Análise do ciclo de esterilização de tanques assépticos em procesamento de alimentos

MARCIO SCUCUGLIA

ANÁLISE DO CICLO DE ESTERILIZAÇÃO DE TANQUES

ASSÉPTICOS EM PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS

CAMPINAS 2014

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

MARCIO SCUCUGLIA

ANÁLISE DO CICLO DE ESTERILIZAÇÃO DE TANQUES ASSÉPTICOS EM PROCESSAMENTO DE ALIMENTOS

Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Tecnologia de Alimentos.

Orientador: Flávio Luis Schmidt

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO MARCIO SCUCUGLIA, E ORIENTADO PELO PROF. DR. FLÁVIO LUIS SCHMIDT

________________________ Prof. Dr. Flávio Luis Schmidt

CAMPINAS 2014

Banca Examinadora

___________________________________________________ Prof. Dr. Flávio Luis Schmidt

Orientador

Universidade Estadual de Campinas - FEA

___________________________________________________ Prof. Dr. Alfredo de Almeida Vitali

Membro Titular

Instituto de Tecnologia de Alimentos - ITAL

___________________________________________________ Prof. Dra. Alline Artigiane Lima Tribst

Membro Titular

Pesquisador – Campinas - SP

___________________________________________________ Prof. Dr. Homero Ferracini Gumerato

Membro Suplente

Pesquisador – Campinas - SP

___________________________________________________ Prof. Dr. Marcelo Cristianini

Membro Suplente

Abstract

Aseptic tank systems are applied to production lines for shelf-stable, long-life products in order to store sterile product until aseptic filling, maintaining the commercial sterility condition achieved from previous production steps. To avoid microbial recontamination of the product, a sterility condition must be achieved in the aseptic tank system through the application of a heating, venting, and sterilization cycle. This cycle must be submitted to specific validation protocols to ensure operational integrity.

The demand for larger capacity systems and the implication of this volume increase on sterilization efficiency require a more detailed review of the results obtained from current validation protocols. The purpose of this work was to evaluate an aseptic tank’s sterilization cycles, through study of temperature distribution and internal pressure, in order to better understand key phenomena in aseptic tank sterilization and to quantify its efficiency.

The analysis showed that the venting cycle was insufficient, with remaining air on the order of 13%-23% of the total tank volume. Consequently, the subsequent sterilization process was not conducted at the saturation point for steam. This different condition changes the kinetics for thermal destruction of microorganisms from a wet state to a dry state in which thermal resistance of spores is higher. This finding raises a question regarding the true efficacy of the sterilization process and validation protocols currently applied.

The apparent success of current sterilization processes could be explained by the usage of excessive temperature and time. The review of procedures, protocols, and success criteria of current projects could result in greater assurance of sterilization efficacy and in cost reduction. A new validation protocol is proposed to reflect the new success criteria developed in this work.

Resumo

Tanques assépticos são equipamentos aplicados em linhas de processamento de produtos longa-vida, com o objetivo de estocar o produto previamente esterilizado até o envase asséptico, mantendo a condição de esterilidade comercial obtida nas etapas anteriores. Para evitar a recontaminação do produto, o equipamento deve ser levado a condição de esterilidade, sendo aplicado um procedimento de aquecimento, desaeração e esterilização. Por ser uma etapa crítica, o ciclo de esterilização é validado por protocolos específicos que visam garantir a integridade da operação.

A demanda de equipamentos com capacidades cada vez maiores e as implicações desse aumento na eficiência da esterilização tornaram importante uma análise mais detalhada dos resultados obtidos nos protocolos atuais. Este trabalho teve por objetivo avaliar os ciclos de esterilização de um tanque asséptico, baseado na distribuição de calor e pressão em seu interior, e a partir dos resultados, aumentar a compreensão dos fenômenos envolvidos na esterilização e quantificar sua eficiência.

A análise das variáveis revelou que o ciclo de desaeração do tanque asséptico não foi completa, com retenção de ar representando de 13 a 23% do volume total do equipamento. Como consequência o processo de esterilização ocorreu em condição de não saturação de vapor. Esta situação altera o mecanismo de destruição térmica de microrganismos da condição úmida para não-úmida, na qual a resistência térmica dos esporos é mais elevada, levantando a questão da real eficiência dos processos e protocolos de esterilização atuais.

A aparente garantia da esterilidade comercial dos processos atuais pode ser explicada pelo uso de temperaturas e tempos excessivos. A revisão de procedimentos, protocolos e critérios de sucesso dos projetos existentes pode resultar em maior segurança quanto à eficiência de esterilização e redução de custos. Um novo protocolo de validação é proposto em refletindo os novos critérios de sucesso estabelecidos neste trabalho.

Palavras-chave: Tanque asséptico, esterilização, desaeração, validação,

“Whether’ this nobler in the mind to suffer The slings and arrows of outrageous fortune, Or to take arms against a sea of troubles,

Aos meus pais Gerson (in memoriam) e Marilon (in memoriam), e meus irmãos

Gersinho e Fernando, por terem me ensinado os primeiros passos,

Aos meus Mestres e Professores, por mostrarem a direção, À minha esposa, Cláudia, ao meu filho, Gabriel, e a todos os amigos que me mantiveram no caminho,

Agradecimentos

Ao Prof. Dr. Flávio Luis Schmidt, pela orientação, paciência e principalmente, pela confiança nesses anos de trabalho.

Ao Prof. Dr. Alfredo de Almeida Vitali, pela sugestão do tema, pelas críticas desafiadoras e sempre construtivas, e em especial pelo carinho, dedicação e suporte na execução do trabalho.

À Prof. Dra. Pilar Rodrigez, que me deu a primeira oportunidade em pesquisa, aos colegas Salatir, Cristiana e Wilson, e demais colegas do Laboratório de Termobacteriologia de Alimentos que me ajudaram, apoiaram e acima de tudo, me ensinaram, permitindo meu amadurecimento.

À Banca Examinadora, Profa. Dra. . Alline Artigiane Lima Tribst, Dr. Prof. Marcelo Cristianini e Prof. Dr. Homero Ferracini Gumerato, por suas sugestões, questionamentos e contribuições.

À Margo Pidgeon e Dale Morton, da PepsiCo, que permitiram e incentivaram minha participação no Programa de Pós-graduação que gerou este trabalho. Aos demais colegas da PepsiCo, Flauzino, Diana Pesha, Marco, Vitor, Cristiano Franco, Marcio Mussi, Luiz, Colm Ryam, Márcia, Edison, Felipe, Laura e Douglas, e ao Rafal, da IEH, que contribuíram com conhecimento, experiência e amizade. Aos meus colegas Antonieta e Trisse, pelo conhecimento e experiências compartilhadas quando trabalhamos juntos, e a todos os demais amigos e colegas de jornada que mesmo sem querer, contribuíram com este trabalho em consultas, dúvidas e mesmo em conversas.

À Faculdade de Engenharia de Alimentos da Unicamp, onde me formei Bacharel em Engenharia, e que sempre me acolheu como ex-aluno, e permite agora que eu consiga o Título de Mestre em Tecnologia de Alimentos, seus funcionários, meus professores, e em especial ao Prof. Viotto e Prof. Lincoln, e ao Jonas.

