• Tipo de cuchillos

SELECCIÓN DEL TIEMPO DE CORTE

• Tiempo prefijado trasadición de enzima

• Evaluación subjetivadel maestro quesero

• Microestructura• Reología

• Tendencia a lareestructuracióny al desuerado

• Endurecimiento

2008

FUENTES DE VARIACIÓN DEL TIEMPO DE CORTE

COMPOSICIÓN DE LA LECHE

• Tipo de leche• Proteína y grasa• Fosfato de calcio

coloidal• Calostro• Mastitis

FACTORES DE COAGULACIÓN

• Tipo de enzima• Enzima• Temperatura• Adicción CaCl2• pH de la leche

LECHE PRETRATAMIENTO

• Pasteurización• Refrigeración• Desnatado• Homogenización

sada por la leche es transmitida me-diante una fibra adyacente hasta un de-tector óptico (TSL 245, TAOS, Dallas, TX,USA) (figura 2).

Esta configuración óptica suministra unaseñal proporcional a los cambios queocurren en la estructura proteica de laleche durante la coagulación. La señalcontiene información sobre los cambiosfísicos, el tamaño y/o la estructura de lasmicelas de caseína durante la hidrólisisenzimática y la formación del gel. Se ob-serva que el perfil de dispersión au-menta sigmoidalmente durante las coa-gulaciones ácida, enzimática y mixta. Elaumento de señal depende del tipo deleche (p. ej., 15-21% en leche de cabray 50% en leche desnatada de vaca). Laratio de dispersión se genera dividiendoel voltaje, V, por el voltaje inicial, V0, co-rrespondiente a la media de los voltajesobtenidos durante el primer minuto trasla adición de enzima. La ratio de disper-sión comienza con un valor unidad y re-presenta el porcentaje de aumento de laseñal durante la coagulación. El perfil dedispersión muestra una fase de latencia(figura 3, I), donde las reacciones de hi-drólisis predominan sin detectarse uncambio aparente en la ratio de disper-sión. La ratio de dispersión aumenta du-rante la formación del gel debido a launión entre las micelas de caseína.

Como consecuencia, se distingue unafase sigmoidal (figura 3, II), donde las re-acciones de agregación micelar predo-minan, y una fase asintótica (figura 3, III),donde la unión entre las micelas de ca-seína continúa mientras se desarrolla lafirmeza del gel (aumento de la fuerza ynúmero de enlaces). A partir del perfilde dispersión se obtiene un parámetrode interés tecnológico, tmax (tiempodesde la adición de enzima hasta que sealcanza la velocidad máxima de incre-mento de la ratio de dispersión). El pa-rámetro tmax se correlaciona fuerte-mente con la constante de hidrólisisenzimática (Saputra, 1992), lo que per-mite al sensor óptico determinar indirec-tamente la velocidad de la reacción dehidrólisis. Cuando la temperatura, el pHo las concentraciones de calcio o de en-zima cambian, tmax varía en conso-nancia. Castillo (2002) observa que tmax

varía inversamente con la concentraciónde enzima de acuerdo con la ecuaciónde Foltmann, al igual que el tiempo decoagulación de Berridge, y que la pen-diente del perfil de dispersión a t = tmax

sigue la ecuación de Arrhenius en fun-ción de la temperatura.

Como se indica anteriormente y se ob-serva en la figura 3, el perfil de disper-sión no sólo contiene información sobrela constante de velocidad de hidrólisis,sino también sobre las constantes de ve-locidad de los procesos de formación delgel. Castillo (2002) obtiene los valores delas constantes de velocidad de las reac-ciones de agregación micelar, k2, y en-durecimiento del gel, k1, a partir delperfil de dispersión, a tres niveles de pro-teína y cinco niveles de temperatura di-ferentes. Los valores estimados para di-


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Figura 2. Origen de la señal del sensor de dispersiónen leche durante la coagulación, según Payne yCastillo (2007).

chas constantes en leche de cabra se re-cogen en la tabla 1.

