33rd annual meeting international institute of ammonia...

Technical Papers33rd Annual Meeting

International Institute of Ammonia Refrigeration

March 27–30, 2011

2011 Industrial Refrigeration Conference & Heavy Equipment ShowCaribe Royale

Orlando, Florida

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ACKNOWLEDGEMENT

The success of the 33rd Annual Meeting of the International Institute of Ammonia

Refrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and the labor of its

authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers and editors for their

contributions to the ammonia refrigeration industry.

Board of Directors, International Institute of Ammonia Refrigeration

ABOUT THIS VOLUME

IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review.

The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not the

International Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions of the

Institute and are not officially endorsed.

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2011 Industrial Refrigeration Conference & Heavy Equipment Show

Caribe Royale

Orlando, Florida


©IIAR2011 1

Resumen.

Tener en consideración la velocidad de congelación y el grado de impacto que ésta tiene en la calidad de productos alimenticios, debe ser un criterio muy importante a considerar por los ingenieros frigoristas en la definición, selección y aplicación de los sistemas de producción de frío. Un conocimiento mucho más preciso del tal fenómeno, nos irá permitiendo cada día, obtener resultados más favorables en la aplicación de bajas temperaturas.

El presente trabajo, basado tanto en una revisión bibliográfica como en la utilización de datos experimentales, presenta la importancia que tienen los factores que afectan la velocidad de congelación en alimentos, tales como: la diferencia de temperaturas entre producto y medio, la velocidad del aire, el espesor de producto, el contacto entre medio – alimento y la capacidad del sistema mecánico para remover calor.

Lograr procesos controlados en donde el resultado sea una eficiente eliminación de calores sensibles, latentes, una nucleación adecuada y formación de cristales controlados, nos permite la posibilidad de mantener una alta calidad de productos perecederos sometidos a estos procesos. Ésta es una tecnología que día con día beberá ser mejor entendida y aplicada en el sector alimentario.

Trabajotecnico#2

La velocidad de congelación y su impacto en la calidad de alimentos expuestos a este proceso. Un criterio clave en la definición del sistema

de producción de frío.

Manuel Alarcón López. Karla Elizabeth González Rosas.

Blasquez E. Refrigeración Industrial S.A. de C.V.Mexico D.F.


Trabajotécnico#2 ©IIAR2011 3

La velocidad de congelación y su impacto en la calidad de alimentos expuestos a este proceso. Un criterio clave en la definición del sistema de producción de frío.

Problemática.

A pesar de la gran cantidad de literatura que existe disponible en relación al

fundamento, aplicación y análisis del proceso de congelación de alimentos, hemos

encontrado que en muchos lugares en donde se aplica esta tecnología existen serias

deficiencias en el cálculo, diseño y selección de sistemas de baja temperatura para

aplicaciones en instalaciones estáticas (por lotes), en donde desafortunadamente

la mayoría de veces no se cumple con las expectativas de lograr las velocidades de

congelación adecuadas en función del tipo de alimento y de sus características.

En la mayor parte de centro y sud América encontramos diversas instalaciones

en donde las deficiencias son muy notables, ya que existe un desconocimiento

importante de todas las variables que pueden influir en la obtención de las mejores

condiciones de velocidad de congelación, por tal motivo, es necesario generar

trabajos que fundamenten correctamente y aporten elementos técnicos sustentables

para que los ingenieros frigoristas durante su diseño consideren todos estos factores

tan importantes que transitan desde la conceptualización hasta la instalación del

propio sistema.

Afortunadamente dentro del instituto (IIAR) han colaborado diferentes autores

con trabajos muy importantes como los presentados por: Pearson 2009, Masson

2007, Visser 2006, Becker y Fricke 2006 entre otros, sin embargo, es necesario ya

reforzar con trabajos en español, ejercicios que promuevan el mejor entendimiento,

pero, sobre todo concienticen de forma continua la importancia de estos factores

especializados en el diseño de instalaciones frigoríficas en donde este involucrado

un proceso de congelación.

Este trabajo aspira como un primer intento de promover el estudio y aplicación

de los procesos de congelación en alimentos entre los especialistas de producción

de frio por compresión mecánica. Recordemos, la importancia de la velocidad de

congelación en los alimentos y sus efectos en la calidad final de los productos,


4 ©IIAR2011 Trabajotécnico#2

2011 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Heavy Equipment Show, Orlando, Florida

debe ser un factor técnico fundamental para la adecuada aplicación de sistemas de

producción de frío en el ramo de las bajas temperaturas.

Antecedentes.

La congelación es básicamente, el cambio de estado líquido a sólido de la mayor

parte del agua y soluciones acuosas presentes en un alimento y se puede definir

como el periodo durante el cual la temperatura es casi constante en un punto dado

y el calor extraído se emplea para la transformación de la mayor parte de agua en

hielo. Para la congelación de los alimentos y otros materiales biológicos, primero se

verifica la eliminación del calor sensible por enfriamiento, para después eliminar el

calor latente durante la congelación y en la mayoría de las ocasiones calor sensible

de sub-enfriamiento.

Para predecir lo que ocurre: el contenido calorífico de la fase líquida es la suma del

contenido calorífico individual del/los solutos y la del agua (como si fueran puros, no

se tienen en cuenta las interacciones entre ambas). Los contenidos caloríficos no son

función simple de la temperatura pues el calor latente es función de la temperatura

que depende del hielo formado (esto se calcula empíricamente).

Consideremos que la mejor forma de entender el proceso de congelación es a través

de la descripción de los diagramas de fase y estos son los factores más importantes:

Factores cinéticos de la transformación de agua en hielo:

1. Nucleación. Se forman núcleos (semilla) para facilitar la reorganización

del líquido como estarían en estado sólido. Estos núcleos son racimos de

moléculas de tamaño particular para sostener el crecimiento de un cristal. A una

temperatura por debajo del punto de congelación en equilibrio, hay un volumen

de la fase sólida con menor energía libre que las mismas moléculas de la fase




líquida. A temperaturas menores el tamaño del núcleo del cristal se reduce al

bajar la temperatura. Al considerar el agua, el tamaño crítico del núcleo puede ser

alcanzado espontáneamente a –40 ºC ( Nucleación Uniforme u Homogénea).

Si hay un soporte catalítico, la nucleación puede realizarse a temperaturas más

altas (hay nucleación heterogénea). En los alimentos, el proceso que se presenta

es una nucleación heterogénea.

2. Estado Vítreo. Después de la nucleación, el cristal crece porque hay un

acercamiento al equilibrio termodinámico. Al aumentarse la fase sólida

aumenta la viscosidad de la fase líquida (ya que hay más soluto y desciende

la temperatura), hay un punto en el que en esta fase no puede haber más

cristalización, esto se conoce como Estado Vítreo (Glass phase) concentrado al

máximo por congelación, se consigue a una temperatura específica (es importante

acotar que por debajo de la misma los cambios son muy lentos).

Sin embargo, hay otras restricciones cinéticas tales como son el tamaño, forma del

producto a congelar, que apoyan los modelos de transferencia de masa y energía. Las

condiciones limitantes básicas en el crecimiento del hielo, pueden ser:

• Crecimiento limitado por la transferencia de masa de primer tipo: se debe a la

falta de nucleación. Este sistema se subenfría (no se congela y está por debajo

de la temperatura inicial de congelación), la isoterma de congelación se va hacia

el centro y las regiones más externas están más subenfriadas y en cualquier

punto puede ocurrir la nucleación, el hielo formado está determinado por el calor

eliminado durante el subenfriamiento. El crecimiento de hielo es rápido y los

cristales pequeños. Después del crecimiento del hielo, la velocidad de formación

del hielo es proporcional a la velocidad de transferencia de calor.