Sumário

Abstract ... vii

Resumo ... ix

Sumário ... xvii

Lista de Figuras ... xix

Lista de Tabelas ... xxi

1) Introdução: ... 1

2) Justificativa: ... 5

3) Revisão Bibliográfica: ... 7

3.1) Tanque Intermediário de Estocagem Asséptica (Tanque Asséptico): ... 7

3.2) Esterilização de Tanques Assépticos: ... 11

3.3) Validação da Esterilização de Tanques Assépticos: ... 13

3.4) Processo de desaeração de Tanques Assépticos: ... 15

3.5) Equilíbrio de água e vapor saturado:... 17

3.6) Equação de Antoine: ... 19

3.7) Relação da fração de ar na mistura de ar + vapor no interior do Tanque Asséptico e a eficiência de troca térmica na superfície: ... 20

3.8) Morte de microrganismos em calor seco e úmido: ... 21

3.9) Relação da Pressão Parcial de Ar no tanque e da fração de ar misturada no vapor: ... 23

4) Materiais e Métodos: ... 27

4.1) Materiais: ... 27

4.2) Programação dos Sensores: ... 27

4.3) Instalação dos Sensores Remotos: ... 27

4.5) Interpretação dos Dados obtidos: ... 32

4.5.1) Organização dos dados obtidos: ... 32

4.5.2) Determinação da “Temperatura média” do tanque durante a esterilização e dos pontos de maior e menor resistência ao aquecimento: ... 33

4.5.3) Determinação da Diferença de Temperatura entre os pontos no interior do tanque durante a esterilização: ... 33

4.5.4) Determinação da Temperatura de Vapor Saturado para o Sistema em Equilíbrio no Interior do Tanque durante a Esterilização: ... 33

4.5.5) Avaliação da composição do Sistema em Equilíbrio do Tanque Asséptico através dos parâmetros termodinâmicos teóricos e observados: ... 34

4.5.6) Cálculo da Quantidade de Ar remanescente no Tanque Asséptico durante a

esterilização: ... 34

4.5.7) Cálculo da Taxa Letal do Processos Térmico de Esterilização na condição de saturação de vapor e calor seco: ... 36

5) Resultados e Discussão:... 37

5.1) Avaliação da distribuição de calor durante o processo de esterilização dos tanques assépticos através dos protocolos atuais: ... 37

5.2) Avaliação da distribuição de temperatura durante o processo de esterilização dos tanques assépticos – análises adicionais aos protocolos atualmente empregados na validação asséptica: ... 52

5.3) Determinação da causa de diferença de comportamento observada entre os Ensaios: ... 62

5.4) Determinação da Temperatura de Vapor Saturado para o Sistema em Equilíbrio no Interior do Tanque durante a Esterilização: ... 65

5.5) Cálculo da Quantidade de Ar presente no interior do Tanque Asséptico durante a Esterilização: ... 81

5.6) Considerações sobre a presença de ar no interior do tanque durante a esterilização e seu efeito sobe a letalidade do processo: ... 102

5.7) Considerações finais sobre os protocolos atuais aplicados na validação da Esterilização de Tanques Asséptico: ... 104

5.8) Considerações finais sobre a Validação da Esterilização de Tanques Assépticos: 105 6) Conclusões ... 107

7) Sugestões de trabalhos futuros: ... 109

8) Bibliografia: ... 111

9) Apêndices: ... 117

Apêndice A ... 119

Protocolo de Validação de Esterilidade Comercial de Tanque Asséptico para aplicação Alimentos ... 119

Apêndice B ... 129

Lista de Figuras

Figura 3.1- Diagrama de Instrumentação e Fluxo de um Tanque Asséptico (Fonte: Tetra Pak 2011)... 9 Figura 3.2 - Desenho esquemático dos principais controladores de um Tanque Asséptico ... 10 Figura 3.3 – Ilustração de um diagrama de fases ... 19 Figura 4.1 – Distribuição dos Sensores Remotos no Tanque Asséptico nos ensaios 1 e 2 ... 29 Figura 4.2 – Distribuição dos Sensores Remotos no Tanque Asséptico nos ensaios 3 e 4 ... 30 Figura 4.3 – Desenho dimensional do Tanque com as medidas utilizadas para

determinação de seu volume interno ... 31 Figura 5.1 – Distribuição Gráfica das temperaturas obtidas nos Sensores Remotos,

durante Esterilização realizada no ensaio número 1 ... 40 Figura 5.2 Distribuição Gráfica das temperaturas obtidas nos Sensores Remotos, durante Esterilização realizada no ensaio número 2 ... 43 Figura 5.3 – Distribuição Gráfica das temperaturas obtidas nos Sensores Remotos

durante Esterilização realizada no ensaio número 3 ... 47 Figura 5.4 – Distribuição Gráfica das temperaturas obtidas nos Sensores Remotos

durante Esterilização realizada no ensaio número 4 ... 51 Figura 5.5 Distribuição do Intervalo de Variação entre os Sensores de Temperatura

durante Esterilização do ensaio 1 e 2 ... 60 Figura 5.6 Distribuição do Intervalo de Variação entre os Sensores de Temperatura

durante Esterilização do ensaio 3 e 4 ... 61 Figura 5.7 – Distribuição Gráfica das temperaturas obtidas nos Sensores Remotos,

durante a Desaeração (0-45 minutos) e Esterilização (45-75 minutos) realizada no ensaio número 1 ... 64 Figura 5.8: Distribuição de Temperatura Média dos Sensores remotos x Temperatura de Antoine calculada; Pressão Interna do observada no Tanque e Pressão Interna calculada pelo modelo de Antoine para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 1 ... 68

Figura 5.9: Distribuição de Temperatura Média dos Sensores remotos x Temperatura de Antoine calculada; Pressão Interna do observada no Tanque e Pressão Interna calculada pelo modelo de Antoine para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 2 ... 71 Figura 5.10: Distribuição de Temperatura Média dos Sensores remotos x Temperatura de Antoine calculada; Pressão Interna do observada no Tanque e Pressão Interna calculada pelo modelo de Antoine para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 3 ... 75 Figura 5.11: Distribuição de Temperatura Média dos Sensores remotos x Temperatura de Antoine calculada; Pressão Interna do observada no Tanque e Pressão Interna calculada pelo modelo de Antoine para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 4 ... 79

Lista de Tabelas

Tabela 3.1- Valores de coeficientes de troca térmica por convecção para diferentes meios de aquecimento (Fellows, 2006) ... 21 Tabela 4.1- Posição dos Sensores Remotos nos ensaios 1 e 2 ... 28 Tabela 4.2 - Posição dos Sensores Remotos nos ensaios 3 e 4 ... 28 Tabela 5.1 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Esterilização realizada no ensaio número 1 ... 38 Tabela 5.2 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Esterilização realizada no ensaio número 2 ... 41 Tabela 5.3 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Esterilização realizada no ensaio número 3 ... 44 Tabela 5.4 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Esterilização realizada no ensaio número 4 ... 48 Tabela 5.6 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Valores Mínimo, Médio, Máximo e Intervalo de Variação durante o Ciclo de Esterilização do ensaio número 1 ... 54 Tabela 5.7 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Valores Mínimo, Médio, Máximo e Intervalo de Variação durante o Ciclo de Esterilização do ensaio número 2 ... 55 Tabela 5.8 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Valores Mínimo, Médio, Máximo e Intervalo de Variação durante o Ciclo de Esterilização do ensaio número 3 ... 56 Tabela 5.9 – Temperatura (°C) dos Sensores Remotos, Valores Mínimo, Médio, Máximo e Intervalo de Variação durante o Ciclo de Esterilização do ensaio número 4 ... 58 Tabela 5.10 – Valores iniciais observados no pré-aquecimento e desaeração antes do ciclo de esterilização dos ensaios 1, 2, 3 e 4 ... 63 Tabela 5.11 – Resultado dos Cálculos de Temperatura de Antoine durante a esterilização do Tanque Asséptico no ensaio 1... 66 Tabela 5.12– Resultado dos Cálculos de Temperatura de Antoine durante a esterilização do Tanque Asséptico no ensaio 2... 69 Tabela 5.13 – Resultado dos Cálculos de Temperatura de Antoine durante a esterilização do Tanque Asséptico no ensaio 3... 72

