PROPIEDADES TERMOFISICAS DEL PESCADO I. INTRODUCCION La energía juega un papel importantísimo en cualquier proceso de la industria de alimentos, tanto desde el punto de vista de costos como de la calidad del producto, su control y su evaluación es uno de los objetivos del equipo de producción. El ingeniero que diseña equipos y procesos encuentra los datos disponibles dispersos en la bibliografía bibliografía y tiene un acceso acceso restringido restringido a las correlaciones correlaciones que que le permiten permiten predecir el valor de estas propiedades; por ello en este trabajo se presentan las propiedades termofisicas, específicamente del pescado; que nos servirán mas adelante para diseñar equipos y procesos. Específicamente esto es muy importante para preservar los productos así como evitar que estos contengan elementos nocivos como el clostridium, que es un género de bacterias anaerobias que se suele encontrar en conservas mal procesadas; por lo que es import importante ante saber a qué temperaturas temperaturas principalmente principalmente esta bacter bacteria ia nociva es inactiva y no es un pel pelig igro ro par paraa la sa salu lud d de dell con consu sumi midor dor.. Por ello ello es nec neces esar ario io el es estu tudio dio de la temperatura y el tiempo de exposición en el proceso. Para conocer la temperatura y el tiempo tiempo,, nos debemos basar en la transferencia de calor (por conducción y/o por convección) de la conserva y para ello será necesario contar con los datos siguientes: el líquido de gobierno adicionado, la forma, la cantidad, el material (aleación) y por último, último, el tipo de músculo usado en la conserva conserva darán un tratamiento tratamiento particular particular a nuestro producto product o final.
II. OBJETIVO •
Conocer y describir las propiedades termofísicas del pescado
III. FUNDAMENTO TEÓRICO 1. ENTA ENTALP LPIA IA
DEFINICIÓN.- Es la cantidad de calor desarrollada por una reacción química a presión constante. Corresponde a la variación de la energía interna mas el trabajo (positivo o negativo), realizado por las fuerzas exteriores. (Alcazar, 2002)
H= U + PV •
Calentamiento sin cambio de fase a presión constante
ΔH = m Cp (T2 – T1 )
•
los proce proceso soss de Calenta Calentami miento ento con cambio cambio de fase a presión presión constan constante.te.- En los calentamiento/enfriamiento en los que hay transferencia de calor latente, este se añade o retira de un sistema mientras su temperatura permanece constante.
ΔH = m [Cp (T2 – T1 )+λ]
El calor latente (λ) de fusión del agua a 0 0C es 333.2 KJ/kg. A 100 0C el calor latente de vaporización del agua es 2257.06 KJ/kg. (Alcazar, 2002)
LA ENTALPIA EN EL PESCADO La medida más frecuente de la energía se hace a través del cambio de entalpia. Si para los alimentos estuvieran tabuladas las entalpias en función de la temperatura sería fácil el calculo porque bastaría leer los valores en las tablas y hacer la operación algebraica correspondiente para evaluar el calor transferido.
Q= (h2- h1) M La referencia elegida para evaluar las entalpias es -40 0C porque se ha encontrado que cantidades ínfimas de agua se congela bajo esta temperatura. (Castro,1986) Al respecto Valero (2010) afirma que el incremento de entalpia del pescado, en J/Kg, se calcula con la siguiente ecuación.
Donde: ΔH: es el incremento de entalpía del pescado, en J/Kg, Ce: es el calor específico del pescado fresco, en J/kg·K. T0: es la temperatura de entrada del pescado en el túnel, en K. Tic: es la temperatura de congelación del pescado, en K. Ce’: es el calor específico del pescado congelado, en J/kg·K. Tf : es la temperatura en el centro del producto al final de la congelación, en K. Lc: es el calor latente de congelación del pescado, expresado en J/kg.