Podemos observar en la figura N°1 la disponibilidad del proceso de nucleación y

la generación en número de cristales formados.




• Crecimiento limitado por la transferencia de calor: la velocidad de transferencia

de calor depende de condiciones externas como: tamaño, forma del objeto

y propiedades internas del sistema que afectan a la transferencia de calor

(conductividad térmica y difusividad térmica), estos valores son diferentes en

agua y en hielo (la velocidad de transferencia de calor y cambio de temperatura

tanto en agua y hielo son diferentes).

En cuanto a la velocidad de crecimiento del hielo, que depende de la velocidad de

transmisión de calor, la posición de la interfase de propagación estará por detrás

de la isoterma de congelación (sólo hace falta un pequeño subenfriamiento para

el crecimiento del hielo, recordemos que, la velocidad de transferencia de calor es

igual a la velocidad de formación de hielo).

Esto es cierto salvo que la velocidad de propagación sea menor que la del avance

de la isoterma de congelación (aumenta el subenfriamiento). Consecuencia

del aumento del subenfriamiento: aumenta la velocidad de propagación y si el

subenfriamiento supera un valor umbral puede ser que disminuya la velocidad de

propagación (Crecimiento limitado por la transferencia de masa de segundo tipo).

• Crecimiento limitado por la transferencia de masa de segundo tipo: la región

alrededor de la interfase anteriormente citada se puede subenfriar, decreciendo la

velocidad de propagación del hielo, manifestándose la restricción cinética tercera

(el calor se gasta en subenfriar en lugar de congelar). Las regiones más externas

estarán congeladas y sucederán los cambios en el interior. A una temperatura baja

específica, el material de la región subenfriada se volverá vítreo y se mantiene así

mientras la temperatura sea inferior (no existirá formación de hielo).

La congelación debe distinguirse porque la temperatura del alimento se reduce

por debajo de su punto de congelación, por lo cual una fracción elevada del

agua contenida, cambia de estado físico formando cristales de hielo. Esta

inmovilización del agua en forma de hielo y el incremento en la concentración




de los solutos en el agua no congelada provoca la reducción de la actividad del

agua del alimento. Por lo tanto, la conservación del alimento por esta vía es la

consecuencia de la acción combinada de las bajas temperaturas y la disminución

en su actividad acuosa. Durante el proceso de congelación el agua es removida

de su posición normal dentro de los tejidos y convertida en hielo. Este proceso

es parcialmente revertido durante la descongelación dando lugar a la formación

de exudado. El incremento en la concentración de los contenidos celulares puede

originar procesos indeseables en los productos.

Análisis de la Curva de Congelación

La zona de –1 a –5°C es una zona de temperatura en la cual el calor latente del

producto se libera en la mayoría de los alimentos.

Normalmente es la zona de máxima formación del hielo. Esta zona también se le

conoce como zona de “parada térmica” porque la temperatura correspondiente se

aproxima a una pendiente casi horizontal de la curva. (Ver figura 2).

Se asume que cuando más alta es la temperatura inicial del producto, más corto será

el tiempo de parada térmica.

Un tejido biológico en un proceso de congelación se comporta como una solución

diluida. Comparada con la curva de congelación de agua pura, la de una solución

diluida presenta dos diferencias esenciales:

1. La temperatura de congelación es inferior a la del agua.

2. La diferencia entre el punto de congelación de la solución y el del agua, es tanto

mayor cuanto más concentrada es la solución.

A medida que se forma hielo, el soluto se concentra en la fase liquida. Así pues,

el punto de fusión de la solución desciende al mismo tiempo que aumenta la




concentración, razón por la cual se habla de temperatura de inicio de congelación,

con el fin de precisar que se trata del punto de congelación de la solución antes de

que esta sea modificada por la crio-concentración. (Ver figura 3).

En la figura 3, el aspecto de la meseta de cambio de estado se ve perturbado por el

descenso progresivo del punto de congelación a medida que este disminuye, de modo

que ya no pude hablarse de meseta. En realidad se observa una “pseudo meseta”

más o menos visible, que no es más que una simple zona de aminoración del

descenso de temperatura.

La figura 4 muestra el tiempo critico para lograr una buena congelación que consiste

en cruzar como ya se ha mencionado la zona entre –1 a –5°C, dependiendo del

alimento o sistema en estudio.

La figura 5 muestra una fotografía donde podemos observar la diferencia entre fresas

congeladas rápidamente y en un proceso lento, donde la cantidad de agua que

desprenden al descongelarse es significativamente diferente entre las velocidades de

congelación obtenidas.

Métodos de Congelación

Existen diferentes métodos de congelación, los cuales pueden clasificarse de

diferentes maneras, de acuerdo a la velocidad de congelación (ver tabla1).

La figura 6, muestra la clasificación de los métodos de congelación tomando en

cuenta su principio de funcionamiento.

La tabla 2, presenta un buen resumen en donde combinamos información práctica y

útil para el diseño de instalación.




Considerando que no es el objetivo de este trabajo el extender la descripción de los

métodos de congelación, dejamos esta información como marco referencial.

Velocidad de Congelacion.

La consideración más importante asociada con la congelación de los alimentos es la

velocidad del proceso, es decir, la velocidad de congelación.

La velocidad de congelación (°C/h) para un producto o un paquete, es el cociente

de la diferencia entre temperatura inicial y temperatura final por la duración de la

congelación. En un punto dado del producto, la velocidad de congelación local es el

cociente de la diferencia entre temperatura inicial y temperatura final deseada por el

tiempo necesario para que esta última temperatura alcance el punto en cuestión.

La velocidad de congelación no es más que la velocidad lineal de avance del frente

de hielo por el interior del producto a congelar en el proceso, donde la transmisión

del calor varía en las diferentes capas del producto, siendo más elevada en las capas

externas y baja en las capas cerca del núcleo central o centro geométrico o punto

térmico. La velocidad de congelación depende principalmente de la diferencia de

la temperatura entre el producto a congelar y el medio refrigerante, aunque existen

otras variables que posteriormente se mencionan y son dignas a considerar.

Fennema, ha identificado varios métodos que describen la velocidad de congelación:

1. Métodos tiempo-temperatura.

2. Velocidad del frente frio.




3. Métodos térmicos. Dentro de los métodos térmicos tenemos:

3.1 Cambios de temperatura por unida de tiempo

3.2 El tiempo para atravesar un rango de temperaturas dado.

El método por cambio de temperatura por unidad de tiempo es el más apropiado

cuando se establece que el principal factor es la estructura del producto congelado,

logrando influir en la calidad del producto.

El Instituto Internacional del Frío define los siguientes términos:

• Velocidad de congelación nominal al “tiempo de enfriamiento del núcleo central

(punto térmico) para pasar de 0 a–15°C”.

• Velocidad de congelación efectiva al “tiempo invertido en enfriar desde

una temperatura discrecional y superior a 0°C a otra elegida dentro de las

pertenecientes a la de las gama de congelación.”

Los procesos de congelación se pueden clasificar según las velocidades medias de

congelación establecidas en cm/h.