Por tanto, no resulta sorprendente que elparámetro óptico tmax esté muy correla-cionado con el tiempo de corte. Payne etal. (1993) desarrollan la siguiente ecua-ción para estimar el tiempo de corte, tcut:

tcut = ß tmax Ecuación [1]

El coeficiente ß varía entre 1,15 y 2,4 enfunción del tipo de enzima y leche em-pleados, así como del tipo de productoelaborado, y se calibra en planta paraque reproduzca fielmente la selección deltiempo de corte del maestro quesero. Noobstante, la ecuación [1] sólo es ade-cuada si la concentración de proteína esconstante. Castillo (2002) observa que unaumento de proteína produce una dismi-nución significativa de ß. Este hecho per-mite el desarrollo de un algoritmo que

corrige la predicción del tiempo de corteen función del contenido proteico:

tcut = ß tmax (1 + γ % proteína) Ecuación [2]

La constante γ corrige el valor de ßsegún la concentración de proteína. Elsensor de coagulación también resultaútil para la predicción de otros paráme-tros característicos de la coagulación.Así, tmax permite la predicción del tiem-po de coagulación de Berridge (Castillo,2002) y del tiempo de gelificación de-terminado mediante reómetro (Castilloet al., 2006).

Determinación de la actividadcoagulante mediantedispersión de radiacióninfrarroja

La actividad coagulante de los “cuajos”comerciales se determina habitualmente


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Figura 3. Perfil de dispersión durante la coagulación de leche y su primera y segunda derivadas. I: fase de la-tencia; II: fase sigmoidal, y III: fase asintótica. Para explicación de los procesos químicos implicados en cadafase, ver texto. Según Payne y Castillo (2007).

mediante los métodos de referencia de laIDF (International Dairy Federation) ba-sados en el empleo del tiempo de coa-gulación de Berridge (tbc) como métodode determinación del momento de geli-ficación. Este método se basa en la ob-servación de los flóculos iniciales de ca-seína sobre la pared de vidrio de un tubode ensayo, por lo que su reproducibi-lidad y repetibilidad dependen enorme-mente del operario. Recientemente, unestudio realizado por Tabayejnehad etal. (2009) compara la actividad coagu-lante obtenida mediante el método deBerridge y un método óptico de disper-sión de radiación infrarroja. El instrumen-to, diseñado para determinación de la ac-tividad coagulante en el Departamento deBiosystems and Agricultural Engineeringde la Universidad de Kentucky, emplea lamisma tecnología óptica que el sensorde predicción del tiempo de corte ante-

riormente descrito, pero adaptado parauso específico de laboratorio (figura 4).

Este coagulómetro de laboratorio su-pone un método consistente y precisopara estudiar la cinética de las enzimascoagulantes. El instrumento está conve-nientemente equipado con dos cubetasde medida para determinación por dupli-cado y dispone de un control de tempe-ratura exhaustivo que permite la determi-nación exacta de la actividad coagulantede los cuajos, de acuerdo con los están-dares IDF e ISO. El sistema monitoriza latemperatura de la leche y los cambiosde dispersión NIR (880 nm) y de pH (op-cionalmente) en ambas cubas. De formacomplementaria, la combinación delsensor óptico de coagulación con sen-sores de temperatura y de pH permite elempleo del instrumento para la evalua-ción de nuevos cultivos lácticos, cuajos,aditivos y para el estudio de innova-ciones en el protocolo de procesado de


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Tabla 1. Estudio del efecto de la temperatura y la concentración de proteína sobrelos parámetros cinéticos de agregación micelar y endurecimiento del gel mediantedispersión de radiación NIR en leche de cabra.

R∞ ß1 (%) k1 (s–1) k2 (s–1) τ1 (s) τ2(s)Temperatura (ºC)

20 1,67a 58,6a 0,000263a 0,00237a 2942a 1905a

25 1,87b 27,6b 0,000324a 0,00810a 2306b 885b

30 2,08c 14,4c 0,000469a 0,0310a 1531c 379c

35 2,14c 9,93d 0,000888b 0,100b 857d 166d

40 2,13c 6,19d 0,00172c 0,365c 492d 77d

Proteína (%)

3 1,79e 17,3e 0,000913e 0,201e 1277e 378e

5 2,04f 25,7f 0,000706ef 0,073f 1718ef 630f

7 2,11g 27,4f 0,000580f 0,030f 1881f 1040g

†a-g Medias con los mismos superíndices no son significativamente diferentes (P < 0,05).‡ N = 3 para todos los tratamientos.Según Castillo et al. (2003).

queso y de yogur, así como para la op-timización de la eficiencia de fabricaciónde productos lácteos gelificados.