Por otro lado; Riedel construyo graficas de entalpia en función del contenido de agua , donde se representan isotermas y el agua no congelada versus temperatura como sigue:
Figura: Diagrama entalpia contenido de agua para músculo magro de pescado de agua salada
Contenido de humedad (% en
FUENTE: Castro,1986
2. CO COND NDUC UCTIV TIVID IDAD AD TERM TERMIC ICA A
DEFINICION - La conductividad conductividad térmica térmica de un producto es una medida de la velocidad con la que el calor se transmite a través de un espesor unidad de ese material cuando existe un gradiente de temperatura unidad entre sus extremos. (Helmand D. 1998)
-Es la cantidad de calor en watts transmitida por conducción a través de 1m2 a un alimento homogéneo homogéneo para una diferencia diferencia de 1 grado kelvin entre las superficies superficies del alimento. Se mide 2 en w/m k. (Polley, 1980) CONDUCTIVIDAD TERMICA DE LOS ALIMENTOS.- La mayoría de los alimentos con alto contenido en humedad tiene una conductividad térmica cercana a la del agua. En la tabla 1 indica indica las conduct conductivid ividade adess térmica térmicas, s, obtenid obtenidas as experim experiment entalm almente ente.. Tambié También n pueden pueden utilizarse las siguientes ecuaciones obtenidas empíricamente por Sweat (1974, 1975):
Para Para carn carnes es a tempe tempera ratur turas as entre entre 0 y 60`C 60`C y conte contenid nido o de agua de 60-80 60-80% % humedad)
(en (en base base
Para Para condicio condicionars narsee estacio estacionari narias as de transmi transmisio sion n de calor, calor, la conduct conductivid ividad ad termic termicaa es definida.
q: calor transferido A: area normal al flujo de calor : diferencia de temperatura aplicadasa a cada extremo del solido. X: espesor del material sometido al flujo de calor.
TABLA Nº 1
CONDUCTIVIDAD TERMICA DEL PESCADO Producto
Humedad %
Temperatura
ºC
Bacalao** Bacalao filete* apretadamente embalado Ballena carne* Ballena, carne* (0,5% grasa) Pescado**, músculo Pescado**, promedio Pescado*, bacalao y merluza
83 .
.
Conductividad Térmica
Cal x Btu/h 103 pie 2 cm2seg ºF/pie C/cm
ºF
.
-19
37 .
2,8
0,314 .
70 -
18 -12
-
0,52 3,06
-
-
32-50 -
. 1,03 1,30 3,96 4,40 -
0,322 -
Pescado (bacalao y merluza) congelado
-
. 0 1 -10 -20 -
Filetes bacalao, envasado apretados (densidad aparente 62,4 lb/pie3) congelados Arenque, desviscerado envasado apretado (densidad aparente 56,8 lb/pie3)
-
-
-20 0 15 -3
-
-
-2
-
1,1 1,0 0,93 0,68
-
0,46
* Charm, Stanley Stanley E. "The Fundamental of Food Engineering". The Avi Publishing Company, Inc. Westpot, Connecticut 1963. **Heldman, Dennis R. "Food Process Engineering". Rep. Ed. Teh Avi Publishing Company, Inc. Westport, Connecticut 1976.
De estos valores se desprende que la conductividad térmica de las carnes congeladas es dependiente de la temperatura y al comparar con los el hielo a la misma temperatura se
demuestra que la conductividad de la carne es más baja que la del hielo y para ambos productos productos la conductividad conductividad disminuyo disminuyo al aumentar aumentar la la temperatura. temperatura. La conductividad varia linealmente con la temperatura para ambos productos entre -23ºC y -7ºC entre -7ºC y -0ºC el cambio en la conductividad es brusco.