La tabla 3 presenta las velocidades y tiempos de congelación para diferentes métodos

de congelación; nótese como en los procesos que normalmente encontramos

instalados es sistemas por lotes entran en el rango de una velocidad de congelación

de lenta a muy lenta. Los tiempos de congelación pueden ir desde 24 hasta 72 horas

por lote y velocidades de frente de hielo de 0.1 a 0.5 cm/h.

A una alta velocidad de congelación, es mayor la probabilidad de tener después de

la descongelación la calidad inicial del producto, pudiendo establecer que la calidad

de un producto congelado depende de la velocidad en que el proceso se lleve a cabo,

obteniéndose buenos resultados en alimentos que se someten a una “congelación

rápida.”




Por lo anterior podemos concluir que existen 4 factores fundamentales que influyen

en la velocidad de congelación:

1. La diferencia de temperaturas entre el producto y el medio de congelación.

2. El tipo de transferencia de calor, desde y en el producto (convección y

conducción)

3. El tamaño, tipo y forma del producto y del empaque.

4. Propiedades térmicas del producto como son:

• Conductividad térmica

• Difusividad térmica

• Densidad

• Calor especifico entre otras.

Diversas características de calidad están relacionadas con el tamaño de los cristales

el cual es una consecuencia de la velocidad con que se produce la congelación.

El principal efecto de la congelación sobre la calidad de los alimentos es el daño

que ocasiona en las células el crecimiento de los cristales de hielo. La congelación

prácticamente no provoca afectaciones desde el punto de vista nutritivo. La

resistencia de diversos tejidos animales y vegetales a la congelación es muy diversa.

Así, las frutas y los vegetales, por ejemplo, presentan una estructura muy rígida por

lo que la formación de los cristales de hielo puede afectarlos con mayor facilidad que

a las carnes. La congelación de los tejidos se inicia por la cristalización del agua en

los espacios extracelulares puesto que la concentración de solutos es menor que en

los espacios intracelulares.

Cuando la velocidad de congelación es baja la cristalización extracelular aumenta

la concentración local de solutos lo que provoca, por ósmosis, la deshidratación

progresiva de las células. En esta situación se formarán grandes cristales de hielo

aumentando los espacios extracelulares, mientras que las células plasmolizadas

disminuyen considerablemente su volumen. Este desplazamiento del agua y la acción

mecánica de los cristales de hielo sobre las paredes celulares provocan afectaciones

en la textura y dan lugar a la aparición de exudados durante la descongelación.




Cuando la velocidad congelación es alta la cristalización se produce casi

simultáneamente en los espacios extracelulares e intracelulares. El desplazamiento

del agua es pequeño, produciéndose un gran número de cristales pequeños. Por

todo ello las afectaciones sobre el producto resultaran considerablemente menores

en comparación con la congelación lenta. No obstante, velocidades de congelación

muy elevadas pueden provocar en algunos alimentos, tensiones internas que pueden

causar el agrietamiento o rotura de sus tejidos.

Como se menciono anteriormente, la congelación provoca el aumento de la

concentración de los solutos presentes lo que incrementa la velocidad de las

reacciones se presentan entre –5ºC y –15ºC. Este incremento en la concentración de

los solutos provoca cambios en la viscosidad, el pH, el potencial redox del líquido

no congelado, fuerza iónica, presión osmótica y tensión superficial, entre otros. La

acción de estos factores asociados al efecto de la desaparición de una parte del agua

líquida, provoca cambios desfavorables en el alimento, siendo un ejemplo de ello

la agregación de las proteínas. Estos efectos pueden ser limitados cuando el paso

a través del citado rango de temperaturas se realiza de forma rápida. Este rango es

denominado como zona de peligro o zona crítica. Como el volumen del hielo es

superior al del agua líquida, la congelación de los alimentos provoca una dilatación,

estas variaciones en el volumen provocan tensiones internas de gran magnitud

sobre los tejidos, lo que puede provocar desgarraduras internas (y hasta la rotura

completa de los tejidos vegetales), lo que produce una pérdida de líquido durante la

descongelación.

Como se ha mencionado anteriormente los procesos con velocidades de congelación

lentas producen daños estructurales a nivel intra y extracelular. La presión de

vapor de los cristales de hielo es inferior a la del interior de las células, lo que

provoca la deshidratación progresiva de las células por ósmosis y el engrosamiento

de los cristales de hielo. De esta forma se originan grandes cristales de hielo y el

aumento de los espacios extracelulares. Las células plasmolizadas disminuyen

considerablemente su tamaño. Esta deshidratación celular disminuye las




posibilidades de una nucleación intracelular. La ruptura de las paredes celulares

resulta de la acción mecánica de los grandes cristales de hielo y del encongimiento

excesivo de las células.

La figura 7 ejemplifica el proceso de cristalización entre la congelación rápida y lenta.

Como ejemplo de soporte la figura 8 presenta que en la congelación extracelular se

forma el primer hielo fuera de la célula y aumenta su crecimiento por la emigración

del agua intracelular hacia la pared externa de la misma. Esta emigración de agua

se condesa en la superficie del hielo, aumentando su tamaño. La carne congelada

extracelularmente y almacenada por largo tiempo produce una liberación de fluidos

en la descongelación, porque el hielo extracelular una vez fundido no regresa a las

células, permanece fuera de ellas, dando lugar al drenado de agua de fusión del

hielo, y así una textura de la carne más acuosa, áspera al tacto, más rígida y más

deshidratada después de la cocción.

La congelación intracelular es favorecida por el enfriamiento rápido a una

temperatura baja, para evitar y minimizar la oportunidad de la deshidratación celular,

de ahí que no tiene lugar los cambios que ocurren en la congelación extracelular.

Tiempos de congelación.

Los tiempos de congelación para un determinado producto pueden ser medidos

tanto experimentalmente, observando el perfil de temperaturas del mismo como por

estimaciones a partir de datos físicos, utilizando métodos numéricos y/o analíticos.

Existen una gran cantidad de trabajos experimentales que estudian los tiempos de

congelación sin embrago, es necesario hacer extrapolaciones que nos permitan inferir

los tiempos de congelación en aplicaciones industriales, existe una frontera muy




importante entre el estudio en laboratorio y la aplicación de gran escala, situación

que debe ser revertida con ejercicios de aplicación más continuos y serios.

El término “tiempo de congelación” presenta algunas dificultades ya que hay que

definir el momento en que se inicia la congelación y el momento en que termina.

Desafortunadamente el proceso de congelación se puede producir a distintas

velocidades en diferentes partes de una pieza o paquete de alimento; en el cual, el

punto que se enfría más lentamente, conocido como “centro térmico,” y es el que se

utiliza usualmente para medir la historia térmica durante la congelación. Los centros

térmicos en sistemas de congelación estáticos en aplicaciones industriales varían

totalmente y deben ser considerados desde su inicio como el punto objetivo para

asegurar que el proceso de congelación en tiempo ha sido concluido.

Es necesario que en cada sistema se defina con claridad cual es el centro térmico

objetivo, ya que varía si es un alimento congelado individualmente, empacado o

estibado.

Existe una gran cantidad de métodos que predicen los tiempos de congelación,

ya que este cálculo permite determinar por un lado la carga térmica dentro de los

requerimientos de un congelador, y obtener procesos diseñados satisfactoriamente

para la conservación de productos congelados. Entre ellos se encuentran el método

Nagapo 1999, Cleland y Earle 1979, Hung y Thompson (1983), Pham 1987,

Masscheroni y Calbelo 1982, Lacroix y Castaigme 1987, que utilizan ecuaciones

analíticas y modelos como los de Talamon y Davis 1981 y Mannapperuma y Singh

1988 que utilizan métodos numéricos.