Durante la coagulación, el equipo cal-cula a tiempo real la primera y segundaderivadas del perfil de dispersión conrespecto al tiempo a fin de obtenercinco parámetros ópticos (t2max, tmax,t2min, t2max2 y t2min2) de acuerdo con lodescrito por Castillo (2002).

Los estudios realizados (Tabayejnehad etal., 2009) demuestran que todos los pa-rámetros ópticos son significativamentediferentes de tbc (tabla 2). La diferenciamás pequeña (0,33 min) se observaentre tbc y el parámetro óptico t2min. Sinembargo, como se aprecia en la tabla 3,no se observan diferencias significativas(P < 0,05) entre la actividad coagulantedeterminada mediante el tiempo decoagulación de Berridge y la obtenidamediante los parámetros ópticos (tmax yt2min), por lo que el método óptico pro-

puesto representa una alternativa obje-tiva, precisa y sencilla al método deBerridge para la determinación de la ac-tividad coagulante expresada en IMCUml-1 (de acuerdo con los métodos de re-ferencia de la IDF).

Determinación de grasamediante un sensor deextinción

El empleo de centrífugas para desna-tado y estandarización de la leche antesde su coagulación es habitual en la in-dustria láctea. Para el control de la con-centración de grasa en crema (35-45%)y leche es necesario el desarrollo de unsensor en línea económico y fiable. Elsistema MilkoScan® es un aparato demedida empleado habitualmente en laindustria, pero desafortunadamente noresulta práctico ni económico para con-trol en planta. Los sensores ópticos dispo-


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Figura 4. Esquema del instrumento de laboratorio para determinación de los cambios de dispersión NIR (880nm) durante la coagulación de la leche. Conexiones: R1 = sensor de dispersión NIR de la cuba 1; R2 = sensorde dispersión NIR de la cuba 2; T1 = sensor de temperatura de la cuba 1; T2 = sensor de temperatura de lacuba 2; Tw = sensor de temperatura del agua circulante. Según Tabayejnehad, et al. (2009).

Motor 3 rpm

Tubo deensayo

Baño termostático Cubas decoagulación

Caja deadquisición

de datosOrdenador

30º32 ºC

nibles se saturan a concentraciones degrasa superiores al 6-15%. El sensor deextinción propuesto por Payne et al.(2002) para esta aplicación no se saturahasta concentraciones superiores al 50%y tiene un coeficiente de variación del 2%en leche homogeneizada (determina-

ciones realizadas a 25 ºC). El sensor de ex-tinción (figura 5) utiliza tres fibras ópticas,una que conduce la luz hasta la leche yotras dos fibras usadas para medir las in-tensidades, I1 e I2, a las distancias radiales,r1 y r2, separadas entre sí 1 mm. El co-ciente de intensidades I1/I2 es proporcionalal contenido de grasa en leche entre 15 y50%. El sensor de extinción consta de undiodo de emisión de luz (LED) que emitea 470 nm, dos detectores (TAOS 257,TAOS Inc., Plano, TX, USA), tres fibras óp-ticas (Spectran Specialty Optics Company,Avon, CN, USA), y un circuito integradode 7,5 cm de diámetro, todo ello alojadoen el interior de un cuerpo de acero inoxi-dable. Los amplificadores analógicos(AD521JD) y una unidad computacionalanalógica (ACU; AD538BD), para obtenera tiempo real el cociente de intensidades,se encuentran instalados en el circuito in-tegrado. Este divisor de señal proporcionaun voltaje que es proporcional al cocientede intensidades.

La dispersión de radiación luminosa esel fenómeno óptico dominante a altasconcentraciones de grasa. En este caso


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Tabla 2. Test “t de Student” para la diferencia entre la media del tiempo decoagulación de Berridge (tbc) y los parámetros ópticos (t2max, tmax, t2min, t2max2 yt2min2)a.

H0 N Media (min) SD (min) t Ptbc-t2max 29 2,33 0,07 147 < 0,0001tbc-tmax 29 1,32 0,07 80 < 0,0001tbc-t2min 29 0,33 0,09 21 < 0,0001tbc-t2max2 29 –1,37 0,10 –71 < 0,0001tbc-t2min2 29 –4,09 0,37 –57 < 0,0001

aH0, hipótesis nula; N: número de observaciones; Media: media de las diferencias; SD: desviaciónestándar de la diferencia; t: estadístico t de Student; P: probabilidad de que el estadístico t de Studentexceda su valor observado.Según Tabayehnejad et al. (2009). Definición de parámetros ópticos (Castillo, 2002).