3. CALO CALOR R ESPE ESPECI CIFI FICO CO DEFINICION.- La cantidad de calor, medida en Joule, necesaria para elevar la temperatura, medida en 0K, de un kilogramo de un alimento dado en un grado kelvin. Se mide en J/Kg0K. (Castro, 1986) Se puede usar el calor específico para evaluar las entalpias a temperaturas superiores sobre la de congelación. Riedel midió el calor especifico especifico de carne de vacuno, ternera, venado, merluza, bacalao y perca; todas todas las carnes tenían tenían un contenido contenido de agua que varia varia entre entre 26 y 100% 100% La correlación encontrada es valida para contenido de agua superior a 26%:
= 0.40 +0.006 (% contenido de agua) (Btu/lb 0F) -Contenido de agua expresada como porcentaje en peso. También se puede aplicar a carne fresca y se ha aplicado a jugos de frutas que tienen mas de 50% de humedad. (Castro, 1986)
Contenido de agua %.- Es la masa de agua encontrada en el alimento dividida por la masa total y expresada como porcentaje.
Punto de congelación promedio.- La temperatura en grados centígrados a la cual esta en equilibrio el liquido y el sólido del alimento a una presión dada, generalmente la atmosférica. Específicamente para pescado se tiene:
Para productos de pescado en proceso, para fabricar harina de pescado, se tiene:
Y es válida para contenido de agua superiores al 50 % en función del contenido de agua y del porcentaje porcentaje de agua que no es sólida. (Castr (Castro, o, 1986)
TABLA: calor especifico de los pescados (Castro,1986)
4.
DIFUSIVIDAD TERMICA DEFINICION Es cuando se combinan la densidad, la conductividad termica y el calor específico aparente de un producto congelado para calcular su difusividad térmica (Helmand D. 1998) En casos de transmisión de calor en estado transiente, la difusividad térmica es una propiedad propiedad térmica es una propiedad térmica térmica en una propiedad térmica térmica importante, importante, que queda definida por:
Donde: K: Conductividad térmica : Densidad C p.: Calor especifico.
La aplicación de la formula anterior es para hallar generalmente la difusividad térmica de líquidos. Para hallar la difusividad térmica de la carne en general (incluido carne o filetes de pescado), pescado), se muestra muestra a continuaci continuación: ón:
Para la carne (Rizvi y otros) estudiaron modelos análogos en forma experimental y se presentan presentan tres correlaciones correlaciones para predecir predecir el valor de la difusividad difusividad según los rangos de temperaturas considerados: α=0,0318+0,074 W/100 para 71,1ºC a 82,2ºC
α=0,0394+0,063 W/100 para 93,3ºC
α=0,0123+0,095 W/100 para 104,41ºC a 115,6ºC
Dónde:
W: contenido de agua (%).
APLICACIÓN DE LAS PROPIEDADES TERMOFISICAS DEL PESCADO Según Valero, 2010
Ejemplo: Cálculo del tiempo mínimo de congelación del pescado en un túnel o cámara de congelación. •
Propiedades del pescado fresco sin trocear
El pescado es un producto que en estado fresco se mantiene en condiciones óptimas para su correct correcto o almacen almacenami amient ento o y evitar evitar estados estados de putrefac putrefacció ción n u oxidaci oxidación ón en un rango rango de tempera temperatura tura entre -1ºC -1ºC y 2ºC. En estas estas condicio condiciones nes el pescado pescado present presentaa las siguie siguientes ntes características a tener en cuenta: a) Calor específico: 3,42 kJ/kg·K b) Calor latente: 272,15 kJ/kg c) Densidad: 1075 kg/m3 d) Conductividad térmica: 0,523 W/m·K Propiedades del pescado congelado troceado El hecho de realizar una congelación infiere en las propiedades del género. El pescado es un producto producto que congela a -3ºC y para su conservación conservación es recomendable recomendable que el entorno esté entre -22ºC y -25 ºC. Por ello, cuando se trata de pescado congelado debemos utilizar otros valores de propiedades del pescado: a) Calor específico: 1,759 kJ/kg·K b) Densidad: 1016 kg/m3 •
Proceso de congelado Una Una vez vez real realiz izad adaa la extr extrac acci ción ón de los los file filete tess de pesc pescad ado o e intr introd oduc ucid idos os en sus sus correspondientes receptáculos plásticos, se inicia el proceso de congelado. Este pescado es introducido en el túnel de congelación a 10ºC, el cual disminuye la temperatura a -3ºC donde empieza a congelar mediante el envío de aire a -25ºC con una velocidad de unos 20 km/h. Una vez realizada la congelación del producto, disminuye la temperatura del mismo hasta los -18ºC, temperatura establecida en el centro del producto.