Partiendo del análisis de ecuaciones que se basa en métodos analíticos, se puede

decir que su simplicidad en el calculo, esta sustentado en una serie de suposiciones

que no se cumplen cabalmente en el proceso de transferencia de calor para

congelación, dicha suposiciones son particulares para cada uno de los modelos, y en




el caso de los métodos que se obtienen por sistemas empíricos, limitan sus campos

de aplicación, pues la exactitud de la predicción esta en función de la similitud

que existen entre el alimento al que se aplica con respecto ha aquel usado para

desarrollarlo.

Los intentos para predecir el tiempo de congelación y como consecuencia

velocidades de congelación de forma analítica, usualmente conducen a una o mas

expresiones que deben utilizarse para calcularlo, como en el caso de la ecuación de

Plank, considerada base muchos autores han utilizado, que introduce constantes

geométricas para placa, cilindro infinito y esfera, pero supone las siguientes

condiciones, que no siempre se cumplirán:

1. La temperatura inicial en el material es uniforme y es igual a su punto inicial de

congelación.

2. Toda el agua se cristaliza en el punto de congelación, por lo tanto, todo el calor

latente de cambio de fase se elimina en el punto inicial de congelación.

3. Las propiedades térmicas no varían con la temperatura, pero si lo hacen en el

cambio de fase, esto indica que el comportamiento de las propiedades es diferente

para el producto congelado y no congelado.

4. La densidad es constante en la congelación.

5. Las condiciones ambientales son constantes.

6. La congelación es lo suficiente lenta para que la transferencia de calor ocurra en

esto estable.

7. Pueden despreciarse los efectos límites pues las geometrías consideradas son

infinitas.

8. No existe restricción en el tipo de sistema de congelación usado, siempre y

cuando, se conozca el coeficiente de transferencia global, que actúa sobre el

alimento (convección y conducción).




La ecuación de Plank generalizada es:

tc=

λρ

+

Px

h

Rx2

k tg – tm

Donde:

Tc = h Tiempo de congelación.λ = Kcal/Kg Calor latente de fusión del agua: (kcal/Kg) x % agua del

alimento.(Tg- Tm ) = °C Diferencia entre la temperatura inicial de congelación del

producto y temperatura final de congelación.X = m Dimensión característica del producto (paralelo a la

dirección principal de transferencia de calor).ρ = Kg/m3 Densidad de la masa del alimento en estado congelado.

P Factor de forma (½ para una placa infinita, ¼ para un

cilindro infinito y 1/6 para una esfera).R Factor de forma (1/8 para una placa infinita, 1/16 para un

cilindro infinito y 1/24 para una esfera).k = Kcal/hm°C Conductividad térmica del alimento congelado.

h = Kcal/hm2 °C Coeficiente de transferencia de calor superficie

conductividad térmica del alimento congelado entre medio

refrigerado y producto.

Aun así, esta serie de limitaciones que plantea la ecuación de Plank, a permitido que

numerosos autores hallan elaborado diversos métodos que de una forma u otra forma

intentan mejorar la predicción de los tiempos, considerando diversos factores como

son las ecuaciones de Nagaoka (citado en Heldman 1983), el modelo de Cleland y

Earle 1979, Hung y Thompson 1983 etc.




Una ecuación que ofrece la mejor “relación calidad- precio,” es la establecida por

Nagaoka y colaboradores; y que su aplicación no precisa más que un cálculo muy

simple para una precisión más que suficiente. Estableciendo la siguiente ecuación

de la siguiente forma:

tc=

ρ∆H

+

Px

h

Rx2

k Tg – T

En donde H = 1+0.00445 ( To–Tg) Cp( To–T g ) +λ+Cp ↓ (T g–T)

Donde:

H = Kcal/Kg Corresponde a la variación de entalpía total desde la

temperatura inicial hasta la temperatura final de congelación.To = °C Temperatura inicial del productoTg = °C Temperatura de punto inicial de congelación.T = °C Temperatura final del producto.

Cp = kcal/ Kg °C Capacidad calorífica del producto.

Como podremos ver Nagaoka aporta 2 modificaciones fundamentales a la ecuación

de Plank:

1. H correspondería a la variación de entalpía total entre la temperatura inicial y la

temperatura final de congelación.

2. Inclusión de un término de corrección que toma en cuenta la temperatura inicial.

Otra ecuación para calcular los tiempos de congelación, es la presentada por Pham,

la cual es una extensión de Plank.

t =

∆H1

∆T1

R

h

∆H2

∆T2

R2

2k+ +




Donde:

H1 = c (Ti-Tfm)

H2 = L+c (Tfm-Tc)

T1 = (Ti + Tfm) / 2-Ta

T2 = Tfm –Ta

Tfm = 1.8 + 0.263Tc + 0.105 Ta

Donde:

c = J/m3 k Calor especifico volumétrico.h = W/m2 k Coeficiente de transferencia de calor.H = J/m3 Cambio de Entalpia volumétrico.K = W mK Conductividad térmica

R = m Mitad del espesor.Ta = °C Temperatura del medio de congelación.Tc = °C Temperatura final del centro.

Tfm = °C Punto inicial de Congelación.Ti = °C Temperatura inicial del alimento.

t = kJ/Kg Cambio de entalpia durante la congelación.

Se ha encontrado que la influenza del calor sensible sobre el punto inicial de

congelación puede ser incorporada a través de la siguiente relación:

Nfo=P

1

NBiNSte + R

1

NSte




Establecidas por:

NFo = α t / a2

NBi = h a /k

NSte = Cp (Tf- T)/H

Donde:

α = m2 /S Difusividad térmica.T = hr Tiempo.a = m Espesor del producto.

h = W/m2K Coeficiente convectivo de transferencia de calor.K = W/mK Conductividad térmica.

Cp = KJ/Kg K Calor especifico del alimento.Tf = °C Temperatura inicial del punto de congelaciónT = °C Temperatura del medio de congelación.

H = KJ/Kg Cambio de entalpía durante la congelación.

Por medio de investigaciones experimentales, Cleland y Earle establecieron las

siguientes ecuaciones empíricas en función de las geometrías:

• Para una placa:

P=0.5072+0.2018Npk+Nste(0.3224Npk+0.0105/NBi+0.0681)

R=0.1684+Nste(0.274Npk+0.0135)

• Para un cilindro:

P=0.3751+0.0999Npk+Nste(0.4008Npk+0.071/NBi+0.5865)

R=0.0133+Nste(0.0415Npk+0.3951) (5.14)




Por otra parte es importante mencionar que existen métodos numéricos, los cuales

describen la temperatura de congelación contra el tiempo, el método de diferencias

finitas y elementos finitos, que nos permiten teóricamente pueden establecer

cualquier tipo de condiciones de frontera, cualquier forma y variaciones en las

propiedades térmicas de los alimentos.

En resumen el tiempo de congelación es de gran importancia para el diseño

del proceso. Este tiempo es un dato necesario para determinar la velocidad de

refrigeración y congelación requerida en relación con la capacidad del sistema de

producción de frio.

Siendo el interés de nuestro trabajo se exponen algunos de los factores más

representativos que influyen en la velocidad de congelación.

