Tecnología de vacío rentable en el envasado de alimentos (Parte 2)
Indice
Potencial de ahorro de energía en el suministro de vacío
El envasado al vacío se introdujo hace más de 50 años y ha estado en continuo desarrollo desde entonces. Hoy en día, el envasado al vacío o en atmósfera modificada es el método más común para envasar alimentos de forma higiénica, en porciones adecuadas y de modo atractivo para el consumidor. El vacío reduce la actividad de los microorganismos que requieren oxígeno. En condiciones de vacío, los alimentos se mantienen no perecederos durante más tiempo, incluso sin conservantes. Vale la pena analizar de cerca el suministro de vacío en funcionamiento para asegurarse de que el envasado ahorra la mayor cantidad de energía y es lo más rentable posible.
Mientras que la primera parte de nuestro artículo de la edición pasada giraba en torno a los fundamentos de la generación de vacío, hoy discutiremos otros parámetros que pueden repercutir en los costes operativos. Dichos parámetros incluyen:
- Selección de la tecnología de vacío
- Lugar de instalación
- Tiempos de ciclo y ciclos de envasado
- Control del proceso de envasado
- Emisión de calor / recuperación de calor
- Suministro centralizado de vacío
Estos son los tres tipos de máquinas de envasado que más se utilizan en la industria alimentaria:
- Máquinas de envasado de campana
- Máquinas de envasado con sellado de bandejas
- Máquinas de envasado de termoformado
En todas las máquinas de envasado, las bombas de vacío evacuan las cámaras de envasado al nivel de vacío deseado, que en el caso de la carne fresca, por ejemplo, está entre 2 y 10 mbar. Por lo general, en el envasado en atmósfera modificada solo se evacua a un nivel de vacío de 100 a 300 mbar. Con las máquinas de envasado de termoformado, existe la tarea adicional de generar el vacío para formar la película inferior.
Un nivel de vacío entre 100 y 250 mbar también es suficiente para este fin.
Bombas de vacío
Los generadores de vacío que se utilizan con mayor frecuencia son las bombas de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite (fig. 1). Son lo último en esta aplicación gracias a su continuo desarrollo y optimización, y se distinguen por su robustez y fiabilidad. Un circuito interno de aceite proporciona una alta seguridad de funcionamiento, un alto nivel de vacío (0,1 mbar = 99,99 por ciento), una elevada tolerancia al vapor de agua y un efecto de autolimpieza (fig. 2). Estas ventajas se ven contrarrestadas por la necesidad de un mantenimiento regular y un rango de control de velocidad limitado.
Las bombas de vacío de tornillos en seco se desarrollaron en un principio para aplicaciones que requieren un vacío límite bajo y una compresión de funcionamiento sin fluidos, como en el sector de semiconductores. Tienen la ventaja de reducir los costes de mantenimiento y la opción de control de velocidad (control de frecuencia).
Debido al mínimo espacio libre y a la ausencia de una película protectora de aceite, las bombas de vacío de tornillos son menos robustas en términos de entrada de producto o líquido. Por este motivo, las bombas de vacío de tornillos solo se utilizan ocasionalmente para el envasado al vacío.
También hay bombas de vacío de tornillos cuyo perfil de tornillo se basa en el diseño simplede un compresor. No están optimizadas para generar vacío y no alcanzan el vacío límite requerido para el envasado. Esta desventaja puede compensarse mediante la lubricación por circulación de aceite integrada y el funcionamiento a velocidades muy altas. En este caso, sin embargo, las principales ventajas de una bomba de vacío de tornillos ―mantenimiento mínimo y compresión sin aceite― ya no se aplican. El funcionamiento a alta velocidad también puede tener un impacto negativo en la vida útil.
Del mismo modo que la bomba de vacío de tornillos, la bomba de vacío de uña (fig. 3) opera en seco y no precisa ningún líquido. Sin embargo, en los tamaños relevantes, solo alcanza un vacío límite de 100 a 150 mbar. Esto significa que no es adecuada para todo el proceso de envasado al vacío, sino únicamente para el envasado en atmósfera modificada y para la formación de la película inferior en máquinas de termoformado. En estas aplicaciones, las bombas de vacío de uña funcionan casi sin mantenimiento y son muy eficientes energéticamente.