Tabela 5.14 – Resultado dos Cálculos de Temperatura de Antoine durante a esterilização do Tanque Asséptico no ensaio 4... 76 Tabela 5.15: Análise dos valores de diferença de temperatura de Antoine e a média de temperatura instatânea lida no tanque asséptico durante a esterilização ... 80 Tabela 5.16 – Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 1 para a temperatura média observada entre os

Sensores ... 82 Tabela 5.17 – Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 2 para a temperatura média observada entre os

Sensores ... 84 Tabela 5.18 – Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 3 para a temperatura média observada entre os

Sensores ... 86 Tabela 5.19 – Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 4 para a temperatura média observada entre os

Sensores ... 89 Tabela 5.20 - Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 1 para a temperatura mínima observada entre os

Sensores ... 92 Tabela 5.21 – Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 2 para a temperatura mínima observada entre os

Sensores ... 94 Tabela 5.22 – Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 3 para a temperatura mínima observada entre os

Sensores ... 96 Tabela 5.23 – Resultado dos Cálculos de Quantidade de Ar no Interior do Tanque para o Ciclo de Esterilização do Ensaio 4 para a temperatura mínima observada entre os

Sensores ... 99 Tabela 5.24 - Valores de teor de ar presente no Tanque Asséptico durante os ciclos de esterilização dos ensaios 1 a 4 considerando a temperatura média dos sensores no interior do tanque. ... 102

1) Introdução:

A indústria de alimentos vive sob constante mudança, seja pelo antigo conhecimento intrínseco da “Ciência de Alimentos”, que acompanhou a evolução do próprio homem, seja pela necessidade dinâmica da aplicação e revisão destes conceitos para atender a demanda crescente de quantidade – para alimentar a população crescente – e qualidade dos produtos – para atender mercados com consumidores cada vez mais exigentes, e também aplicações arrojadas, como atividades militares, até garantir a saúde de astronautas em viagens espaciais. Entre aplicações em ascensão, podemos citar a revolução do processamento asséptico de alimentos: uma aplicação que uniu a versatilidade de uma embalagem barata, de baixo peso, sustentável, de fácil transporte e versátil para atender a dinâmica de gostos do consumidor (BYLUND 1995, BOCKELMANN 1998).

O processamento asséptico é uma tecnologia recente, sendo conhecido e aplicado desde 1940 pela Martin/Aseptic Canning, ou a Dole Aseptic Canning System, passando pelo uso de tambores Assépticos (Aseptic Drums, 1950), o desenvolvimento e ascensão da embalagem cartonada na década de 60, e sua expansão pela Europa e Japão nas décadas seguintes, até o marco de 1981 quando o FDA aprovou o uso restrito de peróxido de hidrogênio como esterilizante de embalagens para alimentos (CHAMBERS & NELSON, 1993).

A revolução do Processamento Asséptico - um processo que uniu os desenvolvimentos de processo de esterilização por aplicação de calor contínuo, tecnologia de envase “limpa” (e sua evolução para asséptica) e o desenvolvimento da embalagem com características de proteção, versatilidade de aplicação e dinâmica para adaptar-se às necessidades do consumidor – permitiu unir o benefício da menor perda de nutrientes em relação ao processo comum, com perdas mínimas do valor nutricional, sem necessidade de uso de refrigeração, como em processos/produtos de vida-de-prateleira estendida ou Extended

shelf-life (ESL) (BOCKELMANN, 1998).

Enquanto a menor perda de nutrientes em economia e melhor aproveitamento dos recursos, a independência da refrigeração permitiu a disseminação de alimentos de melhor qualidade em regiões em desenvolvimento, e sem cadeia-do-frio, levando mais que o crescimento econômico, a aceleração do próprio desenvolvimento humano em diversas áreas - pela maior disponibilidade dos alimentos e necessidade de maior capacitação tecnológica para operação e sustentabilidade do sistema, um diferencial a favor da penetração dos produtos e da tecnologia asséptica em países tropicais e/ou em desenvolvimento.

Por fim, a versatilidade da tecnologia e sua embalagem prática, barata e sustentável, atenderam os apelos do consumidor cada vez mais bem informado e fizeram do sistema asséptico um sucesso entre consumidores e fabricantes (GEA Procomac Process Engineering, 2008).

Uma das aplicações complementares que surgiram no decorrer da evolução do sistema asséptico é a aplicação de Tanques de Estocagem Intermediária Asséptica, tanques que permitem o acúmulo do produto previamente esterilizado, mantendo a sua esterilidade comercial como um “pulmão” até o envio para as máquinas de envase (BURTON, 1988). Além do benefício de flexibilização e melhor uso das linhas, com mais máquinas e diferentes volumes podendo ser adicionados ao mesmo esterilizador, este equipamento evita a recirculação de produto nos trocadores de calor, reduzindo ainda mais a perda nutricional e viabilizando de produtos mais sensíveis ao calor, resultando em uma gama ainda maior de produtos mais frescos e “saudáveis” disponíveis ao consumidor.

Para atingir esse objetivo, uma das etapas principais da operação do tanque asséptico é sua pré-esterilização, onde as superfícies que entrarão em contato com o produto esterilizado devem também ser levadas a uma condição de esterilidade comercial, bem como os elementos de filtragem que alimentarão o tanque com ar estéril, necessário para manter a pressão positiva e o bombeamento a jusante do produto, pré-requisitos do processamento asséptico dos alimentos. Falhas nesta etapa resultariam em falhas na esterilização do equipamento e recontaminação do produto estocado em seu interior, levando a perdas de qualidade e financeiras aos processadores.

Os processos para garantir a eficiência de atingir e manter condições de esterilidade comercial dos tanques assépticos foram desenvolvidos através de aplicações similares em autoclaves que utilizam vapor saturado, contando com a mesma aplicação de uma fase de desaeração para garantir que o processo térmico não sofra influência de ar no interior do vaso, seguida da esterilização do vaso de pressão, sendo que nas autoclaves isso ocorre para garantir a esterilização do produto, e no caso dos tanques assépticos, para garantir a esterilidade da superfície em contato com o produto na zona asséptica.

Esses processos vêm sendo validados pelo uso de sensores remotos que garantem a eficiência dos programas de desaeração e a boa distribuição de calor no interior do vaso na esterilização, porém a tendência de aumento de capacidade nas plantas processadoras tem resultado em tanques de volume cada vez maiores, cuja desaeração antes da esterilização se torna um desafio também maior. Assim, os procedimentos aplicados aos processos de desaeração/esterilização dos tanques assépticos e também as metodologias

utilizadas para sua validação devem ser estudadas quanto aos aspectos termodinâmicos do processo para uma maior compreensão dos fenômenos no interior do tanque.

O objetivo deste trabalho foi estudar o processo de validação da esterilização dos Tanques Assépticos através da aplicação de conceitos clássicos da termodinâmica:

1) Avaliar os protocolos atuais de validação de esterilização de tanques assépticos;

2) Desenvolver os perfis de Pressão e Temperatura de vapor no interior dos tanques assépticos durante a etapa de esterilização;

3) Estabelecer protocolos e critérios de sucesso adequados para a execução e validação da etapa de desaeração de Tanques Assépticos.

2) Justificativa:

Os processos atuais de desaeração de tanques assépticos antes da esterilização são conduzidos automaticamente com critérios estabelecidos de tempo, temperaturas e pressões fixadas pelos fornecedores – temperaturas estas muito acima da necessária para esterilização, e controladas pela leitura de temperatura no ponto extremo da linha, distante do tanque. A validação do processo, em casos extremos, é realizada pelo registro da temperatura no interior do tanque durante a esterilização através de sensores colocados na parede interna do vaso.

