PRESIONES

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención pertenece al sector de aparatos y procedimientos de procesado por alta presión de sustancias conocidas como "bombeables", en particular pero no limitadas a fluidos como bebidas, cosméticos, etc. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El procesado por alta presión (HPP: High Pressure Processing) es una tecnología que a presiones superiores a 4.000 bar consigue reducir la carga microbiana, sin alterar las características del producto procesado.

Los equipos HPP conocidos para el tratamiento de líquidos u otras sustancias por alta presión se basan en el procesado del producto previamente dispuesto en envases flexibles, por ejemplo botellas. La forma clásica de procesado por altas presiones se realiza por lotes, es decir, mediante un proceso discreto y no continuo. Inicialmente, los productos dentro de su envase final flexible se cargan en unos contenedores (de plástico rígido) que son introducidos en una vasija de acero, que posteriormente se rellena con agua (el espacio restante, ya que quedan huecos no ocupados entre los envases). Una vez llena, se cierra completamente y se comienza a bombear agua a alta presión (a través de uno o varios intensificadores de alta presión) hasta alcanzar 4.000-6.000 bar y dicha presión se mantiene durante un tiempo que puede variar entre unos segundos y varios minutos. La presión alcanzada y el tiempo que ésta se mantiene son los parámetros del proceso que se definen en cada caso en función del producto que va a procesarse (es lo que se denomina "receta"). Por ejemplo en el caso de una bebida, la tecnología se utiliza por su efecto de inactivación de microorganismos en la misma y la receta se define en función del nivel de inactivación de microorganismos que desea alcanzarse. Finalmente se libera la presión, se sacan los contenedores del interior de la vasija y se extrae el producto procesado. El producto ha sido higienizado, es decir que su carga microbiana ha sido reducida. En un proceso HPP por lotes la presión se transmite a los productos a través del fluido de presurización, generalmente agua, siendo una presión que se transmite por igual y de forma instantánea a todos los puntos del producto. Dado que el producto se procesa ya envasado, el coeficiente de llenado de las vasijas (relación entre el volumen de producto a procesar y el volumen útil de la vasija) es bajo, entre un 40% y un 60%, dependiendo de la geometría del envase y del diámetro de vasija. De todo lo mencionado anteriormente se puede concluir que, la principal ventaja del procesado en lotes es la ausencia de contaminación posterior del producto, ya que desde el inicio se encuentra en su envase final. Por el contrario, la principal desventaja es que el bajo coeficiente de llenado alcanzado limita la productividad de los equipos tradicionales de procesado por altas presiones. Otras desventajas del proceso por lotes son la necesidad de utilizar envases flexibles que soporten el efecto de las altas presiones (no siendo posible el uso de materiales como el vidrio), así como la manipulación de los mismos para la carga y descarga de la máquina HPP.

Surge por tanto la necesidad de buscar una alternativa al modo de procesado actual que consiga aumentar el coeficiente de llenado de la vasija y evite las restricciones de tipo de envase, asegurando que después del procesado del producto no se produzca contaminación, siendo esto último lo más complicado de conseguir.

A lo largo del tiempo se han planteado diferentes soluciones, orientadas principalmente en dos direcciones: procesar líquidos directamente en el interior de una vasija que cuenta con un pistón que transmite la presión o bien, procesar líquidos en el interior de una bolsa o membrana flexible situada en el interior de la vasija y que ocupa el mayor espacio útil posible.

En el caso de los sistemas que incluyen un pistón desplazable en el interior de la vasija, destinado a aplicar presión directamente, éste separa dos regiones, una que comprende el producto bombeable a tratar y otra en la que se encuentra el fluido transmisor de presión (generalmente agua). Estos sistemas tienen el principal inconveniente de que el pistón requiere juntas de alta presión especialmente diseñadas para evitar la mezcla de los líquidos de las dos zonas. Dichas juntas requieren una monitorización constante y gran mantenimiento. Además, esta solución no es óptima desde el punto de vista higiénico, ya que es muy fácil que el producto una vez procesado (y por tanto "higienizado") entre en contacto con zonas contaminadas (fluido transmisor de la presión) y sufra una contaminación.

