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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Cinética de Congelación

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Curvas de Congelación

Las curva de congelación no es otra cosa que la representación gráfica de la variación de la temperatura del alimento en un determinado punto, usualmente el centro térmico.

El componente principal en la mayoría de los alimentos es el agua y la transformación del estado líquido a hielo influye notablemente en sus propiedades termofísicas y en el proceso de congelación.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Centro térmico = punto de más lento enfriamiento

Con Simetría Geométrica y Térmica:

Centro térmico ≈ Centro geométrico

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Asimetría Geométrica y Térmica

Punto más caliente

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20 25

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C

) Tramo b-c Tramo c-dTramo a-b

Periodo de pre-enfriamiento

Periodo de cambio de fase Periodo de post-enfriamineto

a

b c

d

Curvas de Congelación del Centro Térmico

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(°C

)

Centro

Punto interior 1

Punto interior 2

Punto interior 3

Superficie

Curvas de congelación en diversos puntos del producto

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Tiempos de Congelación

El Instituto Internacional de refrigeración (1972) sugiere dos definiciones:

Tiempo de congelación nominal.

Tiempo efectivo de congelación.

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Tiempo de congelación nominal. Definido como el “lapso de tiempo desde que la temperatura superficial alcanza 0°C, hasta que el centro térmico alcance 10°C por debajo de la temperatura inicial de formación de hielo del producto en el centro térmico”.

Mide la velocidad de formación del hielo.Relacionado con la calidad del producto.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Tiempo efectivo de congelación. Definido como el “tiempo requerido para congelar un producto desde una temperatura inicial hasta una temperatura final dada en el centro térmico”.

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El cálculo adecuado de los tiempos efectivos de congelación permitiría a los profesionales:

Definir el tiempo de residencia requerido y por lo tanto el tamaño del congelador o la velocidad de producción (Capacidad física).

Especificar condiciones de operación apropiadas para el congelador (Ej. Temperatura y velocidad del aire).

Evaluar como los cambios en las condiciones de operación afectan el tiempo de residencia.

Minimizar las pruebas experimentales de congelación.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Determinación de Tiempos Efectivos de Congelación

Experimentalmente

Usualmente la mayoría de las plantas de proceso determinan sus condiciones de trabajo y eficiencia mediante ensayos basados en la experiencia.

Simulación del Proceso

En el caso de la congelación de alimentos, la simulación constituye una de las opciones factibles de utilizar dada la disponibilidad de software especializados, como FoodFreezing, que facilitan el cálculo de tiempos de residencia.

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Disposición de las termocuplas en las partículas

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Determinación del espesor equivalente en un filete de salmón

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Software FoodFreezing

• Web-Aided Software

• Web based Software

• Aplicaciones Web para dispositivos móviles

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

El Software FoodFreezing fue desarrollado en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos (ICYTAL) de la Universidad Austral de Chile.

Actualmente, está disponible el acceso a través del Laboratorio de Métodos Asistidos/bAsados por/sobre la Web para los Cálculos de Ingeniería de Procesos en Alimentos (www.wamfoodlab.cl).

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Parámetros de congelación para filetes de Salmón en túnel de congelación por aire forzado

-25 ºCTemperatura final de congelación25 W/m2 KCoeficiente de Transferencia de Calor-35 ºCTemperatura del Medio (Alcohol Etílico 95%)8 %b.h.Fracción de Agua No Congelable

-1 ± 0.2 ºCPunto Inicial de Congelación 0,484 W/m KConductividad Térmica3578,7 J/kg KCalor Específico1053,8 kg/m3Densidad73,0 % b.h.Humedad

Propiedades12 ºCTemperatura Inicial del Producto28 mmEspesor FileteMagnitudParámetro

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Parámetros de congelación para filetes de Salmón en túnel de congelación por aire forzado

-30 ºCTemperatura final de congelación25 W/m2 KCoeficiente de Transferencia de Calor-40 ºCTemperatura del Medio8 %b.h.Fracción de Agua No Congelable

-1 ± 0.2 ºCPunto Inicial de Congelación 0,484 W/m KConductividad Térmica3578,7 J/kg KCalor Específico1053,8 kg/m3Densidad73,0 % b.h.Humedad

Propiedades12 ºCTemperatura Inicial del Producto28 mmEspesor FileteMagnitudParámetro

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Parámetros de congelación para filetes de Salmón en túnel de congelación por inmersión en alcohol al 95%

-30 ºCTemperatura final de congelación102 ± 3 W/m2 KCoeficiente de Transferencia de Calor-50 ± 2 ºCTemperatura del Medio (Alcohol Etílico 95%)8 %b.h.Fracción de Agua No Congelable

-1 ± 0.2 ºCPunto Inicial de Congelación 0,484 W/m KConductividad Térmica3578,7 J/kg KCalor Específico1053,8 kg/m3Densidad73,0 % b.h.Humedad

Propiedades12 ºCTemperatura Inicial del Producto28 mmEspesor FileteMagnitudParámetro

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Congelador continuo con cinta transportadora enteramente de acero inoxidable. Refrigerante Primario: Freon 22. Refrigerante Secundario:

Alcohol Etílico al 95%.

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Factores que influyen sobre la cinética de congelación

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Parámetros de congelación para filetes de Salmón

-10, -18, -25 ºCTemperatura final de congelación20, 25, 30, 40 W/m2 KCoeficiente de Transferencia de Calor-30 ºC, -35 ºC, -40 ºCTemperatura del Medio 8 % b.h.Fracción de Agua No Congelable

-1 ± 0.2 ºCPunto Inicial de Congelación 0,484 W/m KConductividad Térmica3578,7 J/kg KCalor Específico1053,8 kg/m3Densidad73,0 % b.h.Humedad

Propiedades0 ºC, 12 ºC, 20 ºCTemperatura Inicial del Producto22, 25, 28, 30 mmEspesor Filete

MagnitudParámetro

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Propiedades térmicas del producto.Tamaño y forma del producto.Temperatura inicial del productoTemperatura del medio congeladorTemperatura final de proceso de congelaciónCoeficiente de transferencia de calor.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

• Tamaño y forma del producto.

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

• Coeficiente de transferencia de calor.

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

• Temperatura del medio congelador.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

• Temperatura inicial del producto

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

• Temperatura final de proceso de congelación

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Densidad (kg/m3) = 1054.5Calor específico (J/kg-K) = 3375.4Cond. térmica (W/m-K) = 0.456

Humedad = 63.6Carbohidratos = 0.3Proteínas = 22.5Lípidos = 12.2Cenizas = 1.4Fibra = 0

Densidad (kg/m3) = 1061.4Calor específico (J/kg-K) = 3483Cond. térmica (W/m-K) =0.483

Humedad = 68.9Carbohidratos = 2.2Proteínas = 20.6Lípidos = 7Cenizas = 1.3Fibra = 0

Densidad (kg/m3) = 1053.8Calor específico (J/kg-K) = 3578.7Cond. térmica (W/m-K) = 0.484

Humedad = 73.1Carbohidratos = 0.5Proteínas = 19.6Lípidos = 5.6Cenizas = 1.2Fibra = 0

Propiedades (12 ºC)Composición (%)

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

• Propiedades térmicas del producto.

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Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

Conclusiones

Ing. Elton F. Morales Blancas, M.Sc.

El tiempo de residencia del producto en el aparato congelador es una información necesaria para los Ingenieros relacionados a la industria del frío, para el diseño y evaluación de equipos y procesos de congelación.

Los Software especializados como FoodFreezingpermitirían reducir los costos involucrados en los ciclos de diseño y evaluación de equipos y procesos