Diferencia de temperatura entre el medio de refrigerante y el producto

El diferencial de temperaturas es uno de los factores de mayor influencia en la

velocidad de congelación, ya que el tiempo y por consecuencia la velocidad de

congelación es inversamente proporcional a la diferencia de temperatura existente

entre el producto a congelar y el medio refrigerante.

En instalaciones frigoríficas con aplicaciones de congelación por corriente de aire,

este factor suele ser muy importante, ya que los coeficientes de transferencia de calor

son por lo regular bajos y sólo es posible acortar el tiempo de congelación reduciendo

la temperatura del medio de refrigerante. En contraste, en los sistemas de congelación

criogénica el tiempo de congelación es mucho menor comparado con los sistemas de

congelación por corriente de aire, ya que la diferencia de temperatura entre el medio

refrigerante y el alimento es significativamente mayor. (5)




Los sistemas de congelación criogénica se caracterizan porque en estos, el compuesto

criogénico cambia de estado por medio del contacto con el alimento, el cual

es congelado rápidamente debido al gran potencial originado a la diferencia de

temperaturas. Los compuestos criogénicos más comunes son el nitrógeno líquido y el

dióxido de carbono sólido o líquido.

En la tabla No.4 y No.5 se muestran las propiedades físicas y químicas del

Nitrógeno liquido (N2) y del dióxido de carbono (CO2), en donde destacan las bajas

temperaturas de evaporación (–195.8°C y –78.5°C respectivamente). (5)

Estas bajas temperaturas de evaporación permiten que una vez que el producto y el

medio de congelación entran en contacto, el medio cede al producto el calor latente

de vaporización en el caso del nitrógeno liquido o sublimación para el dióxido de

carbono; este fenómeno está determinado por el gradiente de temperaturas, de tal

manera que la velocidad de congelación aumenta al tener mayores diferenciales de

temperaturas entre el medio y el producto.

Este efecto puede observarse haciendo referencia al siguiente ejemplo, donde rodajas

de kiwi a 18°C fueron sometidas a diferentes métodos de congelación: cámara de

congelación por aire (CC), con nitrógeno líquido (N2) y con dióxido de carbono

(CO2). En el caso de la cámara de congelación por aire, el aire se encontraba a

una temperatura de –25°C, obteniendo un diferencial de 43°C. Para el caso de

congelación con nitrógeno liquido se utilizó un gabinete donde se introducía

nitrógeno liquido rociado en diminutas gotas que al contacto con el aire dentro del

gabinete se evaporaba disminuyendo la temperatura del mismo hasta obtener –70°C,

una vez alcanzada esta temperatura, el alimento era puesto en contacto con el vapor

de nitrógeno liquido, para este escenario se obtuvo un diferencial de temperaturas de

88°C. Finalmente en el caso de la congelación con CO2, se congelaron las rodajas de

kiwi por medio de dos placas de CO2 (una superior y una inferior), de manera que la

congelación se produjo por contacto directo, el diferencial obtenido fue 96.5°C. (5)




De acuerdo a lo descrito anteriormente, los gradientes de temperatura empleados en

función al método de congelación son los mostrados en la tabla No. 6.

Es importante mencionar las diferencias estadísticamente comprobadas que se

presentan en los tiempos y velocidades de congelación, mostrados en la tabla

No. 7, en donde queda demostrada plenamente la influencia de la diferencia de

temperaturas.

Como podemos observar en la figura 9, se aprecia gráficamente la contribución del

diferencial de temperaturas los tiempos de congelación experimentalmente obtenidos,

siendo el tiempo de congelación por el método de aire fue 50 veces mayor que los

obtenidos con refrigerantes criogénicos.

Aunque en los métodos de congelación por aire no es posible libremente reducir la

temperatura del medio refrigerante, es fundamental diseñar el sistema para obtener la

temperatura más baja que nos permita económicamente el balance entre tamaño del

equipo y consumo de energía.

Espesor del Producto

El espesor de un alimento juega un papel importante en el proceso de congelación

que sufre el mismo, como se ha mencionado anteriormente, ya que la transferencia

de calor que se manifiesta en el interior del producto a congelar, (siendo este un

medio solido) se lleva a cabo por conducción, en donde el flujo de calor es debido a

la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre

ellas, de tal manera que las moléculas y los electrones libres de la fracción de un

sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras

regiones del mismo sistema. Las moléculas con una velocidad más alta chocan con

las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con

menos energía en las regiones más frías del sistema. Aunado a esto, la resistencia al




flujo de calor se incrementa al aumentar el frente frío debido a que el hielo funciona

como un aislante térmico, lo que se convierte en una barrera para la transferencia

de calor en el proceso de congelación, por lo que la temperatura del centro térmico

desciende con mayor lentitud. Por lo tanto al aumentar el espesor, la resistencia

al flujo de calor aumenta en forma directamente proporcional, incrementando los

tiempos de congelación, y por consiguiente la velocidad de congelación. (16,19).

La influencia de este factor también se muestra en la figura No. 9 donde observa

como indistintamente del método utilizado para llevar a cabo el proceso de

congelación, los productos con un espesor mayor (1.2 cm) obtienen velocidades de

congelación menores que aquellos productos con menor espesor (0.8 cm). (5)

La media de la velocidad de congelación obtenida con el espesor de rodaja de 0.8

cm fue 52.81% mayor que la correspondiente al espesor de 1.2 cm, en donde queda

explicado explícitamente la importancia de esta variable.

Por otro lado, en otro trabajo de investigación experimental en donde se realizaron

pruebas a una pieza de carne en forma esférica, se determinaron las temperaturas de

diferentes capas o espesores en el alimento, de tal manera que la primer capa T1 es

la capa exterior y la capa T10 es el centro térmico de la pieza de carne, tal como se

muestra en la figura No. 10. (12)

De lo anterior se obtuvo el perfil de temperaturas de cada una de las capas (ver figura

No.11) donde se muestran los isotermas de la pieza de carne en las diferentes capas

de espesor.

Este tipo de información puede ser muy útil para ser consideradas en el diseño de

los procesos de congelación, de manera que, si el propósito es proveer estabilidad en

el manejo y almacenamiento del producto, la curva T1 muestra que la capa exterior

está totalmente congelada en un tiempo de 30 minutos. Mientras que para lograr la

congelación total de producto en el centro térmico se ocupa un periodo de tiempo de




50 min. Esto significa que bastaría obtener una temperatura de –22.2°C en la mayoría

de las capas para que el centro térmico obtenga la temperatura de –17.8°C, valor en

donde podemos asumir que 100% del agua libre ha sido congelada, condición en la

cual el producto puede ser cambiado a un almacén de producto congelado. (12)

Desafortunadamente en la práctica diaria no existe un monitoreo ni correlación que

nos permita conocer con veracidad en que tiempo se obtuvo la temperatura objetivo

en el centro térmico por lo que la manipulación entre sistema de congelación y el

almacén de producto congelado queda fuera de control.

Desde el punto de vista de la geometría del producto el tiempo de congelación en

un cilindro o una esfera de diámetro “d” es dos o tres veces más rápida que en una

placa de espesor l=d, así mismo, aumentando el espesor de una placa o el diámetro

de un cilindro o esfera, disminuye la velocidad de congelación por que el tiempo de

congelación se prolonga. (12)

Contacto entre el Medio de Enfriamiento y el Producto

La industria alimentaria aplica para la conservación de sus productos diferentes

equipos que pueden estar basados en diferentes sistemas tecnológicos básicos que

se distinguen de acuerdo al contacto que se logra entre el medio de enfriamiento

y el producto para conseguir la transferencia de calor; entre estas tecnologías se

encuentran los congeladores por aire, por contacto directo con un medio solido

enfriado y por inmersión directa en fluidos frigorígenos o criogénicos.

