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La Refrigeración: Operación unitaria donde la temperatura del producto se mantiene entre -2º y 10ºC. Reduce la velocidad de cambios bioquímicos y microbiológicos alargando la vida de productos alimenticios frescos y perecederos uan o se com na con e contro e a composición de la atmosfera de almacenamiento. Una disminución de la concentración de O2 y un incremento en la concentración de CO2 disminuye el crecimiento de insectos y microorganismos.
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La Refrigeración: Operación unitaria donde la temperatura del producto se mantiene entre -2º y 10ºC. Reduce la velocidad de cambios bioquímicos y microbiológicos alargando la vida de productos alimenticios frescos y perecederos uan o se com na con e contro e a composición de la atmosfera de almacenamiento. Una disminución de la concentración de O2 y un incremento en la concentración de CO2 disminuye el crecimiento de insectos y microorganismos.
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La refrigeración causa un cambio mínimo en las características sensoriales y propiedades nutricionales
: Preservación Control de Reacciones Químicas y Enzimáticas Facilidad de Formación de Emulsiones Cárnicas Reducción de los Cambios de Sabor
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Temperatura, ºC Tipo de Alimento -2 a +1 Filete de pescado, carnes, embutidos, pescados ahumados , , , yogur, ensaladas, pastas, pizza, masas masas para para panad panaderí ería a y pastif pastifici icio o 0 a +8 Pescado cocinado, carnes curadas cocinadas, mantequilla, margarina, quesos duros, frutas blandas. 4
•
Tipo de alimento
•
Intensidad de efecto destructivo del proceso sobre microorganismos
•
on c ones e
g ene uran e su e a orac n y
envasado •
Permeabilidad del envase
•
Temperatura
durante
su
almacenamiento
distribución 5
y
Sistemas Constan de 4 elementos principales: Evaporador, mecánicos compresor, válvula de expansión, condensador; y refrigerante, que circula a través de éstos; pasando de líquido a gas y viceversa. Las propiedades termodinámicas de refrigerantes individuales se representan en cartas de presión – .
Sistemas Un refrigerante cambia de fase criogénicos absorbiendo el calor latente del alimento con el que entra en contacto: anhídrido carbónico sólido o líquido, el CO2 extrae el calor latente de sublimación (352 KJ/Kg a 75ºC), el nitrógeno líquido . Extraen el calor latente de vaporización 6
Compresor Vapor
Vapor A
Evaporador
Aire Frio
B Condensador C
Aire Caliente
E
Líquido + vapor
Válvula de expansión
D
Líquido
Componentes de un Sistema de Refrigeración Mecánico de Etapa Simple 7
8
9
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Bajo punto de ebullición y elevado calor latente de vaporización Densidad de vapor elevada (permite reducir el tamaño del compresor ) Ba a toxicidad No inflamables Baja miscibilidad con el aceite en el compresor Bajo costo
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Refrigerante Pto. Ebullición ºC, Número Formula 100 kPa
Calor latente Toxicidad KJ/Kg
R-11
CCl3F
23,8
194,2
Baja
R-12
CCl2F2
-29,8
163,54
Baja
R-21
CCl2F
-44,5
254,2
Baja
R-22
CClF2
-40,8
220,94
Baja
R-717
NH3
-33,3
1328,48
Alta
R-744
CO2
-78,5
352
Baja
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Refrigerante Inflamabilidad Densidad Número Formula Kg/m3 R-11 R-12 R-21 R-22 R-717 R-744
CCl3F CCl2F2 CCl2F CClF2 NH3 CO2
Baja Baja Baja Baja Alta Baja
1,31 10,93 1,76 12,81 1,965 60,23
Solubilidad en aceite Completa Completa Completa Parcial <1% <1%