Durante los 90 se desarrollaron varios equipos que trabajaban procesando el producto a granel (en un régimen semi-continuo). Todos ellos funcionaban con un pistón y presentaban problemas de higiene (difícil limpieza de los equipos y contaminación del producto una vez procesado) y de fiabilidad mecánica, por lo que dejaron de fabricarse.

Un ejemplo de sistema provisto de membrana se encuentra en la solicitud US5993172A. Este sistema sin embargo no presenta unas buenas condiciones higiénicas, pues no evita la contaminación del producto que se ha procesado o se está procesando debido a su exposición/paso a un conducto que no está correctamente higienizado, pues el diseño no ha sido concebido para ser fácil de limpiar.

Otras soluciones que han sido propuestas para este tipo de equipos de procesado por alta presión contemplan sistemas muy complejos con gran multitud de válvulas, tuberías y juntas sometidas a alta presión que, aparte de ser difíciles de limpiar, son susceptibles de presentar problemas de fiabilidad por su complejidad. Es conocido que los equipos que trabajan a muy alta presión requieren de un mantenimiento elevado por lo que para aumentar la productividad y reducir los tiempos de parada de máquina es imprescindible un diseño simple y eficaz en el que el número de componentes, válvulas, tubos, racores y juntas sometidos a alta presión sea lo más bajo posible.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es el de proporcionar un tapón para una máquina de procesado por altas presiones que resuelva los inconvenientes citados, que permitirá procesar sustancias bombeables en una bolsa flexible situada en el interior de la vasija. En particular, dicho tapón cumple los requisitos de diseño higiénico y de estanqueidad a muy alta presión, permitiendo la limpieza de sus conductos internos, lo que garantiza la ausencia de contaminación del producto procesado que debe atravesar dichos conductos al finalizar el proceso. El tapón se sitúa en uno de los extremos de una máquina que dispone de vasija de alta presión y permite el llenado y vaciado de una bolsa flexible (localizada en su interior), en la que se produce la presurizacion del producto de interés. Comprende un conducto para el paso de un fluido de transmisión de la presión, otro conducto para la entrada y salida de producto a procesar en la bolsa y una válvula de asiento con un asiento macho y uno hembra para permitir o evitar el paso del producto hacia/desde la bolsa. Un vástago unido al asiento macho y generalmente accionado por un actuador se sitúa en el interior del conducto de llenado/vaciado para cerrar y abrir la válvula. El vástago posee un conducto interno unido a una cámara de agente de limpieza de manera que mientras el producto está siendo procesado en el interior de la bolsa, el conducto de llenado/vaciado permanece bajo un baño de agente de limpieza.

La invención también se refiere a una máquina de procesado por altas presiones (1.000-10.000 bar) que incluye dicho tapón y a un procedimiento de presurizacion mediante dicha máquina. La máquina así concebida, que alcanzaría un elevado coeficiente de llenado de hasta 90-95%, cumpliría con el objetivo de inactivar los microorganismos y/o modificar propiedades de productos líquidos/bombeables perecederos (como bebidas, alimentos, productos cosméticos/farmacéuticos, etc.), manteniendo la higiene en todos los puntos de la máquina y del proceso.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención y para complementar esta descripción, se acompañan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:

La figura 1 es un esquema de la máquina de procesado por alta presión que incorpora el tapón de la invención.

La figura 2 muestra el tapón de la invención (tapón de producto). La figuras 3a-3c muestran el tapón de producto durante los pasos de llenado y vaciado de la bolsa y limpieza del conducto

La figura 4 es un detalle del sistema de anclaje de la bolsa al tapón.

La figura 5 muestra una sección transversal de los elementos tapones, vasija y bolsa durante los distintos pasos del procedimiento de tratamiento llevado a cabo con la máquina.