Tabla 3. Valores de actividadcoagulante, at, de quimosina (Chymax),calculados mediante diferentesindicadores de la coagulación: tiempode coagulación de Berridge (tbc) yparámetros ópticos (t2max, tmax, t2min,t2max2 y t2min2).

Indicador de at (IMCU ml-1)1

coagulacióntbc 581a

t2max 589

tmax 584a

t2min 581a

t2max2 578t2min2 580

1 Medias de mínimos cuadrados. Medias con elmismo superíndice no son significativamentediferentes (P < 0,05). N = 29.Según Tabayejnehad et al. (2009).

la distribución de luz dispersada por unmedio con partículas suele aproximarsemediante la ecuación propuesta por Bolty TenBosch (1993):

Ecuación [3]

donde I0 = intensidad aparente en el centrode la fibra emisora, I(r) = intensidad en fun-ción de la distancia radial, r = separaciónentre los centros de las fibras emisora yreceptora, κ = coeficiente de dispersión,c = concentración de grasa y m = cons-tante. El cociente de intensidades, I1/I2, sereduce a la siguiente ecuación:

Ecuación [4]

Esta ecuación describe el aumento delcociente de intensidades con el incre-mento de la concentración de grasa. Lafigura 6 muestra que salvo para con-centraciones muy bajas de grasa encrema y en leche, el cociente de inten-sidades aumenta con el porcentaje degrasa.

Sensor de transmisión paradetección de transiciones

Los sensores de transición determinan elcambio de un producto a otro mientraséstos fluyen a través de conducciones enun sistema de procesado de alimentos.Un ejemplo de transición es el pasoleche-agua o agua-leche en el pasteuri-zador de cualquier industria láctea. Lossensores de transición determinan la in-terfase entre dos productos, mejorandoel control sobre el proceso, reduciendoel vertido y aumentando la seguridadalimentaria. En general, lo que estossensores detectan es el cambio de unnivel predeterminado de transmitanciao reflectancia (i.e., son sensores de res-puesta sencillos), pero la respuesta delsensor varía al cambiar de producto enfunción de su composición química, porenvejecimiento de la fuente de luz, ra-yado de las lentes, etc., obligando a larecalibración continua. En cambio, la de-terminación en línea del tiempo de tran-sición entre productos, que depende delas propiedades reológicas de los fluidos,


99

Figura 5. Configuración óptica de tres fibras empleada para determinación de grasa. Se observa la fuente deradiación enfocada sobre una fibra y otras dos fibras receptoras localizadas a distancias radiales r1 y r2 enfo-cadas sobre los detectores con respuestas respectivas F1 y F2. Según Payne et al. (2005).

Fluido con partículas

Sensor de fibra óptica

Led, fuente de luz

Fibra

F1

r1r2

I = f(r). Intensidad luminosa en función de la distancia radial

FotodetectorRespuestas F1 Y F2

I1 I2

F2

I (r) = I0 e(κcr)

rm

I(r1)=

r2m

eκc(r2–r

1)

I(r2) r1( (

de la velocidad de flujo y de la longitudde la conducción, disminuye la necesidadde recalibración. Danao y Payne (2003)proponen un sensor de transmisión (fi-gura 7) que emplea dos fibras ópticasenfrentadas a una distancia ajustable enel rango 3,6 y 6,9 mm, que permiteadaptar la intensidad de la respuesta a laturbidez de los productos. Al final de unade las fibras se sitúa la fuente de luz(LED; L2791-02; 880 nm) y al final de lasegunda fibra un fotodetector de silicio(TSL 235, TAOS, Dallas, TX). Los datos seadquieren a una velocidad de 10 puntos

por segundo, lo que proporciona sufi-ciente resolución para generar las curvasde transición. La señal procedente delfotodiodo (F) es transmitida a través delproducto y se convierte en una señal li-neal y proporcional a la concentraciónmediante la transformación logarítmicaG = ln (F). Un algoritmo desarrollado porDanao y Payne (2003) permite la estima-ción en línea del “punto de transición”que se corresponde con el punto de in-flexión de la curva de transición (una veztransformada) y del “tiempo de transi-ción” (figura 7). La adquisición de datos


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Figura 6. Variación del cociente de intensidades medido con el sensor de extinción a 470 nm en función delcontenido graso de leche y crema, según Payne et al. (2002).

y los cálculos correspondientes al algo-ritmo de estimación del punto y deltiempo de transición se realiza medianteVisual Basic (versión 6.0, Microsoft,Redmond, Wash, USA).