Este processo, ainda que bem estabelecido na indústria, depende do numero de sensores adicionados e da posição dos mesmos, e consegue garantir que existe equilíbrio entre as temperaturas nos pontos avaliados, mas a eficiência da troca térmica em todo o tanque só poderá ser garantida pela execução da etapa de desaeração.

Apesar do procedimento e critério de sucesso acima serem eficientes para garantir a manutenção da temperatura no interior do tanque durante o processo de esterilização, termodinamicamente a desaeração será obtida quanto a o perfil de temperatura e pressão no interior do tanque corresponder ao equivalente perfil de pressão e temperatura de vapor saturado. A presença de ar no tanque pode representar desvios neste perfil, bem como diminuir a homogeneidade da troca térmica.

Além da necessidade de incluir critério de sucesso de desaeração nos sistemas atuais, a demanda atual da indústria por tanques assépticos cada vez maiores (e com mais ar para ser removido) requer maior esclarecimento do processo de desaeração/esterilização dos tanques, e desenvolvimento de critérios de sucesso e pontos de controle que garantam a eficiência, repetitividade e reprodutibilidade destas operações no dia a dia.

3) Revisão Bibliográfica:

3.1) Tanque Intermediário de Estocagem Asséptica (Tanque Asséptico):

Chambers & Nelson (1993) e o livro Canned Foods (GMA Science and Education Foundation, 2007) estabelecem o conceito do processamento asséptico de alimentos pela condução de quatro atividades principais que devem ser atendidas por todos os sistemas:

- esterilização (comercial) do produto;

- esterilização (comercial) do material de embalagem;

- envase do produto esterilizado na embalagem previamente esterilizada, em um ambiente conduzido a condição de esterilidade comercial;

- fechamento da embalagem em condições assépticas, garantindo hermeticidade do recipiente durante toda a vida de prateleira.

Para execução adequada dessas atividades, diversas operações são necessárias para atingir e manter a condição de esterilidade comercial cuja ocorrência de falha pode comprometer o sistema como um todo.

Burton (1988), Bylund (1995) e Lewis & Heppel (2000) definem que alguns sistemas empregam estocagem intermediária do produto estéril posicionando um tanque entre o esterilizador e o sistema do envase, que permite, entre outras coisas, a acumulação de produto em casos onde a vazão do esterilizador é maior que do sistema de envase, reduzindo o efeito de recirculação e às vezes aumentando a flexibilidade da planta. Um tanque de estocagem asséptica intermediaria é comercialmente chamado de Tanque Asséptico. Burton destaca que o risco de contaminação aumenta proporcionalmente com o número de componentes adicionados ao sistema, sendo necessário desenhar sistemas robustos e que minimizem riscos.

A construção das válvulas de conexão entre os sistemas de esterilização do produto e envase asséptico permite a operação quase que independente dos sistemas. Ela deve ser conduzida de tal forma que garanta a segurança de cada componente do sistema na zona asséptica contra contaminações microbiológicas (CHAMBERS & NELSON, 1993 e GMA Science and Education Foundation, 2007). Para isso são empregados selos assépticos, sendo de uso mais comum a aplicação de “barreiras de vapor”, empregadas também no limite da zona asséptica, após as maquinas de envase, no fim de linha (Tetra Pak Dairy & Beverage System –Manual Operacional, 2011).

Para cumprir seus objetivos os tanques assépticos devem atender os mesmos princípios aplicados ao sistema, com a devida atenção a detalhes fundamentais (CHAMBERS & NELSON, 1993; GMA Science and Education Foundation, 2007; BURTON, 1988; BYLUND 1995 e LEWIS & HEPPEL, 2000):

- toda superfície em contato com o produto dever ser submetida a um processo de esterilização que garanta sua esterilidade comercial antes de receber produto estéril;

- durante a operação o tanque deve ser mantido pressurizado por um gás estéril;

- toda conexão com equipamentos complementares na zona asséptica e toda interface com áreas externas à zona asséptica devem ter garantidas segurança através de selos de vapor ou similar para garantir a esterilidade individual de cada componente do sistema.

Componentes adicionais do sistema de Tanque Asséptico incluem sistema de agitação de produto e sistema de filtros HEPA (High Efficiency Particulate Air) para gerar gás estéril para manter a pressão positiva do tanque; sistema de barreira de vapor intermediária (que permite a comunicação do equipamento de esterilização de produto com o tanque asséptico); e barreira de vapor final, limite da zona asséptica, no final da linha de fornecimento de produto para as máquinas de envase. No sistema mais tradicional, as entrada e saída de produto do tanque ocorrem pela mesma tubulação, permitindo menor complexidade de válvulas e desenho sanitário mais adequado para limpeza (BYLUND 1995).

O fluxo de produto estéril é garantido pela pressão positiva de gás estéril no tanque, não sendo necessária nenhuma bomba, o que novamente diminui a complexidade e reduz riscos de comunicação do sistema. A alimentação de produto para as máquinas de envase ocorre através de válvulas de alimentação dos equipamentos de enchimento, cuja hermeticidade é garantida por barreiras de vapor que fazem parte do sistema da máquina de envase (Tetra Pak do Brasil, 2000; SPX Flow Technology. Indústria de Equipamentos Industriais, 2011).

As Figuras 3.1 e 3.2 ilustram o diagrama de um Tanque Asséptico e os principais componentes descritos anteriormente.

2Figura 3.2 - Desenho esquemático dos principais controladores de um Tanque Asséptico PT 130 Produto do Esterilizador Barreira de Vapor Final Barreira de Vapor Intermediária TT 140 TT 160 Filtros de Ar estéril TT 170 TT 171 Ar Comprimido (Produção)

VAPOR

3.2) Esterilização de Tanques Assépticos:

Conforme descrito por Chambers & Nelson (1993), o sucesso do processamento asséptico é dependente da capacidade de assegurar que toda a zona asséptica e principalmente as superfícies em contato com o produto sejam levadas à condição de esterilidade comercial, evitando assim a recontaminação do produto previamente esterilizado (CHAMBERS & NELSON, 1993; BYLUND,1995 e BOCLEMANN, 1998).

Também é descrito no livro Canned Foods (GMA Science and Education Foundation, 2007) que a fabricação de produto comercialmente estéril só pode ser garantida se as superfícies previamente limpas dos sistemas de processamento e envase sejam devidamente esterilizadas antes de iniciar o ciclo de produção. Todas as tubulações, zona asséptica, máquina de envase e aplicadora de tampas devem ser levadas a condição de esterilidade comercial e assim mantidas durante toda a produção.

Nos capítulos referentes à limpeza e esterilização de componentes de sistema assépticos Burton(1988) e Lewis & Heppel (2000) também descrevem o quão críticas são as etapas de pré-esterilização para a qualidade do produto envasado assepticamente.

BURTON (1988) descreve como anteriormente a esterilização de superfícies vinha sendo efetiva com a aplicação de vapor a pressão atmosférica para eliminação de mofos e leveduras em linhas processadoras de produtos de alta acidez, mas enfatiza que para obter a eficiência necessária frente aos microrganismos típicos de produtos de baixa acidez a aplicação de temperaturas na ordem de 135-140 oC é necessária para atingir o nível de letalidade requerido para eliminar esporos bacterianos, sendo números típicos de esterilidade comercial 4 a 5 reduções decimais de esporos bacterianos resistentes ao agente esterilizante, neste caso, calor. Os microrganismos alvos para validação de processos térmicos são os

Geobacillus stearothermofilus (PFLUG, 1999; ROBERTSON,1993).

