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DETERMINACION DE LA CURVA DE CONGELACION Y COEFICIENTE CONVECTIVO DEL LIMON (Citrus limonum R)
I.
OBJETIVOS
II.
Determinar la curva de congelación del limón en el programa Digital Multimeter. Calcular el coeficiente convectivo mediante el método analítico de Cleland.
INTRODUCCION
El principio de la conservación de los alimentos por el sistema de congelación se basa en el mismo principio que el de la refrigeración, la ventaja que presenta es que en cuanto más baja es la temperatura más se aleja de las condiciones ideales en las que pueden multiplicarse los microorganismos, por lo que el alimento se altera cada vez menos. La congelación consiste en la aplicación de temperaturas a los alimentos por debajo de cero grados centígrados, de forma que parte del agua del alimento se convierte en hielo. Al mismo tiempo, como el agua se solidifica, se produce una desecación del alimento, lo que contribuirá de forma significativa a una mejor conservación. Lógicamente, este efecto será más importante cuanto más baja sea la temperatura. La temperatura de elección a nivel internacional es de – 18º 18º C, ya que por debajo de ésta se estima que no es posible la proliferación de bacterias (significativamente), por lo que disminuye la posibilidad de alteración y se reducen los riesgos para la salud. Hay que destacar que, después de la refrigeración, la congelación es el tratamiento que menos modificaciones produce en los alimentos. De forma que después de la descongelación los alimentos son casi idénticos a los productos crudos empleados como materia prima. No toda el agua presente en el alimento puede separarse en forma de cristales como consecuencia de la congelación. En el alimento existe una fracción del agua no congelable a la que corresponde una actividad de agua muy baja (de hasta 0,3). Esta agua, la cual se encuentra fuertemente unida a las estructuras moleculares, es denominada agua ligada y representa entre el 5 y el 10% de la masa total de agua contenida en el alimento. El agua libre o no ligada, por su parte, representa la mayor parte del agua contenida en los alimentos. No obstante, esta agua no sale espontáneamente de los tejidos. Esta agua se encuentra en forma de geles tanto en el interior de la célula como en los espacios intercelulares, estando su retención influenciada por el pH y las fuerzas iónicas. Durante la 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. 1
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CURVA DE CONGELACIÓN EN ALIMENTOS:
El proceso de congelación en los alimentos es más complejo que la congelación del agua pura. Los alimentos al contener otros solutos disueltos además de agua, presentan un comportamiento ante la congelación similar al de las soluciones La evolución de la temperatura con el tiempo durante el proceso de congelación es denominada curva de congelación. La curva de congelación típica de una solución se muestra en la siguiente figura.
Esta curva posee las siguientes secciones:
AS: El alimento se enfría por debajo de su punto de congelación inferior a 0ºC. En el punto S, al que corresponde una temperatura inferior al punto de congelación, el agua permanece en estado líquido. Este subenfriamiento puede llegar a ser de hasta 10ºC por debajo del punto de congelación. SB: La temperatura aumenta rápidamente hasta alcanzar el punto de congelación, pues al formarse los cristales de hielo se libera el calor latente de con gelación a una velocidad superior a la que este se extrae del alimento. BC: El calor se elimina a la misma velocidad que en las fases anteriores, eliminándose el calor latente con la formación de hielo, permaneciendo la temperatura prácticamente constante. El Incremento de la concentración de solutos en la fracción de agua no congelada provoca el descenso del punto de congelación por lo que la temperatura disminuye ligeramente. En esta fase es en la que se forma la mayor parte del hielo. liberación del CD: Uno de os solutos alcanza la sobresaturación y cristaliza, la liberación latente correspondiente provoca el aumento de la temperatura hasta la temperatura eutéctica del soluto. cristalización del agua y los solutos continúa. DE: La cristalización
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EF: La temperatura de la mezcla de agua y hielo desciende. En realidad la curva de congelación de los alimentos resulta algo diferente a la de las soluciones simples, siendo esa diferenciación más marcada en la medida en que la velocidad a la que se produce la congelación es mayor.