Por tanto, la bomba de vacío de paletas rotativas lubricada con aceite sigue siendo el generador de vacío recomendado para el envasado al vacío en la mayoría de los casos.
Lugar de instalación
Las máquinas de envasado más pequeñas tienen bombas de vacío de paletas rotativas integradas en el interior. Cuando se trata de máquinas de envasado más grandes, las bombas de vacío también pueden instalarse fuera de la máquina de envasado y conectarse a la máquina a través de tuberías o mangueras.
En principio, la distancia entre la bomba de vacío y la máquina de envasado o la cámara de envasado desempeña un papel importante en términos de eficiencia. Esto se debe a que la bomba de vacío no solo tiene que evacuar la cámara de envasado, sino también la tubería que conecta la cámara y la bomba de vacío. Cuanto más larga sea la tubería, más largo será el proceso de evacuación. Sin embargo, las tuberías con diámetros más pequeños generan mayores pérdidas de caudal, lo que a su vez incrementa el tiempo de evacuación. En la práctica, es habitual encontrar tuberías mal diseñadas y pérdidas de más del 50 por ciento en términos de caudal nominal. Dichas pérdidas a menudo se compensan utilizando una bomba de vacío más grande. Por un lado, esto solo es posible hasta cierto punto por razones físicas. Por otro lado, el consumo excesivo de energía es inevitable con una seudosolución como esta.
Tiempos de ciclo y ciclos de envasado
Por lo general, se intenta conseguir tiempos de ciclo lo más cortos posible y, por consiguiente, ciclos de envasado rápidos. El tiempo de evacuación representa alrededor del 30 por ciento de los ciclos de envasado de las máquinas de termoformado y alrededor del 80 por ciento en las máquinas de doble cámara (fig. 4). Se puede deducir que la bomba de vacío está funcionando innecesariamente entre un 20 y un 70 por ciento del ciclo y que esto demuestra que hay potencial de ahorro de energía con solo encender y apagar la bomba de vacío para la evacuación de la cámara de envasado.
Este proceso no tiene ningún sentido en términos de energía porque la bomba de vacío consume la mayor cantidad de electricidad durante la fase de arranque. Además, un motor que se enciende y apaga varias veces por minuto se sobrecalienta y falla muy rápidamente. El control de frecuencia tampoco es una opción sensata: responde con demasiada lentitud y el consumo de energía en la fase entre el modo de reposo y el pleno rendimiento es mayor que cuando la bomba de vacío funciona a una velocidad constante.
El control de frecuencia solo puede ser eficiente con ciclos de envasado relativamente largos. Asimismo, el funcionamiento permanente y sincrónico de la bomba de vacío tiene otra ventaja: aunque la bomba de vacío no está evacuando durante el ciclo de envasado, mantiene el vacío en la tubería hasta la válvula situada delante de la cámara de vacío. Esto significa que el vacío no se tiene que volver a generar completamente cada vez que se abre la válvula, lo que contribuye a minimizar el tiempo de evacuación. La bomba de vacío consume cantidades excesivas de electricidad durante la fase de arranque. Este es también el caso si el motor de la bomba de vacío está funcionando fuera de su velocidad óptima, como por ejemplo con control de frecuencia.
Control del proceso de envasado
La unidad de control de la máquina de envasado también debe ser responsable de la bomba de vacío, lo que permite coordinarlas de forma óptima. De esta manera se puede, por ejemplo, evitar que la bomba de vacío permanezca en funcionamiento incluso cuando no se esté envasando nada.
La unidad de control suele ser suministrada por el fabricante de la máquina de envasado.
Si se utilizan diferentes tamaños de envase en una máquina, los tiempos de ciclo pueden variar considerablemente. Para trabajar con la mayor eficiencia energética posible, el sistema de control debe registrar la presión de envasado y, por tanto, controlar el proceso de envasado. Este sistema de control incluso responde a diferentes cargas de producto.
Emisión de calor / recuperación de calor
El motor y la bomba de vacío generan calor durante el funcionamiento y lo liberan al entorno. Estas emisiones de calor generan presión sobre el clima interior. En salas climatizadas, la energía calorífica emitida por las bombas de vacío debe compensarse mediante un sistema de aire acondicionado.