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Técnicas para Refrigerar de acuerdo al Alimento Alimentos Medio de enfriamiento agua, aire, Sólidos salmuera o superficie metálica. Enfriadores de aire usan aire forzado entre -10ºC y -12ºC, velocidad del aire 4 m/s. Diseño túneles estáticos y continuos Enfriamiento al vacío usando cámaras a , , evapora agua de la superficie, 1% de reducción de humedad disminuye la temperatura 5ºC. Usado en vegetales frescos, productos de panadería. Alimentos Uso de intercambiadores de calor de Líquidos placa, tubulares, superficie rascada. Jugos, leche, salsas 13
Producto 0 ºC 4,4 ºC Zanahoria 4.300 Apio 1.600 2.400 Cebolla 4.200 6.200 Naranja 400 – 1100 800-1600 Tomates 3100 1 BTU = 252 Cal = 1055 Joules
16 ºC 8.700 8.200 19.600 2800 – 5200 5.900
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Alimento Carne Pescado Aves Frutas Frutas secas Hortalizas Raíces Semillas secas
Duración Media de la Vida Útil 0 ºC 22 ºC 38 ºC 6 – 10 1 <1 2–7 1 <1 5 – 18 1 <1 2 – 180 1 – 20 1–7 1000 ó más 350 ó más 100 ó más 3 – 20 1–7 1–3 90 – 300 7 – 50 1 – 20 1000 ó más 350 ó más 100 ó más 15
El aire que circula dentro de la cámara, no debe ser ni demasiado húmedo ni demasiado seco A > humedad se condensa el H2O en la sup. del alimento Crecimiento de mohos A < humedad Deshidratación del alimento →
→
→
debe estar entre 80 y 90 % Los alimentos que pueden perder humedad se protegen con diferentes métodos de envasado ( Ceras para los quesos, plástico para carnes, Aceite mineral para los huevos)
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REFRIGERACIÓN COMERCIAL Y DOMÉSTICA
Las temp. De refrigeración comercial y doméstica estan entre los 4,5 ºC y los 7,2 ºC Por razones económicas, el transporte refrigerado se efectúa en un rango promedio para diferentes producto generalmente entre 1,6 y 7,2 ºC. REQUISITOS DE ALMACENAJE REFRIGERADO La circulación de aire Control de la humedad Modificación de la composición de la atmósfera CONTROL DE LA TEMPERATURA Los equipos no deben permitir fluctuaciones de la temperatura mayores a 1 ºc Para diseñar el espacio frigorífico, es necesario conocer:
La cantidad de luces y motores
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Requisitos de aislamiento Frecuencia de apertura de las puertas Clase y cantidad de alimentos que se almacenan La cantidad de calor que debe eliminarse de un alimento depende de su calor específico (Cp) Durante y después del enfriamiento, algunos alimentos continúan res irando eneran calor Tanto el Cp como la v, de respiración se necesitan para calcular la “carga de refrigeración” Carga de Refrigeración = Cantidad de calor que debe eliminarse del producto y de su área de almacenamiento para reducir la temp. inicial a la temp. final seleccionada y para mantenerla a partir de ese momento, durante un tiempo especificado 18
Diferencias entre Refrigeración y Congelación: Refrigeración Temp. Cristales
15 °C _ - 2 °C
Congelación - 17 °C y menores
No hay
Se forman
Se reduce significativamente Se mantiene
Se paraliza
Conservación
Dias a semanas
Meses a años
organismos
Psicrófilos crecen a 0°C
No hay crecimient o a Temp. < -9,5 °C
Metabolismo Vida
µ
Termina
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Intercambio de aromas y sabores Perdida de vit C Perdida de firmeza y textura de frutas y or a zas Cambios de color en carnes Oxidación de grasas Aceleración de la retrogradación Apelmazamiento de alimentos granulares
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EJERCICIO: En un frigorífico a -2ºC con un coeficiente de intercambio