Sensor de dispersión paracontrol de efluentes lácteos

La monitorización de la concentraciónde sólidos en los efluentes de las indus-trias queseras permite controlar los ver-tidos, detectar pérdidas inesperadas dematerias primas por deficiencias de se-llado en tanques de almacenamiento oconducciones, revelar ineficiencias en elprocesado y estimular a los operarios enla mejora de su desempeño (la monito-rización de efluentes revela deficienciasen las operaciones realizadas por losoperarios). Payne (2000) desarrolla unsensor de dispersión que emplea luz azuly proporciona una señal lineal a la con-centración de sólidos en disoluciones deproductos lácteos como las típicamentepresentes en los efluentes de las indus-trias queseras y lácteas (figura 8). Elsensor permite monitorizar la concentra-ción de sólidos en los efluentes (particu-

larmente glóbulos grasos y caseína) den-tro del rango de concentración 0-1%. Laluz azul a 470 nm es la más adecuadapara la medida de pequeñas concentra-ciones de caseína y grasa. Ensayos indus-triales han mostrado que la concentra-ción de partículas de grasa y caseína secorrelaciona más con la señal a 470 nmque a otras longitudes de onda. Longi-tudes de onda más largas, como porejemplo, luz infrarroja a 880 nm, sondispersadas fuertemente por los glóbu-los grasos, pero mínimamente por laspartículas de caseína. Los componentesoptoelectrónicos del sensor de controlde efluentes (figura 8) son similares a losdescritos previamente para el sensor depredicción del tiempo de corte. Las prin-cipales diferencias son la fuente de luzy el cuerpo metálico que aloja los com-ponentes optoelectrónicos.

Sensor de sinéresis

El proceso de sinéresis es una etapa deci-siva en la elaboración de queso, al regularel contenido de humedad, minerales ylactosa de la cuajada, e incidir de formadirecta en la fase de maduración. Muchos


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Figura 7. Prototipo del sensor de transición y representación gráfica del punto y del tiempo de transición parala transición agua-leche. De acuerdo con Danao y Payne (2003).

defectos habituales del queso son conse-cuencia del elevado contenido acuoso dela cuajada al inicio de la maduración.Durante la maduración, las bacterias lác-ticas producen enzimas que modifican losatributos sensoriales de la cuajada trans-formándola en queso (McSweeney y Fox,1993). Los factores que influyen en elcrecimiento microbiano o en la produc-ción o actividad de enzimas afectan alproceso de maduración (Choisy, 1989).La actividad del agua (aw) es uno de losfactores más importantes que regulan elcrecimiento microbiano y la acción en-zimática. En el queso, aw viene determi-nada por el contenido de agua y de mi-nerales que a su vez dependen de laintensidad de la sinéresis. Una mejora enel control de la sinéresis redundaría envalores más homogéneos de lactosa, mi-nerales, pH y humedad de la cuajada alinicio de la maduración, incrementandoel control sobre este proceso y redu-ciendo la proporción de quesos que in-cumplen las normas de calidad.

La determinación de la cinética del de-suerado de la cuajada durante la agita-

ción en la cuba quesera tiene una seriede dificultades evidenciadas por las nu-merosas y variadas técnicas que hansido propuestas para su determinación.Walstra et al. (1985) y Walstra (1993)han revisado las distintas técnicas quehan sido aplicadas para medir la siné-resis: a) medida de la contracción de lacuajada determinada mediante cambiosde masa, área o volumen; b) medida dela expulsión de suero o del grado de di-lución determinado mediante la adiciónde un trazador; c) determinación del con-tenido de extracto seco en los granos decuajada; y d) determinación de la den-sidad de los granos de cuajada. Pese alos numerosos métodos de evaluaciónde la sinéresis propuestos, a nivel indus-trial este proceso aún se controla empí-ricamente, en todo el mundo, medianteregulación del tratamiento mecánico yde parámetros como el tiempo y la tem-peratura de procesado.

Aunque numerosos autores afirman quela cinética de la sinéresis se puede des-cribir mediante una ecuación de primerorden (Marshall, 1982; Castillo et al.,


102

Figura 8. Sensor de dispersión para control de efluentes en la industria láctea. Respuesta del sensor a dilucio-nes de diferentes productos lácteos con contenido de sólidos comprendido entre 0 y 2%, según Payne (2000)y Payne (2004).