Por consiguiente, el calor residual requiere energía adicional para la refrigeración. Por otro lado, el calor residual también puede evitarse utilizando un intercambiador de calor. Otra opción es utilizar también el calor residual de las bombas de vacío para fines de calefacción. Por ejemplo, es posible utilizar un intercambiador de calor de aceite-agua para recuperar una gran parte del calor residual como energía térmica. Se puede utilizar un intercambiador de calor de aceite-agua para recuperar y utilizar entre el 50 y el 70 por ciento del consumo de energía del motor como energía térmica. La regla general para equilibrar el calor residual y las necesidades de refrigeración es la siguiente: se necesita un kilovatio de energía de refrigeración adicional por cada tres kilovatios de calor residual de la bomba de vacío.
Suministro centralizado de vacío
Las operaciones que implican un mayor número de máquinas de envasado tienen unas exigencias de vacío también mayores. Si una operación excede cierto nivel, centralizar el suministro de vacío puede ser la opción más eficiente. Los posibles ahorros de energía deben sopesarse con los costes de inversión. Cuando están diseñados por especialistas en vacío para cada aplicación específica, los sistemas centrales de vacío (fig. 5) ofrecen numerosas ventajas:
Rentabilidad general
No todas las máquinas de envasado requieren una bomba de vacío independiente. En función del diseño del sistema, el número de bombas de vacío puede reducirse significativamente, así como los costes de compra, consumo de energía y mantenimiento. Las bombas de vacío existentes pueden estar integradas (ver ejemplo al final de esta sección).
Ahorro de energía generado por un sistema de control basado en la demanda
La fluctuación inevitablemente fuerte en los requisitos de vacío de las máquinas individuales se nivela. La potencia total puede regularse de forma permanente cerca o dentro del rango de eficiencia óptima, lo que permite un considerable ahorro de energía, en ocasiones superior al 50 por ciento.
Recuperación de calor / necesidades de refrigeración
Puesto que los sistemas se instalan en una sala separada, no se transfiere calor residual a las áreas de producción o envasado con aire acondicionado. No se necesita refrigeración adicional para compensar el calor residual en áreas con aire acondicionado. Al mismo tiempo, el calor residual se puede utilizar de forma completa y eficiente. Ambos efectos tienen una influencia considerable en el balance energético y de CO2 del funcionamiento general.
Fiabilidad operativa
Cuando se realiza el mantenimiento de una bomba de vacío, se conecta automáticamente otra bomba de vacío al sistema central de vacío. Esto previene el tiempo de inactividad y la pérdida de rendimiento y productividad.
Tiempos de ciclo cortos, alto nivel de rendimiento
El sistema de tuberías entre la unidad central de generación de vacío y las máquinas de envasado se utiliza como pulmón de vacío. También es posible montar sin problemas otros depósitos pulmón en la cámara de vacío. Esto significa que el volumen de vacío deseado en la cámara de envasado está disponible inmediatamente en cualquier momento. De este modo se garantiza la evacuación más rápida posible del envase y se obtiene el máximo rendimiento de ciclo posible.
Mantenimiento sencillo
Puesto que el sistema central de vacío se instala fuera de la zona de producción o envasado, se puede realizar el mantenimiento durante el funcionamiento. Mientras se realiza el mantenimiento de una bomba de vacío, las otras siguen funcionando, por lo que no hay tiempo de inactividad. El personal de mantenimiento no necesita entrar en las zonas higiénicamente sensibles.
Funcionamiento totalmente automático
La supervisión continua del proceso es posible gracias al sistema de control en función de la demanda y a la conexión con el sistema de control de procesos. Los valores objetivo definidos se cumplen automáticamente.
Resumen
Para optimizar la eficiencia de la generación de vacío, se deben tener en cuenta numerosos factores y las características de la tecnología de vacío. Las combinaciones de bombas de vacío o la centralización del suministro de vacío representan a menudo la mejor solución para proporcionar el vacío requerido en el ciclo de proceso con el menor consumo de energía. Dado que las bombas de vacío inevitablemente también generan calor, las necesidades adicionales de refrigeración y la recuperación de calor desempeñan un papel importante a la hora de considerar la eficiencia.
Por tanto, es absolutamente necesario analizar todo el proceso y adaptar la tecnología de vacío al proceso específico con el fin de aplicar la generación de vacío más eficiente posible. Desafortunadamente, no existe una solución universal para cada proceso individual.