calórico superficial de 16 W/m2 ºC se enfrían fresas recién recogidas, de 2 cm de diámetro, desde 18 a 7ºC . Seguidamente y antes de su procesado, se mantienen en un almacén frigorífico a -2ºC durante 12 h. El almacén que mide 3 metros de altura x10m x 10m contiene un promedio de 2,5 toneladas de producto. Las aredes el techo están aislados con una ca a de 300 mm de poliuretano y el suelo está constituido por 450 mm de hormigón. La temperatura ambiente es de 12ºC y la del suelo de 9ºC. En el trabaja, durante 45 min al día, transportando recipientes con producto, un operario que enciende 4 luces de 100 W . Cada recipiente pesa 50 kg . Calcúlese el tiempo necesario para la refrigeración de las fresas y determínese si una planta con potencia de 5 KW es suficiente 21
DATOS: Conductividad térmica de las fresas 0,127 W/m ºC Densidad de las fresas 1050 kg/ m3 Conductividad térmica del aislamiento 0,026 W/ m. ºC Conductividad térmica del hormigón 0,87 W/m ºC Calor específico de las fresas 3778 J/ kg ºC Calor específico de los envases 480 J/kg ºC Calor desarrollado por el operario 240 W Calor de respiración de las fresas 0, 275 kg/s
EL TIEMPO QUE LAS FRESA DEBEN MANTENERSE EN REFRIGERACIÓN: Bi =
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A partir de un diagrama para relación de temperatura de esferas
Para determinar si la planta de refrigeración resulta adecuada: Carga Calor calor calor pérdida Pérdida a Calórica = de + sensible + generado + calórica + través Total respiración envases luces/ operador techo/pa- suelo redes
Calor Resp = 2.500 x 0,275 = mx calor respiración=687,5 W Calor a eliminar envases: 2500/250 = 10 envases 23
=
Calor generado = Calor operario + potencia luces (tiempo operación) operario+luces tiempo seg/día
Calor generado por operario y luces = = (240 +4 x100) (45x60) / 24x3600 = 20 W Pérdida calórica por paredes y techo Área total = 60 + 60 + 100 = 220 m2 24
Pérdida calórica paredes/techos =
Pérdida calórica a través del suelo=
Carga calórica Total = 687,5W+ 61 W+20W+ 267W +2127W = = 3.162,5 W = 3,2 KW Luego una planta de 5 KW es suficiente
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26
Proceso de Congelación
Solutos concentra - dos
Cristales de hielo (agua pura )
0ºC
Si la temp. Es lo bastante baja Solutos altamente concentrados
<<< 0ºC
DATOS DE TIEMPO TEMPERATURA DURANTE LA CONGELACIÓN
AS: Sobrenfriamiento. Comienza nucleación. Agua líquida SB: Inicio cristales de hielo. Liberación calor latente de cristalización BC: Pto de congelación disminuye por incremento [ solutos] CD: Se alcanza la sobresaturación de 1 soluto. Se libera calor latente de cristalización . Temp eutéctica de ese soluto. DE: Cristalización de agua y solutos continúa EF: Continúa formación de hielo y concentración de soluto hasta que no congela más agua. Ta = Temp. de transición al edo. vítreo 28
ALIMENTO
CONTENIDO EN AGUA %
Verduras Frutas Carne
78-92 87-95 55-70 87 74
Leche Huevos
TEMPERATURA DE CONGELACIÓN ºC -0,8 a -2,8 -0,9 a -2,7 -1,7 a -2,2 - , - , -0,5 -0,5
CONTENIDO EN AGUA Y TEMPERATURAS DE CONGELACIÓN DE ALIMENTOS
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Destrucción de la textura por los cristales de hielo Daño al sabor Crecimiento de psicrófilos Mayor acción de las enzimas cuando hay H 2O libre. Hay acción de las enzimas, por tanto se debe escaldar antes de congelar Desnaturalización de proteínas por ↑ sales y minerales Precipitación de solutos fuera de solución, ej. Textura arenosa del helado Concentración de gases en la solución, ej. Gaseosas Deshidratación osmótica – Sinéresis del agua
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1. 2. 3.