Cálculo del tiempo de congelación Para encontrar el tiempo de congelación mínimo seguiremos el proceso de cálculo siguiente: El primer paso del proceso de cálculo es la obtención del Nº de Plank, Nº de Stefan y Nº de Biot. Para encontrar estos valores se utilizarán las siguientes ecuaciones: Nº de PlanK: PlanK:
Donde: Ce: es el calor específico del pescado fresco, en J/kg·K. T0: es la temperatura de entrada del pescado en el túnel, en K. Tic: es la temperatura de congelación del pescado, en K. ρ: es la densidad del pescado fresco, en kg/m3. ρ’: es la densidad del pescado congelado, en kg/m3 .
ΔH: es el incremento de entalpía del pescado, en J/Kg, el cual se calcula con la siguiente ecuación.
Ce’: es el calor específico del pescado congelado, en J/kg·K. Tf : es la temperatura en el centro del producto al final de la congelación, en K. Lc: es el calor latente de congelación del pescado, expresado en J/kg. Nº de Stefan: Stefan:
Donde: Ce’: es el calor específico del pescado congelado, en J/kg·K. Tic: es la temperatura de congelación del pescado, en K. T∞ : es la temperatura del túnel de congelación, en K. ΔH: es el incremento de entalpía del pescado, en J/Kg. Nº Biot:
Donde: h: es el coeficiente de convección del aire que circula en el interior de la cámara, en W/m2 ·K d: es el grosor máximo del filete de pescado, en m. λ: es la conductividad térmica del pescado, en W/m·K Los filetes de pescado a congelar se pueden considerar en forma de placas, y para este tipo de figura geométrica, utilizaremos la siguiente ecuación para el cálculo del tiempo mínimo de congelación:
Tiempo mínimo de congelación, en segundos .
Donde: ΔH: es el incremento de entalpía del pescado, en J/Kg. ρ: es la densidad del pescado fresco, en kg/m3. Tic: es la temperatura de congelación del pescado, en K. T∞: es la temperatura del túnel de congelación, en K. d: es el grosor máximo del filete de pescado, en m h: es el coeficiente de convección del aire que circula en el interior de la cámara, en W/m2 ·K.
λ: es la conductividad térmica del pescado, en W/m·K. P1 y R1 son valores adimensionales, dependientes de la geometría y corregidos mediante los números de Plank, Stefan y Biot. Para el cálculo de los siguientes valores se utilizarán estas ecuaciones:
Donde: Pk: es el número de Plank. Ste: es el número de Stefan. Bl: es el Nº de Biot. P y R son constantes dependientes de la geometría, la cual se extraen de la siguiente tabla: Tabla : Valores P y R, en función de la geometría
Resultado final Una vez realizado el proceso de cálculo para nuestro caso particular, estimamos que el tiempo tiempo mínimo mínimo para el proceso proceso de congelado congelado en el túnel túnel de congelac congelación ión es de 13 372,8 segundos, o lo que es lo mismo 3,72 horas.
IV. CONCLUSIONES •
Con Con el trab trabaj ajo o real realiz izad ado o se lleg llegaa a la conc conclu lusi sión ón de que que la temp temper erat atur uraa y principalment principalmentee el contenido contenido de agua, tiene una fuerte influencia influencia en las propiedades propiedades termofísicas del pescado.
•
Es muy importante para preservar los productos así como evitar que estos contengan elementos nocivos, por ello es necesario el estudio de las propiedades termo físicas del tipo de músculo usado en los procesos de conservacion.
