Optimización del diseño higiénico de los sistemas frigoríficos. Análisis del caso de los condensadores evaporativos

Abstract

[SPA] Los sistemas frigoríficos están presentes, en mayor o menor medida, en un amplio rango de campos tales como la producción y conservación de alimentos, la climatización de edificios, la industria química, la medicina o el transporte de mercancías perecederas. Una de las aplicaciones más habituales de estos sistemas es el acondicionamiento de aire que posteriormente es utilizado para fabricar y conservar alimentos (refrigerados o congelados), o para climatizar ambientes habitados, bien con fines industriales como en las salas de procesado y envasado, o bien con la finalidad de obtener un ambiente de confort como es el caso de los edificios de oficinas y comerciales. Sin embargo, el aire que manejan estos sistemas puede ser un medio de transmisión de microorganismos perjudiciales para los productos fabricados y para las personas que se alimentan de esos productos o que respiran ese aire. Esto ocurre cuando, en los equipos, se dan las condiciones idóneas para su crecimiento y dispersión, es decir, cuando disponen de elementos nutritivos y otras condiciones adecuadas para su desarrollo. En este sentido, la naturaleza del sistema de enfriamiento juega un papel preponderante en el riesgo de proliferación microbiológica y en su transferencia al ambiente, desde donde podrá, por ejemplo, contaminar alimentos o contagiar a las personas expuestas. Esto tiene como consecuencia directa una pérdida económica para la empresa y un problema de salud para las personas, que podrán sufrir manifestaciones de tipo alérgico, intoxicaciones alimentarias o, incluso, enfermedades infecciosas. Uno de los problemas más graves es el de la transmisión de la legionelosis, que es causada por la bacteria Legionella pneumophila. Este bacilo, Gram negativo, está presente en el agua del medio natural desde donde coloniza las redes de abastecimiento, llegando así a las instalaciones frigoríficas que utilizan agua, caso de los condensadores evaporativos y las torres de refrigeración. Cuando en estos sistemas se dan las condiciones idóneas para su proliferación (pH, temperatura, presencia de materia orgánica, biofilms, etc.), el microorganismo puede llegar a alcanzar concentraciones infectivas y ser dispersado en el aire mediante los aerosoles que producen estos equipos. Este aire, al ser respirado por una persona podría causarle la enfermedad. En el campo de la fabricación y transformación de alimentos es bien conocida la importancia de la higiene. Esta es una herramienta para obtener alimentos de calidad, que presenten unas condiciones idóneas de conservación al estar libres de contaminantes que los deterioren, y que además sean inocuos para la salud de consumidor al estar libres de patógenos que puedan causar un problema de salud. La primera medida para obtener estos productos seguros y saludables, comienza ya en la fase de diseño de los equipos de procesado y envasado. Así, será necesaria una concepción higiénica de los mismos, con la finalidad de limitar la contaminación microbiana, facilitar la limpieza y desinfección y mejorar el mantenimiento y conservación de estos equipos. Dentro de los sistemas de limpieza y desinfección, destacan los sistemas de limpieza in situ, o sistemas CIP (Cleaning in Place). Estos tienen como principal característica que permiten la limpieza y desinfección de los equipos de procesado sin la necesidad de desmontarlos. Se trata de sistemas automáticos que consiguen un nivel óptimo de limpieza y desinfección al gestionar adecuadamente el agua, los productos químicos y la energía. Además conllevan como ventajas el ahorro en mano de obra y tiempo. Todo lo anterior debe tenerse en consideración para conseguir que los equipos de enfriamiento evaporativo dejen de ser un riesgo para la salud humana y se utilicen más frecuentemente, ya que se trata de equipos que tienen ventajas energéticas, medioambientales y económicas. Estas ventajas están en consonancia con las nuevas demandas sociales de