III.
MATERIALES Y METODOS
El trabajo se realizó en el laboratorio y se utilizó un limón en buen estado fisicoquímico y organoléptico, la cual fue limpiado con agua potable. Se procedió a tomar su medida presentando 3.7 cm de diámetro; para luego introducir el sensor en el centro del alimento, luego colocamos el limón junto con el sensor en el interior de la refrigeradora a una cierta temperatura (-18 °C), donde se evaluó el tiempo de congelamiento y haciendo uso del programa Digital Multimeter. En el reporte deberá incluir las curvas de congelación, deberá deducir el punto de congelación inicial, diferenciar las fases de enfriamiento de la muestra, y cálculo del coeficiente convectivo h aciendo aci endo u so del m é todo tod o de Cl elan d hasta la temperatura final de 9.7 ºC; la cual se muestra a continuación.
Método de Cleland
a) Lámina infinita unidimensional.
t lá m ina
R H 1
H 2 NBiot 1 T 2 h T 1 2
Dónde:
R : dimensión característica. h: coeficiente de transferencia de calor por convección. ΔH1
: ρ Cu (Ti – T3).
Cu: calor específico del producto antes de congelar. Ti: temperatura inicial del producto. T3: 1.8 + 0.263Tf + 0.105 T∞. Tf : temperatura final del producto. T∞: temperatura del medio de congelación. ΔH2
Tf ) : ρ L + ρ (T3 – T 3
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:
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Calor especifico del producto congelado.
L: Calor latente de fusión del alimento
ΔT1:
ΔT2: T3 – T T∞
Las ecuaciones anteriores son validad dentro de los siguientes intervalos:
0.02< N Bi<11 Donde:
D: dimensión característica. K : conductividad térmica. b) Forma elipsoidal.
t elipsoide
t là m in a E
2 2 1 1 NBi NBi E 1 2 2 * 1 2 2 * 2 1 NBi 2 NBi
1
A
* R 2
2
V
4 3 * * R 3
1
R: distancia más corta del centro a la superficie. A: área de la menor sección transversal. V: volumen del objeto
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IV.
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RESULTADOS
Tabla 01. Datos correspondientes a las propiedades termofisicas de la naranja y temperaturas, tiempo y diámetro del limón. DATOS
878
ρ k
0.415 W/ m K
3.77 KJ/Kg °C 1.88KJ/Kg °C
L
2.88 KJ/Kg
Ti
23.1 °C
- 9.7 °C -18 °C
t
13230 s
d
0.037 m
Calculo del coeficiente convectivo del limón:
Como en práctica de laboratorio no pudimos sacar el porcentaje de humedad del limón por negligencia nuestra lo cual sería imposible hallar sus propiedades termo físicas del limón por cual para hallar este coeficiente convectivo utilizamos u tilizamos las propiedades termo físicas de la naranja ya que son muy mu y similares.
El procedimiento fue el siguiente utilizando los datos de la Tabla 01:
Por ser ser f or ma esfé r i ca enton ent onces ces::
Pero:
∞
°
5
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⁄ = 28.2295 °C
L uego hayamos según gún f ór mu mull a:
=
y
º
⁄ ⁄ ⁄
Calcul ando se según gún fórmu la:
y
ρ
⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
A h ora or a Calcul Cal cul aremos ar emos el coef coef i ciente ci ente convecti convecti vo median te el el mé mé todo de Cl el and: an d:
[ ]( )
Pero como com o el el n úmero mer o de biot bi ot es: es:
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Reempl Reempl azando azando en ecuación de Clelan d:
[ ]( ) [ ] ( ) ⁄ ⁄ ( )
⁄ ( ) ⁄ ( ) ⁄ ⁄ ⁄
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Mediante los datos de congelación del limón, obtenidos experimentalmente realizamos la construcción de la curva de la congelación de la temperatura en función al tiempo.