Para atender os requisitos de manutenção da condição estéril do sistema, toda a zona asséptica do tanque deve ser levada a condição de esterilidade comercial, incluindo todas as superfícies que vão estar em contato com produto e ar estéril e os filtros de ar estéril. Todas essas áreas são esterilizadas com calor, através da injeção de vapor no sistema, e tem a eficiência de esterilização controlada por sensores de temperatura posicionados nas zonas consideradas com maior dificuldade de atingir e manter a temperatura requerida, sendo chamados pontos críticos do sistema ou “cold spots”. (LARKIN, 2005; SCUCUGLIA, 2013)

O critério de sucesso da esterilização é garantir que todos os componentes da zona asséptica sejam submetidos a uma temperatura mínima de 121 oC/30 minutos (BURTON, 1988; BALL & OLSON, 1957 ). Se a temperatura cair abaixo de 121 oC durante o ciclo, o mesmo deve ser repetido. Assim, o Sistema de esterilização do tanque deve ser desenhado de deforma a garantir que as superfícies em contato com produto e os componentes de geração de gás estéril (ar ou nitrogênio) tenham condições de atingir e registrar os critérios de sucesso estabelecidos pela Autoridade de Processos Térmicos.

Os sistemas atualmente instalados apresentam similaridade de construção e quanto a programa de esterilização, sendo possível generalizar os principais pontos críticos de um tanque asséptico

Pontos críticos do sistema Tanque Asséptico:

Pressão interna do tanque: a pressão interna é garantida pela injeção de gás estéril, gerado pela passagem de ar comprimido livre de água e óleo por filtros de ár estéril. Este parâmetro e controlado por um transmissor de pressão (“pressure

transmiter” – PT 130);

Barreira de Vapor intermediária: controla e garante a esterilização das áreas internas das válvulas de transferência em contato com o produto na zona de comunicação com o esterilizador e o tanque asséptico. A temperatura do vapor durante esterilização do equipamento e produção é controlada por um transmissor de temperatura (“temperature transmiter” – TT 160)

Barreira de vapor fina (“end-cluster”)l: controla e garante a esterilização do corpo do tanque e da linha de distribuição de produto para as máquinas de envase, até o limite da zona asséptica. A temperatura do vapor durante esterilização do equipamento e produção é controlada por um transmissor de temperatura (“temperature transmiter” – TT 140);

Filtros de Ar estéril: garantem a esterilização do ar ou gás a ser admitido no tanque asséptico. A temperatura do vapor durante esterilização do equipamento é controlada por dois transmissores de temperatura, um para cada filtro (“temperature transmiter” – TT170 e TT 171).

No caso da existência de barreiras de vapor na tampa do tanque ou em eixos de agitadores, os mesmos devem ter controladas as temperaturas de esterilização conforme acima.

Apesar da similaridade dos sistemas no mercado, a definição dos pontos críticos ou “cold spots”, requer a avaliação no local do sistema instalado por uma pessoa

ou especialista com conhecimentos na aplicação da tecnologia, uma Autoridade de Processos Térmicos (GMA Science and Education Foundation, 2007).

O processo de aquecimento do tanque ocorre pela injeção de vapor saturado no seu interior, através de uma linha de alimentação lateral e com acionamento alternado temporizado de vapor por um “spraybal”l posicionado no topo do tanque. O vapor enche o corpo do tanque e preenche as linhas de distribuição de produto para as máquinas de envase até a barreira de vapor final; e a linha de ar estéril no sentido contrário de fluxo do ar, até atingir os filtros de ar estéril. Tanto os sistemas de ar estéril quanto de barreiras de vapor final e intermediário possuem controles de temperatura posicionados no limite da zona asséptica e purgadores de vapor para garantir remoção de condensado na linha e presença de vapor em movimento, garantindo a condição mínima de processo.

Quanto o sensor de temperatura posicionado na barreira de vapor final (TT 140) atinge a temperatura de 110 oC, o sistema realiza uma etapa de desaeração temporizada. O tempo de esterilização começa a ser contado somente após a desaeração, quando todos os sensores posicionados nos locais de aquecimento mais lento – “pontos frios” – atingem a temperatura mínima de 125o

C, o programa de automação passa para o passo de esterilização (Tetra Pak Dairy & Beverage System, 2011).

As zonas de barreira de vapor intermediárias são esterilizadas com alimentação de vapor independente, mas com os mesmos limites críticos de controle (125

o

C/30 minutos).

Nota: tanques assépticos desenhados para produtos de baixa acidez possuem redundância de filtros de ar estéril, isto é, o sistema possui 2 filtros em série. Para utilização destes filtros em mercados regulamentados pelo FDA, os 2 filtros devem ser submetidos a esterilização (21 CFR 113g – USA. 21 Code of Federal Regulations), o que não é um requisito em outros mercados, ainda que seja uma boa prática recomendada.

Após o término dos 30 minutos de esterilização, o tanque é resfriado pela circulação de água fria em uma camisa externa combinada com a admissão de ar estéril no tanque, de modo a garantir a pressão mínima no mesmo sem perda da condição estéril.

3.3) Validação da Esterilização de Tanques Assépticos:

Assim como a execução da esterilização é crítica para garantir a eficiência do sistema asséptico, os processos de validação da esterilização devem ser desenhados, conduzidos e registrados de forma a garantir evidências da eficiência

e repetibilidade do processo (GMA Science and Education Foundation, 2007, PFLUG, 1999).

Os procedimentos e parâmetros de pré-esterilização para sistemas assépticos devem ser determinados por ensaios de distribuição de calor ou por testes de desafio microbiológicos (“challenge test”) - (Canned Foods - GMA Science and Education Foundation, 2007)

Por se tratar de um vaso extenso, não é possível avaliar a temperatura em todos os pontos da superfície interna em contato com o produto a cada ciclo de esterilização sendo, portanto, necessário validar que o programa de automação existente é capaz de:

1- Entregar a temperatura necessária pelo tempo requerido (critério de sucesso) nos pontos críticos em que é possível avaliar - cold spots

2- Gerar dados que comprovem a correspondência entre a temperatura mínima nos pontos de controle - cold spots - e os pontos da superfície interna do tanque

3- Gerar dados que comprovem a repetibilidade do processo a cada execução do programa de automação

Para atender a necessidade de mapear diversos pontos do interior do tanque é empregado o mesmo principio utilizado para determinação validação de processos de distribuição de calor em retortas, onde a homogeneidade da temperatura da autoclave durante o processo é confirmada pelo equilíbrio de temperatura em diversos sensores instalados no seu interior (GMA Science and Education Foundation, 2007; BALL & OLSON, 1957).

Para o caso de tanques assépticos é possível o emprego de fitas inoculadas com esporos com população e resistência térmica conhecidas, que são recuperadas após cada esterilização e submetidas a condições apropriadas de crescimento (meio de cultura, tempo e temperatura), cuja ausência de desenvolvimento permite avaliação da capacidade de esterilização do processo.

A aplicação deste método envolve maior complexidade, pela necessidade de manipulação das fitas de esporos, o que aumenta o risco de falsos positivos devido à recontaminação. Pflug (1999) determina que para superfícies de equipamentos, como tubulações e vasos, o processo usando vapor saturado quando com as temperaturas devidamente registradas gera dados mais confiáveis que o emprego de indicadores microbiológicos, sendo preferido para tanques assépticos o uso de sensores de temperatura no lugar de fitas com esporos. Além disso, por se tratar de um sistema em que o fluxo de vapor pode desprender a fita, existe ainda o risco de se perder uma fita com alta população de esporos em uma

linha produtiva. Desta forma, o emprego desta metodologia deve ser restrito a superfícies/sistemas onde não há contato com o produto e/ou as fitas fiquem enclausuradas, como o caso dos filtros de ar estéril dos tanques (SCUCUGLIA, 2011; SCUCUGLIA,2012).

