• Author / Uploaded
• Caro VR

• Categories
• Nucleación
• Hielo
• Agua
• Moléculas
• Calor

Citation preview

CONGELACIÓN 

Esa aquella operación unitaria en la que la temperatura del alimento se reduce por debajo de su punto de congelación con lo que una proporción elevada de agua que contiene cambia de estado formando cristales de hielo.

Objetivo 

Preservación de:  Características organolépticas  Contenido de nutrientes  Ausencia de contenido microbiano

Agua y hielo 

Congelación es sinónimo de cristalización del agua. Dentro de la gama de presiones normalmente se encuentran en nuestra experiencia hay agua dependiendo de la temperatura en forma de vapor, líquido o sólido.



Fig. 1 Fase del agua





La transición del agua en el hielo es acompañada por la liberación de calor latente de fusión dengue hemorrágico debido a que el agua helada es una transición de primer orden transición que implique una discontinuidad en la termodinámica cantidad entalpía. Entalpía a una temperatura T es el total de la energía absorbida por una determinada cantidad de la sustancia como su temperatura se eleva de la temperatura de referencia a las células T y se mide en kJ/mol o kJ/kg.

 

Figura 2. Temperatura-entalpia

La figura 2 muestra la entalpía cambios en elevar la temperatura del agua de por debajo del punto de fusión por encima del punto de ebullición.



La organización molecular de las moléculas de agua en hielo en realidad, contiene defectos y estos tienen un impacto sobre propiedades del hielo, en particular en sus propiedades eléctricas.

Otro aspecto inusual en la transición del agua a hielo es el cambio en la densidad. En contraste con otros líquidos hielo tiene una menor densidad de agua líquida.  Cabe señalar, sin embargo, que la baja densidad de hielo se aplica sólo a la estructura de hielo existente en las presiones relativamente bajas . 

NUCLEACIÓN  

Se llama nucleación a la aparición de una nueva fase estable. Cada fase posee una energía libre de Gibbs de modo que las curvas de la energía libre se cortan en un punto a una determinada temperatura, dicha temperatura sería la temperatura de la transición. Para la formación de la nueva fase ambas energías libres deben de ser iguales, de modo que a temperaturas menores a la temperatura de transición únicamente existiría fase inicial mientras que a temperaturas mayores existiría la fase final.



Es inmediatamente después de la temperatura de transición cuando aparecen las primeras regiones (núcleos) de la nueva fase, no obstante, estas regiones pueden ser estables o no debido a fluctuaciones térmicas, si la región de material es estable, entonces se habría formado un núcleo de la nueva fase y habría sucedido la nucleación de lo contrario, si la región no es estable no sucederá la nucleación y se volvería a la fase inicial.

TIPOS DE NUCLEACIÓN La nucleación puede ser de dos tipos:  Homogénea.- Tipo de nucleación que ocurre cuando los átomos o moléculas de la fase inicial son iguales tanto química como energética y estructuralmente.  Heterogénea.-Aquel tipo de nucleación que ocurre cuando los átomos o moléculas de la fase inicial no son iguales tanto química como energética y estructuralmente. Las cuales dependen del tipo de material así como de la transformación realizada.

Crecimiento de cristal Ocurre sólo después que los núcleos se han formado y excedido un tamaño crítico. La velocidad de crecimiento depende de: a) velocidad a la que las moléculas de agua reaccionan en la superficie del cristal. b) velocidad de difusión de las moléculas de agua desde la solución no congelada hasta la superficie del cristal. c) velocidad de remoción de calor (de cristalización)

El tamaño del cristal y la calidad El tamaño del cristal está directamente relacionado con el número de núcleos que se forman durante la congelación; la formación de pocos núcleos da como resultado pocos cristales grandes, mientras que el desarrollo de muchos núcleos produce muchos cristales pequeños.  Esto indica que el tamaño de los cristales en un producto está relacionado directamente con el proceso de nucleación . 

Pero la nucleación depende del grado de sobreenfriamiento logrado y en consecuenci a el tamaño de los cristales obtenido se vuel ve dependiente de la velocidad de congelación.  La velocidad de nucleación aumenta rápida mente luego que se alcanza un grado crítico desobreenfriamiento mientras que la veloci dad de crecimiento de cristales aumenta de modo consistente con la temperatura decreciente. 





Si la velocidad de remoción de calor es lenta y se permite que la temperatura del alimento se sitúe entre 0ºC y A durante un período significativo, cualquier núcleo que se forme crecerá considerablemente. En cambio para una remoción de calor rápida, la temperatura del producto bajará rápidamente hasta un punto por debajo de A y se formarán muchos núcleos y los cristales tendrán crecimiento limitado.

Recristalizacion 



Los cristales formados durante la congelación son inestables. Este hecho y las fluctuaciones de temperatura durante el almacenamiento tienen importancia decisiva para la calidad del producto. La velocidad de recristalización es dependiente de la temperatura, siendo alta a temperaturas cercanas al punto de congelación inicial y muy baja a temperaturas muy bajas. El control de la recristalización puede realizarse efectivamente manteniendo temperaturas bajas y constantes en el almacenamiento congelado

Fracción de agua congelada



Para determinar la cantidad de hielo según sea la temperatura se han propuesto numerosas expresiones empíricas.



Chen (1985) sugiere la expresión:

Para R = 8.32KJ/KgmolºK; L = 335 KJ/Kg; T0 , temperatura de fusión del agua (273.1 ºK) Ti , temperatura de inicio de la congelación  T, temperatura del sistema S, contenido del extracto seco soluble (Fracción en peso)  M peso molecular equivalente de S en gramos, G es adimensional y corresponde a la fracción en peso del hielo (Kg de hielo / Kg de producto)  



Si se conoce la temperatura de inicio de la congelación del producto, M puede calcularse a partir de la ley de Raoul, para el caso de productos de alta proporción de agua (>80%).