Desestabilización de emulsiones y de las proteínas disueltas Retrogradación de los almidones a temperaturas por encima de -5ºC Aumento de la concentración de solutos provoca deshidratación En la congelación lenta, los cristales de hielo crecen en los espacios intracelulares deformando y rompiendo las paredes celulares La resistencia de microorganismos a bajas temperaturas es variada : Células vegetativas de levaduras , mohos y bacterias gram negativas (coliformes y salmonella) , resisten con dificultad Bacterias gram positivas (Staphilococcus y Enterococcus) y esporas de mohos son más resistentes. Bacterias (Bacillus y Clostridium) resisten perfectamente Pérdidas por cambios químicos y enzimáticos son lentas , pero se aceleran por aumento de la conc .de solutos , por reducción de la Aw y por cambios de pH
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Por debajo de esta temperatura esta congelada toda el agua congelable Hay entre un 2 y 10% de agua no congelable, especialmente agua fuertemente absorbida A – 60ºC, aumenta la resistencia eléctrica del alimento y se aproxima a la de los alimentos deshidratados. En la congelación lenta se originan cristales muy puros y por tanto en e qu o res ua ay una concen rac n en so u os mas e eva a que en la congelación rápida, lo que provoca la salida de agua de las células En gral. a > V de congelación → Mejor calidad del producto. Una v de cong. que permita el descenso de la Temp. de 1,3 cm/h es satisfactoria para la mayoría de los productos. Ej. Un bloque de alimento de 5 cm. de espesor que se congela exponiendo sus 2 superficies, tomará un tiempo de aprox. 2 horas 32
Considerando el costo de la operación, se recomiendan -18ºC o menos y mantenerla durante el almacenaje Microbiológicamente los patógenos no crecen bajo -3,3ºC y los alterantes no lo hacen bajo -9,5ºC Enzimaticamente, la T de -18ºC no es muy segura pues hay enzimas - º
Propiedades de los Alimentos Congelados
Densidad: La ρhielo < ρagua líquida; por ello los alimentos congelados so menos densos. K: K hielo ≈ 4K agua líquida ; así los alimentos congelados tienen una > K Cp: El Cp de alimentos congelados 20º debajo del punto inicial de congelación no difieren significativamente de la del producto sin congelar. 33
Diferencias entre Congelación lenta y rápida
Rápida
en a
> # de cristales de] tamaño diminuto
y cristales grandes
< Exposición a elevadas concentraciones de sales up ura por osmos s
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DESCONGELACIÓN
20 ) 10 C º (
a r 0 u t a r e -10 p m e T -20
C
B A 0
30
60
90
120
Tiempo (min) CAMBIOS DE TEMPERATURA DURANTE LA DESCONGELACIÓN*
AB: Incremento rápido de temperatura por ausencia de capa acuosa BC: Periodo largo de temperatura cerca de descongelación . Aumenta la capa acuosa >C : Incremento rápido de temperatura, pérdida de líquido intra y extra celular 35
Proceso de descongelación tiene una mayor duración que el proceso de congelación
La conductividad y difusividad térmica del agua es menor que en el hielo
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V de congelación Lenta Rápida Ultra rápida
V de descenso de Instalaciones la T <2ºC/min Congelador doméstico, aire inmovil, 18ºC 10-10ºC/min
Tunel de aire frío a -40ºC (Vaire=20km/h) 1000-10.000ºC/min Baño de isopentano líquido, N2 líquido
Aire congelante (Convección)
Aire estático: Temp. próximas a -18ºC Aire forzado: Temp. entre -30ºC y -45ºC y v de 10 -15 m/s. Provoca deshidratación “quemaduras por frío”. Se puede evitar empleando aire de elevada Hr Lecho fluidizado: Malla a traves de la cual circula aire > v de caida se produce fluidización 37
Punto de Congelación
Temperatura del alimento donde coexisten en equilibrio el agua y pequeños cristales de hielo. Nucleación para la formación de cristales de hielo
Nucleación