A metodologia alternativa é o emprego de sensores de temperatura que permitam a leitura da temperatura em intervalos de tempo adequados e assim confirmar que todos os sensores espalhados pela superfície do tanque atingem a temperatura mínima de 125 oC e mantém a mesma em equilíbrio durante os 30 minutos de esterilização (SCUCUGLIA,2011; SCUCUGLIA, 2012).

Com relação à repetibilidade e reprodutibilidade dos procedimentos de validação, Moruzzi (2007), comenta que a precisão dos procedimentos de validação é extremamente dependente da capacidade de repetir os processos aplicados, sendo crítico a necessidade de registrar os parâmetros de processo durante o ensaio.

3.4) Processo de desaeração de Tanques Assépticos:

A etapa de desaeração dos tanques assépticos ocorre no final da etapa de aquecimento, antes da esterilização se iniciar. Quanto o sensor de temperatura posicionado na barreira de vapor final (TT 140) atinge uma temperatura específica (110 oC para o tanque deste estudo), o sistema realiza uma etapa de desaeração temporizada.

Durante a desaeração, a válvula da barreira de vapor final e as válvulas do sistema de ar estéril são abertas por 5 segundos quando a temperatura de desaeração é atingida, e durante o aquecimento final elas abrem e fecham de forma temporizada até atingir a temperatura de esterilização, quando são fechadas em definitivo.

Nos capítulos 8 e 9 do livro Canned Foods (GMA Science and Education Foundation, 2007) é definida a importância do processo de desaeração em retortas antes da etapa de esterilização, especialmente para equipamentos que operam com esterilização a vapor. O ar é um meio de aquecimento menos eficiente que o vapor, sendo que este que estoca e transporta grande quantidade de energia acumulada na caldeira até o ponto de uso. Esta energia é liberada durante a condensação do vapor sobre as superfícies dos recipientes dentro da retorta, resultando na transferência de calor para as embalagens e produto, assim como para a superfície interna da retorta, que também é aquecida. O mesmo principio é aplicado para o tanque asséptico, onde a energia liberada na condensação do vapor e usada para aquecer as paredes internas do tanque até a temperatura requerida.

O processo de remoção de ar ou desaeração da retorta, também chamado

venting, é crítico e deve ser estabelecido e validado por uma Autoridade de

Processos Térmicos. A validação se dá pela execução de ensaios de distribuição de calor, cujo objetivo é garantir que sendo cumpridos os passos programados, é possível garantir que a temperatura em diversos pontos do interior da retorta é uniforme, isto é, não há ar no interior do vaso que cause falta de homogeneidade no aquecimento e manutenção das temperaturas requeridas.

Conforme Fellows (2006), se ar ficar retido no interior da autoclave a vapor, irá formar um filme de isolamento na camada limite das paredes, diminuindo a taxa de condensação, gerando uma temperatura final inferior à qual seria obtida com o uso de vapor saturado.

Holdswort (2007) destaca a necessidade de remover o ar do interior da retorta pelo processo de desaeração para garantir a manutenção da temperatura requerida durante todo o ciclo. Segundo o autor, o ciclo de desaeração é estabelecido para retortas a vapor, pela instalação de sensores de temperatura em locais estratégicos no interior do equipamento, seguido de adição de vapor até que todos os sensores atinjam a mesma temperatura, sendo usual a definição de um determinado tempo a 100oC.

A legislação americana descreve no documento 21 CFR 113.40a (USA. 21 Code of Federal Regulations) diversos procedimentos mínimos a serem usados como referência para a desaeração de retortas. Este documento afirma que para cada tipo diferente de tecnologia aplicada, um tipo diferente de procedimento pode ser requerido, mas reitera a necessidade de validar os procedimentos em ensaios e de manter registros dos mesmos junto ao FDA.

Trabalhos recentes, entretanto, demonstram que este princípio, aplicado a retortas não garante a remoção de todo o ar do interior das autoclaves (BERTELLI, 2013; HARDT-ENGLISH & HEYLIGER, 2011). Hardt-English & Heyliger (2011) mediram quantidade de ar ainda retida em retortas através do uso de sensores de oxigênio durante a desaeração executada segundo o processo programado. Para retortas a presença de ar remanescente pode ser um risco controlado, uma vez que os protocolos de validação confirmam a obtenção da destruição microbiana através de penetração de calor até o pronto frio do produto previamente envasado (IFTPS - Institute for Thermal Processing Specialists, 2004; USA. 21 Code of Federal Regulations, 1979).

Os protocolos atuais para validação da esterilização de tanques assépticos instalados nas indústrias de alimentos utilizam os mesmos conceitos e princípios aplicados para retortas a vapor. Em seus relatórios de validação Vitali & Schmidt

(1999, 2002) consideram a condição de temperatura homogênea e constante durante a esterilização como um indicativo de que o ciclo de desaeração do tanque foi efetivo para remoção de todo o condensado e ar do tanque.

Recentemente Wärlinge (2012) publicou um trabalho avaliando o processo de desaeração de Tanque Asséptico, medindo a quantidade de condensado obtida do tanque nas etapas de desaeração e esterilização. Foi confirmada a presença de ar e condensado no interior do tanque durante a esterilização, após a desaeração conforme o programa padrão do tanque. Wälinge recomendou aumentar os tempos desta desaeração como uma forma de melhorar a remoção de ar do interior do tanque.

Conforme Fellows (2007), a presença de ar diminui consideravelmente (60 %) a troca térmica em sistemas que empregam aquecimento por vapor saturado, pois o ar diminui o coeficiente de troca térmica que é a força motriz do processo de aquecimento de superfícies por vapor saturado (FELLOWS, 2007; FENNEMA, 1975; BALL&OLSON, 1957; INCROPERA, 2008).

Para o caso de tanques assépticos, Wärlige (2012) reforça que a presença de ar tem grande impacto na eficiência da esterilização, e que seus resultados indicaram aumento de temperatura insuficiente, sendo observado uma temperatura no interior do tanque inferior à correspondente para a pressão de trabalho.

3.5) Equilíbrio de água e vapor saturado:

Smith (2002) define como saturação a condição em que ocorre a coexistência de fases em equilíbrio. No processo de condensação do vapor, a energia liberada durante a passagem do vapor saturado para o estado de líquido saturado é o calor latente de condensação, e é este calor que é empregado para aquecer e manter elevada a temperatura das superfícies no interior do tanque asséptico durante a esterilização. A remoção do calor latente de condensação resulta na formação de um líquido saturado com a mesma temperatura e pressão do vapor original.

O estado de equilíbrio entre água e vapor é um sistema de duas fases com um único componente. Conforme descrito por Atkins (1994) e Toledo (1991), quando o sistema está em equilíbrio, uma determinada temperatura corresponde a uma pressão específica, isto é, a uma determinada pressão e sua correspondente temperatura, as duas fases do sistema (água e vapor) estariam em equilíbrio, e a mudança de fase (condensação, fusão ou outra mudança de estado físico) ocorreria em uma temperatura específica para a pressão do sistema.

Smith (2002) define como pressão de vapor saturado a pressão exercida por um gás gerado a partir de uma substância pura em seu estado de equilíbrio com a pressão local. O autor também descreve que para temperaturas mais baixas, a taxa de evaporação de um sistema é muito baixa, mas que a temperaturas maiores, a elevação do movimento das moléculas resulta em um aumento de pressão até um ponto em que a pressão da substância é igual à atmosférica, resultando em evaporação em taxa máxima em termos moleculares. Por fim, descreve que em condições normais de pressão (100 kPa), a água ferve a 100 oC, mas que uma vez submetida a pressões inferiores, a temperatura de ebulição também será reduzida, como por exemplo, para 93,5 oC para 80 kPa. Da mesma forma, para pressões superiores as normais, uma temperatura necessária para evaporar a água será maior, pois mais pressão será necessária para vencer a pressão de compressão (300 kPa para 133,5 oC).