DESCRIPCIÓN DETALLADA En la figura 1 se muestra el esquema de una máquina que incorpora el tapón de la invención. Comprende una fuente de producto a presurizar 1 , que es almacenado temporalmente en un depósito 22 y es transferido a través de un circuito de tuberías y a través del tapón de producto 5a hasta una bolsa flexible 6 situada en el interior de una vasija de alta presión 4 provista de dos aberturas en los extremos 4a y 4b. Una vez que la bolsa flexible está llena con el producto, se introduce en la vasija, a través de dos tapones 5a y 5b, un fluido transmisor de presión, generalmente agua, mediante una o varias bombas 2 y a través de los conductos previstos para ello en ambos tapones 20. El fluido ejercerá la presión definida en el proceso (alrededor de 6.000 bar para la mayoría de recetas). La presión se mantendrá durante un tiempo determinado y una vez terminado el proceso, una o varias válvulas de descarga 3 harán que la presión en el interior de la vasija 4 se reduzca hasta la presión atmosférica. El tapón de producto 5a, que es la invención propiamente dicha, separa la zona en la que se produce el procesado por alta presión de la zona que debe estar siempre higienizada, ya que el producto una vez "higienizado" (procesado y por lo tanto libre de microorganismos) abandona la bolsa flexible por el mismo conducto por el que entró sin procesar (y por tanto posiblemente contaminado inicialmente con microorganismos) y debe garantizarse la ausencia de contaminación en esta etapa. En referencia a la figura 2, el tapón de la invención 5a dispone de un conducto de llenado y vaciado interno 13 para el producto a presurizar, además del conducto para el fluido de transmisión de presión 20. Una válvula de asiento 7 en el extremo del tapón en contacto con la bolsa 6 evita que el conducto de llenado y vaciado 13 esté sometido a alta presión durante el ciclo HPP (todas las etapas del procesado por altas presiones). La existencia de esta válvula hace que el conducto de llenado, que es el mismo para el vaciado, pueda ser diseñado con los estándares del diseño higiénico y consecuentemente sea fácil de limpiar de manera efectiva durante la etapa de mantenimiento en presión del ciclo HPP.

La válvula 7 consta de un asiento macho 8 y un asiento hembra 10 ambos fabricados de un material resistente a la corrosión con límite elástico superior a 600MPa, para poder soportar presiones superiores a 6000 bar, como por ejemplo 15-5PH H900 o el acero 13.8Mo H1000. El ángulo del asiento está entre 60° y 100°. El cierre y apertura de la válvula 7 se produce mediante la traslación de un vástago

1 1 por medio de un actuador 15, que puede ser hidráulico. El vástago está conectado directamente al asiento macho de la válvula 8. Así, con un simple movimiento en dirección al eje del tapón y la máquina se produce el cierre (figura 3b) o la apertura de la válvula (figuras 3a y 3c). Al ser un cierre metal-metal se evita la utilización de juntas de alta presión en contacto con el líquido a tratar, las cuales, si no tienen un diseño higiénico, algo muy complicado si se quiere que soporten alta presión, son muy difíciles de limpiar y pueden ser fuente de acumulación de materia orgánica y por ende de microorganismos. Esta válvula es de fácil limpieza y además es muy fiable y sencilla desde el punto de vista mecánico. Separa la zona que está sometida a alta presión de la que debe tener un diseño higiénico.