2005a), pocos autores han estudiado di-rectamente la contracción de la cuajadapor la dificultad de su medida. Estudiosrealizados por Castillo et al. (2006) handeterminado la contracción de la cua-jada mediante un sensor de desplaza-miento láser, confirmando que se ajustaa una cinética de primer orden. La dilu-ción de los glóbulos grasos en el suerodurante la sinéresis ha sido estudiadapor Castillo et al. (2005a), y sigue tam-bién una cinética de primer orden, loque sugiere que la concentración degrasa podría utilizarse como “trazadorinterno” para la monitorización de la si-néresis. En base a esta hipótesis, dichosautores han desarrollado un sensor dereflexión difusa NIR (980 nm) de ampliocampo de visión (sensor LFV; figura 9)que permite monitorizar tanto la coagu-lación de la leche como el desuerado dela cuajada (Castillo et al., 2005b), y pre-decir la variación del contenido de hu-medad de la cuajada en función deltiempo de agitación en la cuba de cua-jado. El amplio campo de visión delsensor LFV permite promediar las oscila-

ciones continuas de intensidad luminosareflejada/dispersada por la mezcla decuajada y suero, que son originadas porla gran heterogeneidad de las fases. Laradiación luminosa incidente viaja através de una fibra óptica de 5 mm dediámetro, un polarizador vertical y unaventana óptica de gran diámetro, hastaque alcanza la muestra (i.e., la única ra-diación que incide sobre la muestra estápolarizada verticalmente). La radiación re-flejada/dispersada por la muestra atra-viesa nuevamente la ventana óptica y unpolarizador horizontal que bloquea la ra-diación polarizada verticalmente y llegahasta el detector a través de otra fibraóptica de 5 mm. Puesto que sólo la radia-ción que ha rotado 90° tras interaccionarcon la muestra llega al detector, el sensores considerablemente más sensible a laradiación dispersa que cambia de orien-tación al atravesar la muestra que a laradiación especular originada en la su-perficie de la ventana óptica o que pro-cede, sin rotar, de la superficie de losgranos de cuajada. La disminución de lareflexión especular pretende aumentar la


103

Figura 9. Sensor de fibra óptica LFV –Large Field of View– para monitorización en cuba de la coagulación dela leche y el desuerado de la cuajada. Según Castillo et al. (2005b) y Castillo et al. (2007).


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sensibilidad del sensor a algunos de losfenómenos que ocurren en la muestra desuero y cuajada durante el desuerado.

La ratio de intensidad derivada del sensorcrece sigmoidalmente (~23%) durante lacoagulación y disminuye de forma loga-rítmica durante el desuerado (figura 10).La disminución de la señal durante el de-suerado, que varía entre el 25 y 61%según las condiciones experimentales,aumenta con la temperatura, lo que su-giere que el sensor es sensible a los cam-bios de cinética de desuerado originadospor este factor (figura 11). Tal y como seobserva en la figura 12, no sólo el perfilóptico obtenido con el sensor LFV dismi-nuye de forma logarítmica, como cabríaesperar si la señal se correlacionase conel proceso de sinéresis que sigue una ci-nética de primer orden, sino que tambiénel contenido de humedad de la cuajaday la concentración de grasa en suero pre-sentan dicha tendencia. Estos resultados

sugieren que la señal que se obtiene conel sensor LFV proporciona informaciónen relación con los cambios en el ta-maño de los granos de cuajada y en laconcentración de los glóbulos grasos ensuero que se producen simultáneamenteen la cuba durante la elaboración dequeso y que se relacionan directamentecon la expulsión de suero inducida apartir de los granos de cuajada por el fe-nómeno de la sinéresis.

La tecnología óptica LFV tiene la ventajaadicional de responder a los procesos deagregación de las micelas de caseína yde endurecimiento de la cuajada du-rante la coagulación de la leche. Portanto, el sensor óptico no sólo monito-riza la sinéresis sino también el procesoprevio de coagulación de la leche, loque permite predecir el tiempo de cortey los cambios de humedad en la cuajadadurante el desuerado mediante el em-pleo de un único sensor. En otras pala-

Figura 10. Típica respuesta del sensor de sinéresis, LFV, durante la coagulación de la leche y el desuerado dela cuajada.