KW=Constante criogénica del agua =1.86 H= Porcentaje de humedad /100 ó fracción de agua



Tiempo de congelación 

Establece la capacidad del sistema, además de influir de forma directa en la calidad del mismo.

Ecuación de Plank



Donde tf es tiempo de congelación aumentara cuando aumente la densidad, el calor latente de fusión y la dimensión característica. Por otro lado disminuirá, al aumentar el coeficiente de transmisión de calor por convección y la conductividad térmica del producto



P’ y R’ son constantes se utilizan para considerar efecto de la forma del producto. Forma

P’

R’

Laminas

1/2

1/8

Cilindros

1/4

1/16

Esferas

1/6

1/24

Predicción de Velocidades de Congelación El considerando más importante asociado con la congelación de alimentos es la velocidad del proceso. Esta velocidad no sólo establece la estructura del producto congelado sino también el tiempo necesario para la congelación que es otra consideración básica de diseño. Velocidad de Congelación – Definición Hay 4 métodos disponibles para describir la velocidad de congelación: a) Tiempo – temperatura b) Velocidad del frente de hielo c) Apariencia del espécimen d) Térmicos

Los métodos más frecuentemente empleados son los de Tiempo-temperatura que incluyen: a)Cambio de temperatura por unidad de tiempo. Indicador más apropiado cuando la preocupación principal es la estructura del producto congelado y su influencia resultante en la calidad. Sin embargo, el cambio de temperatura por unidad de tiempo varía significativamente durante la congelación y un valor promedio tiene significado limitado.

b)Tiempo para atravesar un rango dado de temperaturas. Es el indicador de velocidad de congelación más apropiado para propósitos de diseño de procesos.

Equipos de Congelación: Características Básicas y Diseño

Sistemas de contacto indirecto 

Se considera dentro de los sistemas de congelación indirecta cualquier sistema de contacto que no sea directo, por ejemplo aquellos donde el material del envase hace de barrera.

Congelador indirecto

Congelador directo

Congeladores por Ráfaga de Aire Hay varias configuraciones que dependen del producto y de la capacidad del sistema. Los productos que son de alta densidad y que se congelan en paquetes grandes se colocan en bandejas o sistemas de transporte y exponen a aire frío de alta velocidad. En los sistemas por lotes: las bandejas se cargan y descargan de un compartimiento de congelación. La capacidad del sistema se establece por el tamaño del compartimiento y el tiempo de congelación . En los sistemas continuos de transportador: el producto pasa por una cámara de congelación y puede tener trayectoria en espiral

Congeladores de Lecho Fluidizado Hay límite para el tamaño (densidad) del producto a congelar debido a los requerimientos de energía para generar las velocidades del aire necesarias para la fluidización. Los productos se denominan IQF (Instant-Quick-Freezing).  Las frutas y vegetales congelarse en 3 a 5 minutos. Los equipos usan un transportador de malla que conduce los productos a través del túnel. 

Congeladores de Placas El contacto es por los dos lados del producto y con aplicación de presión para incrementar el coeficiente de transferencia de calor superficial al máximo posible. En el sistema por lotes: carga y descarga se hacen manualmente. En los sistemas continuos: la carga es automática manteniendo una estación dada en posición abierta mientras los paquetes se llevan a la estación desde un transportador. Luego de llenada la estación se coloca hacia arriba mientras se llena una nueva estación. Al completarse el ciclo en la cámara el producto congelado sale de la estación y entra producto no congelado. Se usa mucho para pescados y carnes.

A: Embolo; B: Placas de refrigeración C: Producto D: Barra de separación; E: Bandeja F: Aislamiento.

Congeladores de Inmersión 

Hay contacto directo del producto con el refrigerante. El refrigerante más usado es el nitrógeno líquido, tiene un punto de ebullición muy bajo (- 196 C) que origina velocidades de congelación muy altas. Su uso eficiente se obtiene en flujo contracorriente, el producto contacta inicialmente nitrógeno gaseoso frío y reduce su temperatura considerablemente antes de ser expuesto a un spray de nitrógeno líquido.

Quemadura por frío 

Se produce cuando el alimento congelado se halla en atmósferas de humedad relativa baja (es decir seca), el alimento cede el agua que en él se encuentra congelada al medio para intentar equilibrarse con él. El agua se halla en estado sólido por lo que al pasar directamente a vapor se producen en los alimentos manchas de color oscuro así como cambios en la consistencia

DESCONGELACIÓN Es la acción de dejar un alimento al aire libre por cierto periodo de tiempo a fin de que el hielo superficial se funda y formando una capa de agua.  Los aparatos de descongelación deben cumplir: 1. Evitar sobrecalentamiento 2. Reducir tiempo de descongelación 3. Evitar excesiva deshidratación 

EFECTO SOBRE LOS ALIMENTOS Daño que ocasiona en las células el crecimiento de los cristales de hielo.  Afecta desde el valor nutritivo a los pigmentos, aromas o componentes importantes .  Las proteínas pueden precipitar 



Universidad Nacional de Colombia, http://www.virtual.unal.edu.com [consultado:18-octubre-2011].



P. FELLOWS, TECNOLOGIA DEL PROCESADO DE LOS ALIMENTOS,1ª Edición, Acribia, España, 1994, pp 391, 408-415.