Curva de congelacion del limón 30 25 20 ) 15 C ° ( a r 10 u t a r e 5 p m e T 0
-5
0
10 0
20 0
300
40 0
5 00
60 0
70 0
80 0
90 0
-10 -15
Tiempo (horas)
Figura 01. Curva de congelación del limón limón obtenida, en el interior del producto mediante el programa digital multimeter V.
DISCUSIONES “El modelo de Cleland” Cleland” se puede utilizar Según Singh, (1998); nos manifiesta que “El para objetos de un determinado tamaño y de cualquier forma, mediante aproximaciones a la forma elipsoide. Entre las ventajas de este método se encuentran su facilidad de cálculo y los buenos valores que predice, ya que para los objetivos de esta práctica nos sirvió para calcular el coeficiente convectivo de transmisión de calor el cual fue 6.2834 W/ .
Según Tecvirtual, (2008); En la primera fase de congelación se elimina el calor sensible del producto y hay una mayor variación de temperatura. Los microorganismos y enzimas están totalmente activos. Esta fase es muy importante para la buena calidad del producto, por eso debe hacerse en muy corto tiempo el enfriamiento hasta temperaturas cercanas al punto de congelación. Puesto que podemos apreciarlo en la Figura 01 de la curva de congelación del limón en el interior del producto.
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Según Barreiro, (2000); existen varios métodos para describir las curvas de enfriamiento de los alimentos, entre los que se puede citar las reacciones de relación tiempo-temperatura; la velocidad de avance del denominado frente de congelación desde las zonas más frías a las más caliente durante la congelación. No todas las curvas de enfriamiento son iguales, dependiendo su forma de velocidad de remoción de calor, ya que en nuestra practica el método que utilizamos para determinar la curva de congelación del limón fue mediante programa Digital Multimeter.
Según Brennan et al, (1980); La formación de los primeros cristales de hielo, en la superficie del alimento sometido a congelación, puede utilizarse para señalar el inicio del “tiempo de congelación”, congelación”, mientras que en la practica el tiempo de inicio de congelación que fue determinada experimentalmente ósea haciendo uso del programa Digital Multimeter fue de 13230 segundos.
VI.
CONCLUISIONES Se logró determinar el coeficiente convectivo de trasmisión el cual fue 6.2834
y el cual nos permite hallar el número de biot ( ) que en este caso fue 0.2801 y está dentro del rango establecido (0.02< N Bi<11) para poder calcular el tiempo de congelación mediante la ecuación de Cleland.
W/
Los efectos que se producen durante la congelación son la cristalización de sales al descender la temperatura; aumento del volumen del agua al helase y paralización de las funciones fisiológicas
Se determinó experimentalmente la curva de congelación del limón el cual nos proporcionó su temperatura inicial; temperatura final de congelación del producto y su tiempo de congelación el cual fue 13230 segundos.
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VII.
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RECOMENDACIONES Es necesario conocer las propiedades físicas y químicas de los alimentos, para su congelación, debido a que no todos los alimentos son aptos para su congelación.
Es necesario calcular el porcentaje de humedad (%H) del alimento lo cual requiere tener su peso inicial y final para no tener inconvenientes en el cálculo sus propiedades termofisicas; lo cual fue en nuestro caso puesto que no calculamos el porcentaje de humedad por lo que nos vimos en la necesidad de trabajar con las propiedades termofisicas del limón ya que presenta propiedades similares.
VIII.
BIBLIOGRAFIA Singh, R. Heldman, D. (1998). Introducción a la ingeniería
de
alimentos.
Segunda edición. Editorial Acribia. Zaragoza- España.
Institutos Tecnológicos de la DGIT/DGEST (2008). Congelación. Disponible en: http://www.tecvirtual.com/ibq/alimentos/ing_alimentos/32congelacion.htm
Barreiro J., (2000). Operaciones de conservación de los alimentos por bajas temperaturas. Editorial equinoccio. Caracas-Venezuela. Pág. 11.
Brennan et. al, (1980). Operaciones de conservación de alimentos por bajas temperaturas. Ed. Mundi-Prensa, Madrid – Madrid – España. España.
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IX.
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ANEXOS Algunas imagenes obtenidas durante la practica de laboratorio:
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