Para llenar la bolsa con producto a procesar se abre la válvula 7 del tapón 5a (figura 3a). El producto se encuentra en un depósito 22 y se transmite a través de una válvula de tres vías 28 hasta el conducto de llenado y vaciado interno del tapón 13. Opcionalmente, se hace pasar el producto por un filtro 23 en caso que sea necesario eliminar pepitas, pulpa, u otras partículas, lo cual ayuda a que no se quede ninguna partícula sólida en los asientos de la válvula que pueda perjudicar a la capacidad de sellado, ya que el producto filtrado barre y limpia dichas partículas. Una vez llena la bolsa 6, el actuador mueve el vástago 11 y la válvula se cierra (figura 3b). Se abre entonces un depósito con agente de limpieza 24 (peróxido, vapor u otro compuesto con acción desinfectante) situado en el exterior de la vasija. El agente de limpieza entra en el tapón gracias a la acción de una bomba 29 y, a través de un conducto 32 en el tapón de producto, llega hasta una cámara 12 y el vástago 11. El vástago 1 1 dispone de unos orificios y un conducto 1 1a en su interior de manera que el agente de limpieza entra por los orificios y circula por el interior del vástago hasta el extremo donde se encuentra el asiento macho 8, saliendo por éste a través de otros orificios. De esta manera se limpia el conducto interno de llenado/vaciado de producto 13 y el agente retorna hacia la válvula externa de tres vías 28, que lo conduce hacia un drenaje 31. La cámara 12 al final del conducto 32 por donde entra el agente de limpieza cuenta con una longitud suficiente como para mantener limpia la porción del vástago 1 1 que entra dentro del conducto 13 cuando se abre la válvula. Así se mantiene la parte del vástago que entra en la zona limpia continuamente en un baño de agente de limpieza para garantizar la higiene del mismo cuando se actúa la válvula.

Los componentes del conducto 13 están fabricados preferentemente de acero inoxidable austenítico. Estos materiales cuentan con una gran resistencia a la corrosión frente a ciertas sustancias líquidas como zumos u otros alimentos de pH bajo. Este conducto 13 ayuda a proteger el material estructural del tapón ya que evita su contacto directo con el producto a presurizar. El tapón está realizado preferentemente en aceros inoxidables de límite elástico superior a 900 MPa, preferentemente mayor de 1000MPa, los cuales cuentan con peor resistencia a la corrosión que los aceros austeníticos.

Las distintas partes del conducto 13 se unen mediante juntas higiénicas sobre las cuales es necesario mantener cierta tensión para garantizar la estanqueidad. Además el tapón sufre deformaciones bajo presión que no podrían ser absorbidas por los elementos 13, 12 y 15 sin la inclusión de un elemento elástico, como muelles o un elastómero. Los elementos elásticos 14 colocados en el extremo distal del tapón (extremo más alejado de la bolsa), absorben las deformaciones del tapón debidas a la presión y además mantienen en todo momento a las juntas higiénicas del conducto 13 con la tensión necesaria para garantizar la estanqueidad. En el extremo del tapón se encuentra un conector 17 (figura 3 y figura 4) adaptado para conectar la bolsa flexible 6. Esta conexión permite el llenado y vaciado de producto de la bolsa 6 de manera higiénica y a su vez garantiza que durante todo el procesado por alta presión el producto a procesar esté aislado del fluido transmisor de la presión. La bolsa 6 está provista de un conector hembra flexible 17.2 solidario a ésta. El conector 17.2 se une un conector macho 17.1 solidario al tapón, mediante una brida de unión 17.5 de material preferentemente plástico y a una pieza de sujeción 17.4 a la que se puede conectar una manguera, tubería u otro sistema que facilite el vaciado de la bolsa. El conector macho 17.1 está a su vez en contacto con el asiento hembra 10 y ésta, a su vez, está en contacto con el conducto interno de llenado/vaciado 13. Las piezas 17.1 , 10 y 13 pueden en algún caso ser una única pieza. Opcionalmente se coloca una junta elastomérica 17.3 entre el conector macho 17.1 y el hembra 17.2 para asegurar la estanqueidad en las fases del ciclo en las que no existe alta presión externa a la bolsa, es decir, durante la fase de llenado con producto de la bolsa y durante la fase de extracción del producto tratado de la bolsa. Esta junta 17.3 recibe la presión de cierre necesaria para conferir la estanqueidad a la conexión. Al aumentar la presión del fluido transmisor, todas las piezas que constituyen la unión comienzan a reducir su volumen por efecto de la misma. Debido al diferente módulo de compresibilidad entre el acero y el plástico, el conector de la bolsa 17.2 se comprime cada vez más contra el conector macho del tapón 17.1 que al ser metálico apenas reduce su volumen, consiguiendo un cierre plástico-metal. La junta elástomérica 17.3 se comprime igualmente recuperando de nuevo su volumen en la despresurización y por lo tanto su función de cierre.