Homogénea, orientación al azar de moléculas de agua Heterogénea, formación del núcleo sobre partículas en suspensión o sobre la pared celular. Corriente en a alimentos Temp. a la que un cristal de un determinado soluto se halla en equilibrio con el l quido no congelado y el hielo (glucosa -5ºC, NaCl -21,13ºC)
Temperatura Eut ctica Temperatura Eutéctica Final
Temperatura eutéctica más baja de los solutos del alimento (carne -50 a -60ºC, pan -70ºC), máxima formación de cristales de hielo
Cambio de Volúmen
Durante la congelación de los alimentos se produce una dilatación. Varia con el contenido de agua y espacios intracelulares, la concentración de solutos, temp. de cámara de congelación 38
Sistemas de congelación mecánicos Un refrigerante es evaporado y comprimido en un circuito cerrado Congeladores criogénicos El refrigerante entra en contacto directo con el alimento Nitrógeno, CO2, Freón, (dicloro, difluoro metano)
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Contacto Indirecto (conducción)
Placa simple/doble (Sólidos)
Cinta transportadora (Sólidos)
Tubular de sup. Barrida: El producto no (Líquidos)
se congela totalmente, la pasta congelada se envasa y se congela con aire forzado Inmersión Directa V: rapidez, minimo contactoalimento/aire, max. contacto alimento/refrigerante D: Refrigerante debe carecer de sabor, olor/no tóxico
Liquidos criogénicos: Gases de bajo punto de ebullición licuados a presión (N2= Pto. de ebullición= -196ºC, CO2= Pto de ebullición= -79ºC Salmuera: NaCl, 21% P.E.= -21ºC puede dar exceso de sal y/o extraer el jugo Soluciones de azúcar 40
Congeladores de cajón: El producto se congela con
aire a -20 y -30 ºC. Velocidades de congelación baja (3-72 h). La circulación del aire se impulsa por
Túneles de Congelación: Usan aire a -30º y -40ºC,
velocidad del aire 1,5 – 6,0 m/s. Usan bandejas apiladas, cintas sinfín. Su capacidad de producción 200-1500 kg/h. 41
Congeladores en lecho fluidizado : Alimento en
capas de 2-13 cm sobre cinta sinfín perforada, es sometido a corrientes de aire perpendiculares a 25ºC y -35ºC a velocidad de 2-5 m/s. Circula aire a una velocidad apropiada para la fluidificación. Coeficientes de transmisión de calor alto, tiempos de congelación cortos, producción alta (10.000 kg/h) 42
Congeladores de placas : Placas huecas
dispuestas de forma horizontal y vertical por las que circula un refrigerante (-40ºC). De funcionamiento discontinuo o continuo. Alimento plano y de poco rosor se dispone entre las placas, mediante sistema hidráulico se aproximan. Capacidad 90-2700 kg/h Congeladores de Superficie Rascada : Para alimentos líquidos o semisólidos. Por su interior circula amoníaco, salmuera o un refrigerante. El alimenta se congela a -4 y -7ºC y se almacenan en congelación para su solidificación 43
EXPRESIONES UTILES PARA EL ANÁLISIS DE LA REFRIGERACIÓN Compresor: El trabajo suministrado al refrigerante durante la compresión se calcula a partir del incremento de entalpía y el caudal de refrigerante q w= m (H3 – H2) M: Caudal másico de refrigerante (Kg/s) H2 : Entalpía del refrigerante al principio de la compresión (kJ/kg) H3 : Entalpía del refrigerante a la sálida de la compresión (kJ/kg) qw : a po enc a sum n s ra a a re r geran e en e compresor w Condensador: El calor devuelto al ambiente en el condensador qc = m (H3 – H1) qc : Flujo de calor intercambiado en el condensador (kw) H1: Entalpía del refrigerante a la la salida del condensador (kJ/Kg)
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Evaporador: El refrigerante se evapora absorbiendo calor de los alrededores a presión constante qe = m (H2 – H1) qe : Flujo de calor intercambiando en el el evaporador (kw) (H2 – H1) : Efecto refrigerante oe c en e e ren m en o El coeficiente de rendimiento (CR) se define como el cociente entre el calor retirado por el refrigerante en el evaporador y la energía suministrada al compresor CR= (H2 – H1)/ (H3 – H2)
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