protección de la salud y del medio ambiente, así como de ahorro económico. Por ello en esta Tesis se dan los detalles para la construcción de equipos evaporativos, como es el caso de los condensadores evaporativos, que cuenten con un diseño higiénico y con un sistema de limpieza CIP, lo que hará que dejen de ser una fuente de transmisión de legionelosis al poder limpiarse y desinfectarse eficazmente. Para ello se han analizado los procedimientos actuales de limpieza y desinfección y su eficacia, y se han determinado los defectos de diseño higiénico de estos equipos, todo esto, a través de la encuesta e inspección de equipos en servicio y de análisis en laboratorio de las características físico-químicas y microbiológicas del agua de enfriamiento. Se ha analizado la relación del diseño higiénico defectuoso con el problema de presencia en estos equipos de contaminación por Legionella. Las características físicas, químicas y microbiológicas del agua demostraron, al sobrepasar los niveles recomendados, que el agua de los condensadores evaporativos presenta una calidad pobre, haciendo de ellos unas instalaciones de alto riesgo en cuanto a su colonización por Legionella spp., propiciando el deterioro del equipo e incidiendo sobre la eficacia de la desinfección. Se ha demostrado que estos equipos, a pesar de estar muy controlados legalmente, son un riesgo para la salud por no contar con un diseño higiénico ni con un sistema de limpieza eficaz que pueda aplicarse frecuentemente. También, se ha estudiado el tipo de suciedad a eliminar en estos equipos a través de los procedimientos de limpieza y desinfección, mediante la inspección de los mismos y análisis del agua superficies internas. Esto ha permitido el diseño de un sistema automático de limpieza y desinfección del que se especifican sus características constructivas y que, acoplado al condensador, podrá aplicar un programa de lavado que limpie y desinfecte el equipo, eliminando la suciedad y los biofilms. Se especifican también los productos químicos a utilizar, los tiempos, y la forma de aplicación de los mismos. Para determinar los requisitos de diseño higiénico de un condensador evaporativo, se ha estudiado y discutido el uso de distintos materiales en los componentes del condensador. Se ha hecho especial hincapié en la naturaleza del material, la rugosidad superficial y la resistencia a la corrosión, así como en su aptitud de cara a la limpieza. En base a lo anterior se ha encontrado que los materiales que se utilizan actualmente son inadecuados desde el punto de vista higiénico y se ha recomendado el uso del acero inoxidable y del PVC como materiales de construcción. Se han determinado los detalles constructivos para conseguir un diseño higiénico en los condensadores evaporativos sin renunciar a su eficiencia energética, realizándose una descripción pormenorizada para cada componente, así como el diseño gráfico con ayuda de herramientas de diseño en 3D. Con este nuevo tipo de condensador se reduce el riesgo de que el equipo sea una fuente de contaminación del agua. Por último se ha realizado la validación térmica e higiénica del equipo. Se ha construido una maqueta de laboratorio y un prototipo a escala real para la realización de los ensayos. Se han probado distintos programas y productos de lavado en laboratorio. Se ha realizado un estudio de ensuciamiento y se ha comprobado la eficacia del sistema CIP para la eliminación de distintos tipos de suciedades. Se han determinado las principales características energéticas de funcionamiento del prototipo de condensador evaporativo higiénico y automático, demostrando que tiene unas prestaciones tan buenas como los equipos convencionales. Se ha validado la limpiabilidad del mismo a través del estudio microbiológico del agua de recirculación, de las superficies internas y del aire movido por el equipo. Se han obtenido resultados satisfactorios que demuestran la eficacia del diseño higiénico y de los sistemas CIP para conseguir que los condensadores evaporativos dejen de ser un foco de proliferación y dispersión de Legionella.

