Del laboratorio a la planta piloto: ¿cómo escalar un nuevo alimento?

Un alimento puede funcionar impecablemente en un vaso de precipitados, una licuadora de laboratorio o un reactor de pocos litros y, sin embargo, cambiar de manera importante cuando se procesa a decenas o cientos de litros.

El reto del escalamiento no consiste únicamente en fabricar una mayor cantidad, sino en reproducir la funcionalidad, la calidad y la inocuidad del producto. En otras palabras, el desafío es transformar una formulación exitosa en un proceso reproducible.

Escalar no es multiplicar una formulación

Aumentar cierto veces el tamaño de un lote permite multiplicar las cantidades de ingredientes, pero no garantiza que el proceso pueda multiplicarse de la misma manera.

En general, al aumentar el volumen de un tanque disminuye la relación entre superficie y volumen; por ello, calentar o enfriar deja de ocurrir con la misma rapidez. También cambian las distancias que debe recorrer el producto, los patrones de flujo, el esfuerzo de corte y la capacidad del sistema para dispersar polvos, formar emulsiones o mantener partículas suspendidas.

Por eso, dos formulaciones químicamente idénticas pueden generar productos diferentes si la historia de proceso no es equivalente. Una salsa puede aumentar su viscosidad, una emulsión presentar gotas de mayor tamaño, un producto horneado perder humedad de forma distinta o un ingrediente sensible permanecer más tiempo expuesto al calor.

En escalamiento, la fórmula importa, pero el proceso también forma parte del producto.

Definir qué debe permanecer constante

Antes de entrar a planta piloto, conviene establecer los atributos que realmente determinan el éxito del alimento.

Según el producto, pueden incluir pH, actividad de agua, humedad, viscosidad, tamaño de partícula, calidad microbiológica, aceptación sensorial, entre otros factores. La clave es asignar a cada atributo un intervalo aceptable y un método de medición.

Esos atributos se convierten en el punto de referencia para evaluar si el escalamiento conserva el desempeño esperado.A partir de ahí, el escalamiento cambia de pregunta y, en lugar de preguntar “¿qué velocidad y qué tiempo usamos en el laboratorio?”, se pregunta “¿qué condiciones permiten obtener en la nueva escala los mismos atributos?”.

Esta diferencia evita uno de los errores más frecuentes: copiar parámetros del equipo pequeño sin considerar el fenómeno físico que realmente controla la operación.

Traducir la operación, no copiar el equipo

En mezclado, por ejemplo, conservar exactamente las revoluciones por minuto rara vez es suficiente cuando cambia el diámetro del impulsor. Dependiendo del objetivo, puede ser más útil mantener criterios relacionados con potencia por unidad de volumen, velocidad, tiempo de circulación o números adimensionales como Reynolds o Froude.

No existe un único criterio universal: debe elegirse el que represente mejor el mecanismo dominante del proceso. Una dispersión de polvos, una emulsificación y el mezclado de un líquido de alta viscosidad pueden requerir criterios diferentes.

En operaciones térmicas, la atención debe centrarse en la historia tiempo-temperatura, la velocidad de calentamiento y enfriamiento, los puntos más fríos o calientes y, en procesos continuos, la distribución de tiempos de residencia.

Para secado, extracción o concentración cobran mayor relevancia el área disponible para transferencia, las fuerzas impulsoras y las relaciones aire-producto o solvente-sólido. El objetivo no es que el equipo piloto “se vea” como el equipo de laboratorio, sino que reproduzca los fenómenos que determinan el resultado.

La planta piloto debe funcionar como un experimento

Una corrida piloto aporta poco si sólo busca demostrar que el equipo puede operar. Su mayor valor aparece cuando se utiliza para identificar una ventana de operación robusta. Para ello conviene variar de manera controlada parámetros como temperatura, velocidad de agitación, flujo, tiempo de residencia, secuencia y velocidad de adición, presión o concentración de sólidos, y relacionarlos con los atributos del producto final.

Un diseño experimental, incluso sencillo, puede aportar más información que una serie de corridas en las que se modifican varias condiciones al mismo tiempo.

También es indispensable instrumentar el proceso. Registrar temperatura del producto y del equipo, tiempos reales, flujo, consumo de materia prima, pérdidas, rendimiento y puntos de muestreo permite construir balances de materia y energía y localizar dónde se originan las diferencias respecto al laboratorio.

Escalar tanto la inocuidad como la operación

El cambio de escala modifica tiempos de espera, enfriamiento, exposición ambiental, zonas muertas, transferencia entre equipos y necesidades de limpieza. Por ello, los controles de inocuidad y saneamiento deben verificarse bajo las condiciones reales de proceso y no asumirse a partir de la experiencia de laboratorio.

En productos sensibles, unos minutos adicionales en una zona de temperatura favorable al crecimiento microbiano pueden ser tan relevantes como la propia formulación.

Lo mismo ocurre con la operación: un producto puede cumplir sus especificaciones y, aun así, ser inviable si requiere tiempos excesivos de limpieza, genera pérdidas elevadas, dificulta el bombeo o no es compatible con la etapa de llenado y envasado.

El rendimiento real también cambia de escala: producto retenido en tuberías, paredes, bombas o intercambiadores puede representar una fracción pequeña en laboratorio y convertirse en un costo significativo en producción.

¿Cuándo puede considerarse exitoso el escalamiento?

La respuesta afirmativa a este cuestionamiento no ocurre solo cuando una corrida aislada “sale bien”, sino cuando el proceso demuestra reproducibilidad y cuenta con margen frente a la variabilidad normal de materias primas y operación.

Antes de avanzar a producción conviene confirmar, al menos, que el producto permanece dentro de especificaciones, el proceso puede repetirse, los equipos operan dentro de una ventana segura, el rendimiento y las pérdidas son conocidos, los puntos de control pueden medirse y la limpieza es técnica y operativamente viable.

La planta piloto permite descubrir problemas antes de que cada desviación se traduzca en cientos o miles de unidades fuera de especificación.

Referencias

• Delaplace, G., Loubière, K., Ducept, F., & Jeantet, R. (2015). Dimensional Analysis of Food Processes. Elsevier.

• Toledo, R. T., Singh, R. K., & Kong, F. (2018). Fundamentals of Food Process Engineering (4th ed.). Springer.

• Singh, R. P., Heldman, D. R., & Erdogdu, F. (2024). Introduction to Food Engineering (6th ed.). Academic Press/Elsevier.

• Saravacos, G. D., & Kostaropoulos, A. E. (2016). Handbook of Food Processing Equipment (2nd ed.). Springer.

• Scott, D. D., Bowser, T. J., & McGlynn, W. G. (2017). Scaling Up Your Food Process. Oklahoma State University Extension, FAPC-141.

• Zlokarnik, M. (1998). Problems in the application of dimensional analysis and scale-up of mixing operations. Chemical Engineering Science, 53(17), 3023-3030.

• Lee, S. B., Garcia, C. V., Hong, S. J., Shin, G. H., & Kim, J. T. (2019). Production of turmeric extract-loaded nanoemulsions at the laboratory-scale and pilot-scale: Comparison of processing conditions and properties. Journal of Food Engineering, 261, 125-132.