Estes exemplos deixam claro que para uma condição de equilíbrio de uma substância pura, existe uma correlação direta entre sua temperatura e pressão, e que estas duas propriedades desempenham um papel importante na manutenção ou mudança do estado físico desta substância.

A correspondência entre pressão e temperatura da água para os sistemas descritos acima é representada em tradicionais diagramas de fases da água (Atkins, 1994), que são representações gráficas para a resolução da Equação de Antoine (Antoine, 1888) aplicadas no equilíbrio líquido/vapor. Nos diagramas de fase, as linhas cheias representam os pontos onde existe equilíbrio entre diferentes estados físicos.

A linha de equilíbrio Água/Vapor é representada na Figura 3.2 (ATKINS 1994). Como exemplo, o ponto de 375.15 K (100 °C) x 1 bar, que representa uma condição de temperatura com equilíbrio da água entre os estados líquido e vapor – ponto que representa a ebulição da água à pressão atmosférica a nível do mar. A Figura 3.2 contém o diagrama de fases da água. A linha de equilíbrio entre as fases líquido-vapor representa como a pressão de vapor da água em estado líquido varia com a temperatura. Diversas referências possuem dados de temperatura, pressão, densidade e outras propriedades da água e vapor, como as apresentadas no apêndice B (PERRY, 1984).

3Figura 3.3 – Ilustração de um diagrama de fases

3.6) Equação de Antoine:

Antoine em seu artigo de 1888 desenvolveu uma equação derivada da Lei dos Gases de Clapeyron, que descreve a relação entre as propriedades pressão e vapor de substâncias puras em estado de vapor saturado em equilíbrio. A equação possui o seguinte formato:

Onde:

p= Pressão de Vapor absoluta em mm de Hg T = temperatura em oC

A, B e C são constantes específicas para diversos componentes. No caso de sistemas com água pura entre 99 e 374oC, os valores são (LANGE, 1999):

A= 8,14019 B= 1810,94 C= 244,485

De acordo com Antoine, em sistemas cuja combinação de Temperatura e Pressão não corresponde a este modelo, a substância em mudança de estado não está pura. No caso de um tanque asséptico ou uma retorta, um desvio da relação entre a temperatura lida na validação e da pressão no interior do vaso pode indicar a presença de ar, indicando ainda que a temperatura nos diversos pontos do sistema esteja homogênea, a desaeração pode não estar completa enquanto a pressão e temperatura não seguirem a equação de Antoine.

Assim, como uma alternativa mais refinada ao critério de sucesso aplicado aos processos de desaeração atual (obtenção de temperatura homogênea em diversos pontos da retorta, e além de homogênea, acima do limite crítico no caso dos tanques assépticos), o critério de sucesso para garantir a desaeração seria a obtenção de temperatura homogênea e correspondente à temperatura de saturação de vapor na pressão empregada, obtida pela equação de Antoine. Desvios desta condição indicam que existe ar no sistema.

3.7) Relação da fração de ar na mistura de ar + vapor no interior do Tanque Asséptico e a eficiência de troca térmica na superfície:

De acordo com a lei de Dalton (ATKINS, 1994; SMITH, 2002), se o vapor em uma mistura de ar e vapor se encontra na forma saturada, sua temperatura deve ser a mesma observada para vapor saturado correspondente à pressão parcial de vapor na mistura, ou seja, a temperatura real da mistura de ar e vapor saturado será inferior à temperatura esperada para um sistema somente com vapor. A diferença de temperatura entre o vapor saturado e o valor obtido na mistura será proporcional à quantidade de ar presente no sistema.

Em 1967, Pflug também identificou que o coeficiente de transferência térmica de película é reduzido drasticamente quanto 10 % de ar esta presente.

A Tabela 3.1, obtida de Fellows (2006), mostra claramente o quanto a presença de ar no vapor saturado reduz a capacidade de transferência de calor do sistema:

1Tabela 3.1- Valores de coeficientes de troca térmica por convecção para diferentes meios de aquecimento (Fellows, 2006)

Coeficiente de Troca Térmica por Convecção (h)

W/m-2K

Vapor Saturado Condensante 12.000

Vapor Condensante com 3 % de ar 3.500

Vapor Condensante com 6 % de ar 1.200

Ar em movimento (3 m/s) 30

Ar parado 6

Fonte: Fellows 2006 Tecnologia do Processamento de Alimentos – Princípios e Prática. 2.ed.

Fellows (2006) descreve ainda que o vapor condensante (saturado) produz taxas de transferência de calor maiores que a água na mesma temperatura, e que a presença de ar no vapor reduz a taxa de transferência de calor. O ar presente no vapor reduz a temperatura do sistema e diminui a taxa térmica entregue ao objeto a ser aquecido.

3.8) Morte de microrganismos em calor seco e úmido:

Conforme Pflug (1999) o processo de esterilização por calor úmido, também conhecido como esterilização por vapor, é o mais simples, conhecido e estudado dos processos de esterilização, e empregado em larga escala em processadores pelo mundo. Para Pflug, a eficiência do processo de esterilização é garantida quando os microrganismos a serem eliminados se encontram em equilíbrio com a água em estado líquido, isto é, que deve haver condição de saturação no local onde os microrganismos alvo estão localizados – Atividade de água Aw 1,00.

Em seu artigo de 1960, Pflug confirma que a atmosfera ao redor dos esporos influencia a eficiência do processo térmico aplicado, através de ensaios destruição térmica sobre G. stearothermophilus. Para Pflug (1960), processos de destruição por calor úmido são aqueles em que os microrganismos são submetidos à destruição térmica na presença de vapor saturado ou possuem condição de saturação ao seu redor, enquanto esterilização por calor seco ocorre quando a atmosfera ao redor possui vapor superaquecido ou ar. Pflug conclui em seu artigo que as condições de calor seco resultam em menor eficiência que as condições de calor úmido.

Coroller (2001), através do processamento térmico de esporos de B. cereus a diferentes em soluções de glicerol, glicose e sacarose atividades de água, obteve resultados que comprovam significativo aumento no valor de D (tempo de redução

decimal) para o microrganismo. Estes resultados indicam que a água no sistema interfere na eficiência do processo de destruição de esporos e sua diminuição impacta em aumento da resistência térmica observada.

O mesmo efeito foi observado por Gombas (1983), que conclui que a inativação de esporos em aquecimento seco (Aw < 0,1) é menor do que o observado em aquecimento úmido. A mesma conclusão foi obtida por, Prado Filho (1987, 1994), que em seus ensaios para avaliação da resistência térmica de Bacillus subtilis frente a calor seco (vapor superaquecido), obteve valores de D superiores aos observados para o mesmo microrganismo submetido a vapor saturado, indicando assim que o efeito do calor seco na destruição de microrganismos é inferior ao do calor úmido.

Pflug (1999) relata valor de D a 120oC como 0,67 minutos e valor de Z de 8,0 °C para esporos de Bacillus subtilis, obtidos em processos de calor úmido (Aw = 1,0), e de 4,4 a 6,8 minutos respectivamente para processos a calor seco (Aw < 0,1). Valores similares para calor seco foram observados em Prado Filho (1987), que obteve para a 120oC valor D na faixa de 20 minutos para Aw 0,75.