En cada una de estas diferentes tecnologías el contacto que se logra entre el medio

de enfriamiento y el producto varia, por ejemplo en el caso de la tecnología basada

en la congelación por aire, como pueden ser túneles de congelación, bandas

transportadoras, lechos fluidizados, aunque suelen ser los equipos más universales

no siempre significan la mejor solución para algunos alimentos, generalmente




son usados cuando el producto es de tamaño pequeño donde corrientes de aire

a bajas temperaturas y altas velocidades entran en contacto con el producto. La

combinación de aire a bajas temperaturas, elevados coeficientes de transmisión de

calor por convección (alta velocidad del aire), el tamaño pequeño del producto y una

geometría apropiada permiten obtener altas velocidad de congelación. Congelación

tipo IQF. (17)

La transferencia de calor por convección con aire representa un impedimento para

que se logre un contacto intimo total entre el medio de enfriamiento y el producto,

debido a que las corrientes del medio de enfriamiento no siempre llegan a cubrir la

totalidad de la superficie del producto originado por la obstaculización al paso de

corrientes de aire, razón por la cual el patrón de estibamiento en el acomodo de los

alimentos al ser sometidos a esta técnica de congelación debe ser cuidadosamente

analizado y seleccionado en función al método de congelación utilizado. (20)

Regresando a los trabajos experimentales de la congelación de rodajas de kiwi en

cámara de congelación y por contacto con vapor frío de nitrógeno, en donde en

ambas técnicas el principal mecanismo de transferencia de calor es la convección,

podemos mencionar que la literatura reporta valores significativamente diferentes,

mientras que para la congelación en cámara sin aire en movimiento se reporta un

valor de 6 W/m2K, para la congelación por nitrógeno gaseoso, el valor del coeficiente

de convección se encuentra entre 1200 y 2400 W/m2K, razón por la cual en la figura

9 se muestra que los tiempos con vapor de nitrógeno son, por mucho, mayores

que los obtenidos con aire a pesar que ambas técnicas utilizan como mecanismo

de transferencia de calor principal la convección. Esto nos permite sugerir que

en sistemas en congelación por lotes debemos buscar que el aire tenga el mayor

contacto posible con el producto, evento que muchas veces no se logra. (5)

En el caso de los sistemas de congelación por contacto directo con un medio solido,

donde el mecanismo de transferencia de calor se lleva a cabo por conducción, la

eficiencia del congelador dependerá de la cantidad de superficie de contacto, por lo




cual la forma del alimento a congelar es de suma importancia para maximizar el área

expuesta al el medio refrigerante. Típicamente los tiempos de congelación se reducen

en relación a las velocidades de congelación obtenidos por tecnología por aire.

Los equipos existentes a nivel industrial como los son los congeladores de placas

utilizan el mecanismo de transferencia de calor por conducción; estos equipos

son usados para alimentos con geometrías definidas, regulares y homogéneos en

cada uno de los elementos a congelar. Una de las principales ventajas que tiene

esta tecnología es que se logra un contacto máximo entre el producto y el medio

refrigerante, obteniendo tiempos de congelación más bajos en comparación con los

equipos de congelación por aire como puede observarse en la tabla No.9. (18)

Lo anterior puede comprobarse haciendo referencia a la tabla No. 9, donde se

muestra los tiempos requeridos para retirar el calor sensible (por arriba y por abajo

del punto inicial de congelación) y del calor latente para llevar a cabo la congelación

de pallets de carne, tanto en congelación por aire como en un congelador de placas,

es decir, el sistema de transferencia de calor utilizado fue convección y conducción

respectivamente. Ambos medios de enfriamiento se consideraron a una temperatura

de –31°F. Se observa que los tiempos de congelación resultantes al utilizar un sistema

de enfriamiento por convección (aire) es de 33 horas, mientras que en un sistema

de transferencia de calor por conducción el tiempo se reduce drásticamente hasta un

lapso de 11 horas.

La tecnología más rápido de congelación de alimentos consiste en sumergirlos

directamente en una sustancia liquida criogénica, por que los líquidos el coeficiente

convectivo es mucho más alto que el del aire. Lo anterior representa ciertas ventajas:

como ofrecer un contacto más íntimo entre el producto y el medio refrigerante,

siempre y cuando se trate de congelación en forma individual, cuando el producto es

empacado y estibado nos obliga a utilizar otros métodos de congelación. (17)




De acuerdo a lo anterior y considerando los resultados experimentales de la

congelación de kiwi, podemos mencionar con respecto a las técnicas de congelación

utilizadas que: la media de la velocidad de congelación resultante con el contacto con

CO2 sólido es 68.25% y 9252.55% mayor que las obtenidas con vapor de N2 y aire,

respectivamente; resultados que se fundamentan principalmente por la diferencia de

temperaturas y por el mecanismo de transferencia de calor. (5)

Velocidad del Aire

Un parámetro importante en la congelación de alimentos es la distribución y

velocidad del aire en relación a la uniformidad del la trayectoria del flujo de aire. El

control del flujo de aire es un parámetro crítico para cualquier instalación frigorífica

que emplee aire como medio de congelación.

Debido a la fuerte variabilidad del flujo de aire en el espacio y el tiempo, esta medida

es considerada un desafío, el cual a menudo arrojan resultados poco confiables y que

posteriormente son usados en la determinación de cálculos de transferencia de calor

y momentum. Mirade y Daudin han descrito algunas de las dificultades relacionadas

a con las mediciones de la velocidad del aire, el cual incluye un flujo de aire inestable

y una dirección del flujo de aire que está fuertemente influenciada por la presencia

de objetos lo cual hace más difícil la evaluación de la velocidad del aire. (11)

En la congelación de alimentos, el perfil de velocidades de aire determina la

eficiencia y la homogeneidad del proceso. Usualmente en los equipos procesadores

de alimentos, el flujo de aire es turbulento y transitorio, como es el caso de los

sistemas de congelación por aire forzado la velocidad de congelación depende

principalmente de la velocidad del aire en movimiento, ya que si el aire fluye

rápidamente permite una remoción de calor 10 veces mayor por unidad de tiempo

y de área que la transferencia de calor por convección natural. Las temperaturas del

aire generalmente usadas van -10 a – 40 °C y velocidades de entre 0.5 y 18 m/s, es




por esto que es un método con el que se puede practicar una correcta congelación

rápida, ya que mientras mayor sea el grado de turbulencia del aire en movimiento,

mayor será el coeficiente de transmisión de calor entre este y el cuerpo solido y por

lo tanto aumenta la velocidad de congelación. (11)

La tabla No. 8 da soporte experimental a la importancia de este parámetro sobre

los tiempos de congelación obtenidos, y como resultado, sobre la velocidad de

congelación. Se congelaron piezas de carne contenidas en cajas con diferentes

patrones de estibamiento. El proceso de congelación se llevo a cabo con diferentes

velocidades de aire que van desde 1 pie/seg hasta 20 pie/seg, manteniendo constante

la temperatura del mismo (–10°F). (18)

Es importante resaltar que altas diferencias en los coeficientes de transferencia de

calor son debidos principalmente a las diferencias en la velocidad de aire, debido a

que el flujo de transferencia de calor por convección es mayor a una velocidad de 20

pie/seg que a una velocidad de 1pie/seg, donde el movimiento convectivo de aire es

mucho menor. (20,18)

Debido a lo anterior, tomando como referencia la congelación de cajas individuales

(4" altura X 8" ancho X 10" largo), las temperaturas superficiales obtenidas a cada

velocidad de congelación en la congelación de cajas individuales son de 4.5°F

para velocidades de congelación para un sistema de congelación con aire cuasi-

estático (1 pie/seg), lo cual indica coeficientes convectivos bajos, con los cuales se

logran tiempos de congelación altos (15.4 horas), mientras que para velocidades

mayores (20 pie/seg) se lograron temperaturas superficiales de –0.4°F, indicando

coeficientes convectivos mayores y por lo tanto tiempos más bajos (6.08 horas) y, por

consiguiente, obtener velocidades de congelación menores. (18)




Referencias.