En referencia a las figuras 1 y 5, el procedimiento de presurización del producto a tratar es el siguiente:

Para colocar la bolsa 6 en la vasija 4, la máquina está provista de dos cuñas 21 a, 21 b desplazables lateralmente en dirección perpendicular al eje principal de la máquina. Al retirar las cuñas se posibilita la retirada de los tapones 5a, 5b y el acceso a la vasija. La vasija 4 se desplaza entonces transversalmente para que quede fuera del yugo que soporta todos los elementos (no se muestra en la figura), de manera que se consigue acceso a la misma. Una vez introducida la bolsa 6, la vasija 4 se desplaza de nuevo transversalmente recuperando su alineación con el yugo. A continuación se realiza la conexión entre la bolsa 6 y el tapón de producto 5a. Posteriormente, los tapones 5a, 5b se introducen de nuevo en la vasija y las cuñas 21a, 21 b recuperan su posición inicial. A continuación se introduce el producto a procesar a través del conducto 13 del tapón de producto (figura 5.1). El aire presente en la vasija 4 sale a través del tapón en el lado opuesto 5b por el conducto 33 por la apertura de la válvula de aireación 16 y se expulsa a la atmosfera a través de la válvula 30. Seguidamente (figura 5.2) se introduce el fluido transmisor de presión en la vasija por medio de la bomba (o bombas) 2 a través de los conductos 20 presentes en ambos tapones 5a, 5b. La presión aumenta hasta la presión de receta elegida, normalmente entre 4.000 y 6.000 bar y se mantiene un tiempo predeterminado (figura 5.3), también definido por la receta, que se adapta en cada caso al producto (líquido) a procesar. Durante este proceso (subida y mantenimiento en presión) se produce la limpieza del tapón de producto 5a como se ha descrito en referencia a la figura 3b. El agente de limpieza se encuentra en un depósito 24 y es llevado hasta una cámara 12 mediante una bomba 29 a través del conducto 32. Una vez la limpieza del conducto ha sido efectuada, el agente de limpieza sale través del conducto 13 hasta la válvula de tres vías que lo evacúa hacia un conducto de drenaje 31. Una vez se ha mantenido la presión por el tiempo establecido y el producto ha sido procesado, parte del fluido transmisor introducido durante la subida de presión abandona la vasija a través de sendos conductos 20, gracias a la actuación de la válvula o válvulas de descarga 3 (figura 5.4) hasta alcanzar la presión atmosférica. El actuador 15 abre entonces la válvula 7 y la bolsa 6 comienza a descargarse con la ayuda del aire o gas inerte a presión que llega a la vasija, presionando la bolsa por el exterior, a través del conducto 33 del tapón de aireación 5b desde un depósito 25 (figura 5.5) tras abrir la válvula de aireación 16. La presión del aire o gas inerte actúa en el exterior de la bolsa flexible 6, facilitando el vaciado de la misma, haciendo que el producto pase, a través del conector 17, por el conducto 13 del tapón 5a hasta el depósito de producto procesado 26 a través de la válvula 28. Finalmente, todo el producto procesado queda en el depósito 26 y la bolsa vacía (figura 5.6). Una vez la transferencia del producto procesado al tanque 26 ha concluido, se libera la presión del aire o gas remanente en la vasija 4 a través de la válvula 30, quedando el equipo listo para el inicio de un nuevo ciclo de procesado, cambiando la bolsa 6 si es necesario. El nuevo ciclo de procesado comenzaría introduciendo de nuevo producto a procesar (Figura 5.1), no siendo necesario realizar movimientos de máquina si es que no se cambia la bolsa 6, acción que no se realiza en todos los ciclos. Una vez el producto del depósito 26 es confirmado como apto, es transferido a los equipos de llenado o almacenamiento, propulsado por aire o gas inerte procedente del tanque 25 y