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bras, el sensor LFV presenta el potencialde proporcionar información útil sobrela mayoría de los fenómenos químicosy/o físicos de interés, en relación con elcontrol de procesos, i.e., hidrólisis enzi-

mática, agregación micelar, ensamblajedel entramado tridimensional de caseínay reestructuración/contracción de la cua-

Figura 11. Evolución típica durante el desuerado encuba del contenido de humedad de la cuajada a (a)24 ºC (R2 = 0,97), (b) 32 ºC (R2 = 0,96) y (c) 40 ºCR2 = 0,94).

Figura 12. Cinética de la humedad de la cuajada(a), concentración de grasa en suero (b) y de laratio de reflectancia obtenida con el LFV (c) du-rante el desuerado a 32 °C bajo condiciones cons-tantes de tiempo de corte y de nivel de adición decloruro cálcico. Se presenta el calor medio de losdatos experimentales (♦) correspondientes a tresréplicas (n = 3).


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jada, que tienen lugar en la cuba decuajado desde que ésta se llena de lechehasta que la mezcla de cuajada y suerose drena al final del desuerado principal(i.e., al final de la fase de desuerado encuba).

Para la estimación del contenido de hu-medad de la cuajada durante el desue-rado en cuba se asume, en base a la evi-dencia experimental (figura 11), queéste varía en función del tiempo si-guiendo una cinética de orden 1, segúnla ecuación [5].

CMt = CM∞ + (CM0-CM∞) e-kCMt Ecuación [5]

donde CMt es la humedad de la cuajada(%) durante el desuerado a tiempo t(min), CM∞ es la humedad (%) duranteel desuerado a tiempo infinito, CM0 esla humedad (%) de la cuajada al prin-cipio de la sinéresis, ts(0), i.e., la humedadde la leche, y kCM es la constante ciné-tica (min-1) para los cambios del conte-nido de humedad de la cuajada durantela sinéresis. Los trabajos realizados pornuestro grupo de investigación (Faganet al., 2007a, b; Fagan et al., 2008) hanpermitido ajustar con éxito la ecuación[5] a datos experimentales obtenidosmediante un diseño compuesto central(CCD; Central Composite Design), reali-zado de forma completamente alea-toria, con tres niveles de concentraciónde Cl2Ca añadido, tres temperaturas decoagulación y tres tiempos de corte (di-seño factorial, 2k, k = 3, con 2k puntosaxiales y 6 puntos centrales, i.e., 20 en-sayos por réplica). El experimento se rea-lizó por triplicado (n = 3). A partir de losdatos obtenidos en dicho experimentodurante las etapas de coagulación y si-néresis mediante el sensor LFV se pu-

dieron estimar los parámetros CM∞ ykCM, combinando la ecuación [5] con laecuación [6]:

kCM = ß0 + ß1T2 + ß2tmax + ß3k15 Ecuación [6]

donde T es la temperatura de coagula-ción, tmax es el punto de inflexión delperfil óptico obtenido durante la coagu-lación de la leche mediante el sensorLFV y k15 es la constante de disminuciónde la ratio de reflectancia obtenida conel sensor LFV durante los primeros 15minutos inmediatamente posteriores alcorte de la cuajada. CM0 (ecuación 5) seestableció como parámetro de valor co-nocido, ya que corresponde al conte-nido de humedad de la leche empleadaen cada experimento. Los resultados ob-tenidos demuestran que el sensor LFVpermite estimar el contenido de hu-medad de la cuajada en función deltiempo durante el desuerado en cuba apartir de datos ópticos con un SEP de1,72% dentro de un rango de hume-dades de 50 a 90%. Los datos obte-nidos también permiten estimar el ren-dimiento quesero y las pérdidas de grasaen suero, y ofrecen potencial tanto enquesos frescos como maduros.

En la actualidad el sensor de sinéresisLFV se encuentra en fase de prueba y seestán realizando los primeros ensayos devalidación de dicha tecnología, que per-mitirán predecir el tiempo de corte y elfinal del desuerado para optimizar la hu-medad de la cuajada, minimizar las pér-didas de grasa y maximizar el rendi-miento quesero.

Los datos obtenidos hasta el momentoson ciertamente prometedores, pero laimplementación industrial aún requiereun esfuerzo investigador sustancial. Si


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dicha implementación se realiza conéxito, sin duda, esta tecnología ópticaejercería un gran impacto sobre la ca-lidad y homogeneidad del queso a nivelmundial.

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