1. Zarate Moro, Meadly Karina. “Análisis de comportamiento térmico (congelación

descongelación) de masa de maíz”. Universidad Simón Bolívar. 1998.

2. Estrada Corella, Iris Nadia. “Evaluación de los efectos de congelación sobre

la calidad sensorial y física de un producto de pastelería”. Universidad Simón

Bolívar. 1998.

3. Meléndez Perez, Rosalía. “Efecto de la congelación sobre el comportamiento

térmico de la carne de cerdo evaluado por MASC”. Facultad de Estudios

Superiores Cuautitlán UNAM. 2002.

4. Fernández Silva, Ana Elisa. “Evaluación de los cambios físicos de carne de

bovino congelada-descongelada y almacenada en refrigeración”. Facultad de

estudios Superiores Cuatlitlán. 2007.

5. Magaña Madiedo, Lyssette. “Efecto de los procesos de congelación-

descongelación sobre rodajas de kiwi”. Facultad de Estudios Superiores

Cuatlitlán UNAM. 2010.

6. Pearson, Andy. “Calculating Freezing Times in blast and Plate Freezers”.

International Institute Ammonia Refrigeration ( IIAR ). Annual Meeting March

22-25, 2009

7. R. Masson, John. “Termal Análysis of Food Freezing Processes Using variable

properties and numerical Techniques”. International Institute Ammonia

Refrigeraration ( IIAR ). Annual Meeting March 18-21, 2007.

8. Visser, Klaas. “The Real costs of Product Freezing by Various Methods”.

International Institute Ammonia Refrigeraration ( IIAR). Annual Meeting

March 19-22, 2009.

9. R. Becker, Bryan, et al. “Food Freezing Times and heat Transfer Coefficients”.

International Institute Ammonia Refrigeraration ( IIAR ). Annual Meeting

March 22-25, 2009.




10. Bing Li, Da-Wen Sun. “Novel methods for rapid freezing and thawing of foods

– a review”. Journal of Food Engineering No 54. 2002.

11. Reno, M.J., et al. "Heat transfer and energy consumption in the freezing of

guava pulp in large containers”. Applied Thermal Engineering No 31.

12. Masson, John R. “Thermal Analysis of Food Freezing Processes Using Variable

Properties and Numerical Techniques”. International Institute Ammonia

Refrigeraration (IIAR). Annual Meeting March 18-21, 2007.

13. Pearson, Andy. “Calculating Freezing Times in Blast and Plate Freezers”.

International Institute Ammonia Refrigeraration (IIAR). Annual Meeting March

22-25, 2009.

14. Estrada-Flores, Silvia. “Novel Cryogenic Technologies for the Freezing of Food

Products”.

15. http://www.fao.org/wairdocs/tan/x5936e/x5936e01.htm

16. Nahle, Nasif. 2006. “Transferencia de Calor. Biology Cabinet”. Revisado el 28

de Noviembre de 2010 de http:www.biocab.org/Transferencia_Calor.html.

17. Bello Gutiérrez, José. “Ciencia Bromatológica. Principios Generales de los

Alimentos”. Ediciones Díaz De Santos. S.A. España. 2000.

18. Gameiro, Walter. “Cooling and Freezing of RTE Foods”. American Meat

Institute Foundation. 2003.

19. Incropera, Frank, et al. “Fundamento de Transferencia de Calor”. Editorial:

PEARSON. 1999.

20. Castellanos Novoa, Luz, et al. “Efecto de la congelación en la calidad de un

producto de Panificacion”. Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán UNAM.

1994.

21. Norman, Potter, et al. “Food science”. 5° edición. Aspen Publishers. 1998.




Figura 1. Esquema representativo de la nucleación.

23

FIGURAS

Figura No.1.Esquema representativo de la nucleación.




Figura 2. Clasificación método de congelación por funcionamiento

24

FIGURA N°2. Clasificación método de congelación por funcionamiento

METODOS DE CONGELACION

CIRCULACION NATURAL A CHORRO DE AIRE CON AIRE EN TUNEL DE LECHO FLUIDIZADO CIRCULACION FORZADA CON BANDA EN ESPIRAL EN CAMARA

ALCOHOLES INMERSION CON LIQUIDOS INCONGELABLES SALMUERA ASPERSION GLICOLES POR CONTACTO PLACAS VERTICALES CON PLACA FRIA PLACAS HORIZONTALES

ASPERCION TUNEL BANDA EN ESPIRAL DIOXIDO DE CARBON LIQUIDO (NIEVE CARBONICA) TUNEL DE BANDA HORIZONTAL

DIOXIDO DE CARBON SOLIDÓ POR CONTACTO CON LIQUIDOS CRIOGENICOS TUNEL DE BANDA HORIZONTAL ASPERCION TUNEL DE BANDA ESPIRAL CONGELACION DE GABINETE NITROGENO LIQUIDO TUNEL DE INMERSION INMERSION TANQUE DE INMERSION




Figura 3. Curva de congelación

Figura 4. Curva de congelación variación meseta

25

Figura No. 3. Curva de congelación

Figura No. 4. Curva de congelación variación meseta

25

Figura No. 3. Curva de congelación

Figura No. 4. Curva de congelación variación meseta




Figura 5. Tiempo crítico para pasar la etapa de calor latente

Figura 6. Producto congelado a diferentes velocidades.

26

Figura No.5. Tiempo crítico para pasar la etapa de calor latente

Figura No.6. Producto congelado a diferentes velocidades.

26

Figura No.5. Tiempo crítico para pasar la etapa de calor latente

Figura No.6. Producto congelado a diferentes velocidades.



La velocidad de congelación y su impacto en la calidad de alimentos expuestos a este proceso. Un criterio clave en la defi nición del sistema de producción de frío.

Figura 7. Esquema general de tamaño de cristales.

Figura 8. Ejemplo de congelación intra y extracelular

34

F igura No.7. Esquema genera l de tamaño de cr ista les.

F igura No.8. Ejemplo de conge lac ión intra y extracelu lar

Figura No.7. Esquema general de tamaño de cristales.

Figura No.8. Ejemplo de congelación intra y extracelular




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Figura 10. Modelo de temperaturas en diferentes zonas en una esfera de carne.




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Figura No. 11. Curva de temperatura contra tiempo en congelación de trozoa de carne en esferas.




Tabla 1. Velocidades de congelación.