Schmith (1982) encontrou valores de z de 42oF (23,3°C) para esporos de Bacillus

subtilis submetidos a calor seco contra Z= 14,8°F (8,2°C) para calor úmido, com

conclusões parecidas às de Pflug e Prado Filho,

Da mesma forma, Gombas (1993) relata valores de z de 6,4oC para G.

steraothermophilus para processos com calor úmido e z maior que 20oC para calor seco.

Todos estes dados confirmam que a forma de calor úmido resulta em maior efeito letal sobre microrganismos do que o calor seco obtido por vapor superaquecido ou ar, conforme previsto por Pflug (1967).

A presença de ar no interior de tanques assépticos durante o processo de esterilização ocasiona redução da taxa de transferência térmica durante o processo, conforme descrito no item anterior, e representa significativa redução da eficiência da esterilização do equipamento. Se no caso de retortas o impacto pode ser controlado uma vez que a esterilização do produto ocorre com o mesmo dentro de um container selado, no caso do tanque asséptico a falha ocorreria na superfície da zona asséptica em contato com produto, representando alto risco de recontaminação.

3.9) Relação da Pressão Parcial de Ar no tanque e da fração de ar misturada no vapor:

Smith (2002) descreve que um gás ou mistura pode ser considerado ideal se seguir a equação de Clayperon ou Lei dos gases ideais:

onde

P = pressão [atm] V= volume [cm3]

n = número de moles [gmol] T = temperatura absoluta [K]

R = constante dos gases [atm.cm3.gmol-1.K-1]

Esta equação pode ser empregada para determinação da concentração de um gás, através de um rearranjo (SMITH, 2002):

[equação 3.3 ]

Onde a concentração molar C é obtida do quociente entre o número de moles do gás (n) e o volume (V):

E a densidade, por sua vez, pode ser obtida multiplicando-se o numero de moles n pela massa molecular M do gás:

Smith (2002) descreve que para sistemas com mais de um componente (A, B, C, etc... da mistura), como uma mistura de gases, a pressão total de uma mistura de

gases ideais é igual à soma das pressões parciais de cada componente da mistura, seguindo o modelo da Lei de Dalton:

Da mesma forma, a concentração parcial de cada componente do sistema vai ser proporcional a sua pressão, e pode ser calculada por:

E assim, novamente pela Lei de Dalton, a concentração da mistura será a soma das concentrações de cada componente:

Ainda segundo Smith (2002), A mesma correlação é observada para o volume através da Lei de Amagat:

Para ATKINS (1994), as pressões parciais de vapor para uma mistura de dois componentes voláteis estão relacionadas com a composição das fases líquidas presentes (ou seja, a fração de cada componente), através da Lei de Raoult:

onde:

P*A= pressão de vapor do componente A puro,

X*n= fração molar do componente n na fase líquida.

A pressão total de vapor deste sistema será dada pela equação:

(

)

[equação 3.11]

Pela equação 3.11 podemos entender que a pressão total do vapor varia com a composição do sistema (ATKINS, 1994) e permite deduzir que a pressão total de vapor do sistema será dependente da composição de gases dentro do mesmo. Smith (2002), de uma forma simplificada, determina que a Pressão parcial de um componente seja proporcional a sua fração molar no sistema, uma vez que a relação entre pressão total do sistema deve seguir a lei dos gases:

Para o sistema como um todo, a pressão total levará em conta o número total de mols no sistema:

(

)

Resultando em:

( )

Ou, se substituirmos a fração molar conforme equações 3.15 e 3.16 abaixo:

[equação 3.16]

Onde:

yA= fração molar do componente A na fase gasosa O mesmo tratamento para a Lei de Amagat resulta em:

[equação 3.17]

Smith (2002) conclui assim que a existe uma correlação entre a pressão, volume e a quantidade de mols de um sistema em equilíbrio.

No caso do processo de um tanque asséptico, através da diferença entre a pressão do sistema e da pressão de saturação de vapor na temperatura da superfície do vaso, obtemos a pressão parcial de ar presente no sistema e que está causando o desvio da condição de saturação de vapor puro, previsto pela Equação de Antoine.

A partir de sua pressão parcial, é possível calcular o número de moles de ar presentes, e através da massa molar, a massa de ar retida, e por consequência, qual a quantidade de ar presente no tanque.

4) Materiais e Métodos:

4.1) Materiais:

 Fita de alumínio adesiva resistente ao calor 3M 425

 14 Sensores Tracksense pro ® Ellab previamente calibrados e com resolução de 0,05 oC

 Estação de leitura Tranksense ® Ellab para programação e leitura dos sensores

 Computador LapTop HP ElliteBook  Software Microsoft Excel 2010

 Tanque Asséptico de 20.000 litros fornecido pela Tetra Pak

 Transmissor de Pressão Endress+Hauser Cerabar M PMC/PMO 41-48 previamente calibrado com precisão de 0,05 %

4.2) Programação dos Sensores:

Os Sensores de Temperatura tiveram seu relógio interno ajustado com os valores do PLC do equipamento tanque asséptico e foram programados através do software do fabricante, para leitura a cada 60 segundos por 48 horas, para os ensaios de 11 de dezembro de 2012 e para cada 30 segundos para os ensaios de 9 de abril de 2014. Imediatamente após a retirada do interior do tanque, os dados foram carregados dos sensores e convertidos para dados em formato Excel®.

4.3) Instalação dos Sensores Remotos:

Os sensores foram fixados com fita adesiva de alumínio resistente à temperatura. A posição dos sensores foi determinada de forma a garantir a leitura de forma proporcional à geometria do tanque, sendo os mesmos distribuídos em 3 alturas (topo, meio e fundo) e a cada 90º com relação ao eixo central. Para facilitar a localização, foram adotadas coordenadas como as do mostrador de um relógio de ponteiros, considerando a entrada de vapor na posição equivalente à 9:00, isto é, a esquerda quando observando o tanque.

As Tabelas 4.1 e 4.2 descrevem as coordenadas das posições de instalação dos sensores no na superfície interna do tanque asséptico, também representados nas Figuras 4.1 e 4.2.

2

Tabela 4.1- Posição dos Sensores Remotos nos ensaios 1 e 2

Sensor Posição Sensor Posição

1 Topo (9 horas) 10 Topo (3 horas)

3 Topo (12 horas) 11 Meio (3 horas)

4 Meio (9 horas) 16 Fundo (6 horas)

5 Fundo (9 horas) 17 Fundo (3 horas)

8 Meio (12 horas) 18 Topo (6 horas)

9 Meio (6 horas) 19 Meio (6 horas)

3

Tabela 4.2 - Posição dos Sensores Remotos nos ensaios 3 e 4

Sensor Posição Sensor Posição

1 Topo (3 horas) 11 Fundo (12 horas)

2 Fundo (3 horas) 12 Topo (12 horas)

5 Meio (3 horas) 13 Topo (9 horas)

6 Meio (6 horas) 14 Meio (12 horas)

7 Fundo (6 horas) 15 Meio (6 horas)

8 Fundo (9 horas) 16 Fundo (6 horas) - agitador

10 Topo (6 horas) 17 Topo (9 horas) – entrada de vapor

10, 18, 01, 03

11, 09, 04, 08

17, 16, 05

10 - 11 - 17

03 - 08

18 - 09 - 16

01 - 04 - 05

4Figura 4.1 – Distribuição dos Sensores Remotos no Tanque Asséptico nos ensaios 1 e 2

VAPOR

01, 10, 13, 17, 12

05, 06/15, 14

02, 07/16, 08, 11

01 - 05 - 02

12 - 14 - 11

13 – 14, 15 - 11

13 - 08

17

16

5Figura 4.2 – Distribuição dos Sensores Remotos no Tanque Asséptico nos ensaios 3 e 4

VAPOR

6Figura 4.3 – Desenho dimensional do Tanque com as medidas utilizadas para determinação de seu volume interno