[ENG] Refrigeration systems are present in a wide range of fields such as food processing and preservation, comfort cooling, chemical industry, medicine or transport of perishable goods. One of the most common applications of these systems is the conditioning of the air to be used to process and store food (chilled or frozen) or for inhabited spaces or industrial premises such as the processing and packaging rooms, or in order to get a comfortable environment such as in office buildings and shopping centers. However, the air flowing through these systems can be a means of transmission of harmful organisms in processed foods and for people eating these products or breathing that air. This may happen when the system shows proper conditions for microbial growth and dispersion, that is, when there are nutrients available and other appropriate conditions for microbial development. In this regard, the type of cooling system plays an important role in the risk of microbiological growth and its transfer to the environment, from where they can, for example, contaminate food or spread to exposed persons. This directly results in an economic loss for the company and a health problem for people who may suffer allergic problems, food poisoning or even infectious diseases. One of the most serious problems is the transmission of Legionnaires' disease, which is caused by the bacterium Legionella pneumophila. This, Gram negative microorganism, is present in Nature in water of different sources, from which it may colonize supply networks, reaching refrigeration systems that use water, such as evaporative condensers and cooling towers. When the conditions for its development (pH, temperature, presence of organic matter, biofilms, etc.) are given in these systems, the microorganism can reach infective levels and be dispersed in the environment by sprays produced by these equipments. When a person breathes such air, the disease can be developed. The food industry is aware of the importance of hygiene. This is a tool to obtain high quality food, showing a good level of preservation since they are free of contaminants. They are also safe for the consumer, since they are free of pathogens that can cause a health problem. The first step to get these safe and healthy products begins in the design stage of processing and packaging equipment. Hence, a hygienic design is necessary, in order to prevent microbial contamination, enable cleaning and disinfection and improve their maintenance and preservation. Among the cleaning and disinfection systems, cleaning in place (CIP) systems are outstanding. The main feature of these systems is that cleaning and disinfection of processing equipment is possible without the need for disassembly. They are automatic systems that achieve an optimal level of cleaning and disinfection because of proper use of water, chemicals and energy. Other advantages are saving labour and time. All this has to be kept in mind to ensure that evaporative cooling systems are not a risk to human health, so they could be more often used since they provide energy, environmental and economic benefits. These advantages are in line with new social requirements for health and environment protection, as well as cost savings. Therefore, in this thesis, details for the construction of evaporative systems, such as evaporative condensers, having a hygienic design and provided with a CIP system, are given. These systems will not be a source of Legionella dissemination any more, because they can be disinfected and cleaned effectively. To achieve this goal, current cleaning and disinfection methods, and their effectiveness have been analysed. Hygienic design defects of these systems have also been determined. These analyses have been carried out through survey and inspection of equipment in use and laboratory analysis of physico-chemical and microbiological characteristics of the cooling water. The relationship of poor hygienic design with the presence of Legionella in these equipments has also been analyzed. The physical, chemical and microbiological characteristics of water exceeded recommended levels, showing its poor quality, leading to system damage and affecting the effectiveness of disinfection. In spite of the strict control by inspection services, they are high risk facilities regarding colonization by Legionella spp. and, hence, a health risk because they do not have a hygienic design and effective cleaning system that can be applied frequently. The type of fouling to be removed in these systems using cleaning and disinfection procedures has also been observed, by inspection and water and internal surfaces analyses. This observation has allowed the design of an automatic system for cleaning and disinfecting, coupled to the evaporative condenser, able to apply a CIP program, which removes dirt and biofilms. Construction characteristics, as well as chemical products used, time, and method of application, are specified. In order to determine the requirements of hygienic design of an evaporative condenser, the use of different materials to build the components has also been analysed. Special emphasis has been paid to the type of material, surface roughness and corrosion resistance, as well as to its easiness to be cleaned. The materials currently used are inadequate from an hygienic viewpoint and the use of stainless steel and PVC as construction materials is recommended. The construction details to achieve a hygienic design in evaporative condensers without loosing energy efficiency have been set. A detailed description of each component, as well as a graphic design using 3D design tools has been provided. With this new design, the risk of water pollution is reduced. Finally, the equipment has been assessed thermally and hygienically. A laboratory model and a full-scale prototype have been built to carry out the tests. Different programs and chemicals have been tried in the laboratory. A contamination trial has been performed, showing the effectiveness of the CIP system for the removal of different types of dirt. The main energy characteristics of the full-scale prototype have been tested, showing performances as good as those of conventional systems. Its easiness to be cleaned has been evaluated through microbiological tests of the recirculating water, internal surfaces and air flowed by the system. Satisfactory results have been obtained, showing the effectiveness of the hygienic design and CIP systems, to achieve that evaporative condensers are no longer sources of proliferation and spread of Legionella.