31

TABLAS

Tabla No.1.Velocidades de congelación.

VELOCIDAD (cm/h)

VELOCIDAD DE DESCENSO

DE TEMPERATURA (°C/MINUTOS)

TIPO DE CONGELACIÓN

Menor de 0.1 De 0.1 a 0.5 De 0.5 a 5.0

Mas de 5

Menor de 2 10 - 100

100 - 1000

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Congelación lenta Congelación rápida

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Tabla 3. Métodos de congelación: velocidades y tiempos de congelación (Camacho, 2005).

Tabla 4. Propiedades del dióxido de carbono (Madrid, 1991).

33

Tabla No.3. Métodos de congelación: velocidades y tiempos de congelación (Camacho, 2005).

Método de congelación

Velocidad del frente del hielo

Velocidad de congelación

Tiempo de congelación

Muy lenta < 0.1 cm/h 1-2°F/h >24 h Lenta 0.1 a 0.5 cm/h 2-20°F/h 3-72 h

Rápida 0.5 a 5 cm/h 1-100°F/min < 30 min Ultrarrápida >5 cm/h 9-180°F/s En el orden de

segundos Tabla No.4. Propiedades del dióxido de carbono (Madrid, 1991).

Símbolo químico CO2 Peso molecular 44.01

Temperatura crítica 31°C Temperatura de ebullición a 1kg/cm2 -78.5°C Densidad en estado líquido (a 1 atm y

-79.8°C) 1.562 kg/m3

Densidad de gas (a 1 atm) 2.814 kg/m3 Calor latente de vaporización 136.7 kcal/kg

Punto triple -56.57°C, 5.185 Bar Tabla No.5. Propiedades del nitrógeno (Madrid, 1991).

Símbolo químico N2 Peso molecular 28.0134

Volumen de expansión (líquido-gas) 696.5 Temperatura de ebullición a 1kg/cm2 -195.8°C

Densidad en estado líquido 808.60 kg/m3 Calor latente de vaporización 47.74 kcal/kg

Punto triple -210°C, 0.1253 Bar Tabla No.6. Diferencial de temperaturas con diferentes técnicas de congelación.

TECNICA DE CONGELACION

TEMPERATURA DEL PRODUCTO

TEMPERATURA DEL MEDIO

DIFERENCIAL DE TEMPERATURAS

Cámara de congelación

18°C -25°C 43°C

N2 18°C -70°C 88°C CO2 18°C -78.5°C 96.5°C

33











-79.8°C) 1.562 kg/m3












18°C -25°C 43°C

N2 18°C -70°C 88°C CO2 18°C -78.5°C 96.5°C




Tabla 5. Propiedades del nitrógeno (Madrid, 1991).

Tabla 6. Diferencial de temperaturas con diferentes técnicas de congelación.

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-79.8°C) 1.562 kg/m3












18°C -25°C 43°C

N2 18°C -70°C 88°C CO2 18°C -78.5°C 96.5°C

33











-79.8°C) 1.562 kg/m3












18°C -25°C 43°C

N2 18°C -70°C 88°C CO2 18°C -78.5°C 96.5°C




Tabla 7. Tiempos y velocidades de congelación de cada uno de los espesores de rodajas de kiwi y métodos de congelación utilizados.

CC: Cámara de congelación

* Tiempo de congelación desde el PIC (–1.5ºC) hasta la temperatura deseada (–18ºC).

34

Tabla No.7. Tiempos y velocidades de congelación de cada uno de los espesores de rodajas de kiwi y métodos de congelación utilizados.

Método Espesor (cm)

Tiempo de congelación*

(min)


(°F/min) CC 0.8 96.733 0.307 CC 1.2 128.666 0.230 N2 0.8 1.333 22.280 N2 1.2 3.900 7.615

CO2 0.8 1.133 26.213 CO2 1.2 1.233 24.087

CC: Cámara de congelación * Tiempo de congelación desde el PIC (-1.5ºC) hasta la temperatura deseada (-18ºC). Tabla No.8. Velocidades del aire y patrones de estibamiento en la congelación de carne.

FISICAMENTE POSIBLE

Aire Vel. °F fps

1 caja 12 cajas 4 x 8 x 10" 12 x 16 x 20"

1 Pallet= 428 cajas 68 x 42 x 48" No Spacers 1 Spacer/box

Congelador regular

Temperatura superficial ˉ10 1

15.4 h 62.9 h . 2.6 día 4.° F 2.5 °F

484 h 52 h 20.2 día 2.2 día -0.3 °F 5.1 °F

Congelador Regular + Fan BOOSTER

Temperatura superficial

ˉ10 10

12.4 H 34.5 h . 4 día 3.6 °F -25 °F

305 h 18.6 h 12.75 día -5.4 °F 4.0 °F



ˉ10 20

6.08 h 30 h . 1.25 día -0.4 °F -4.1°F

279 h 14.09 h 11.6 día -6.5 °F 2.9 °F

Tunel de congelación tipo “Ready To Eat”


ˉ40 20

3.5 h 18.15 h -15 °F -25.7 °F

167 h 7.3 h 6.9 día -31.5 °F -4.1 °F




Tabla 8. Velocidades del aire y patrones de estibamiento en la congelación de carne.

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Tabla No.7. Tiempos y velocidades de congelación de cada uno de los espesores de rodajas de kiwi y métodos de congelación utilizados.

Método Espesor (cm)

Tiempo de congelación*

(min)


(°F/min) CC 0.8 96.733 0.307 CC 1.2 128.666 0.230 N2 0.8 1.333 22.280 N2 1.2 3.900 7.615

CO2 0.8 1.133 26.213 CO2 1.2 1.233 24.087

CC: Cámara de congelación * Tiempo de congelación desde el PIC (-1.5ºC) hasta la temperatura deseada (-18ºC). Tabla No.8. Velocidades del aire y patrones de estibamiento en la congelación de carne.

FISICAMENTE POSIBLE

Aire Vel. °F fps

1 caja 12 cajas 4 x 8 x 10" 12 x 16 x 20"

1 Pallet= 428 cajas 68 x 42 x 48" No Spacers 1 Spacer/box

Congelador regular

Temperatura superficial ˉ10 1

15.4 h 62.9 h . 2.6 día 4.° F 2.5 °F

484 h 52 h 20.2 día 2.2 día -0.3 °F 5.1 °F



ˉ10 10

12.4 H 34.5 h . 4 día 3.6 °F -25 °F

305 h 18.6 h 12.75 día -5.4 °F 4.0 °F



ˉ10 20

6.08 h 30 h . 1.25 día -0.4 °F -4.1°F

279 h 14.09 h 11.6 día -6.5 °F 2.9 °F

Tunel de congelación tipo “Ready To Eat”


ˉ40 20

3.5 h 18.15 h -15 °F -25.7 °F

167 h 7.3 h 6.9 día -31.5 °F -4.1 °F




Tabla 9. Cuadro comparativo. Tiempos de congelación por congelación de aire y por medio de placas.

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Tabla No.9. Cuadro comparativo. Tiempos de congelación por congelación de aire y por medio de placas.

Aire Placas Calor ˉ31 F ˉ31 F

7.02 min. 2.34 min. Sensible (> congelación ) 23.07 min. 7.69 min. Latente

2.91 min. 0.97 min. Sensible ( > congelación )

33.00 min. 11.0 min. Total


Notes:




33rd annual meeting international institute of ammonia...

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