Unad Refrigeracion

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

MODULO CURSO REFRIGERACION APLICADA A LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

SALOMON GOMEZ CASTELBLANCO JAIME ALBERTO LEAL AFANADOR

BUCARAMANGA, 2005

CONTENIDO INTRODUCCIÓN OBJETIVOS

UNIDAD 1 Generación de frío Objetivos Capitulo 1 Conceptos básicos 1.0 Estados de la materia 1.1

Termodinámica

1.2

La segunda ley de la Termodinámica

Capitulo 2 Fundamentos de la refrigeración y la congelación 2.0 Generalidades 2.1 Refrigeración mecánica 2.2 Ciclos de Refrigeración 2.2.1 Ciclo simple de refrigeración 2.2.2 Ciclo de refrigeración en dos etapas con recirculacion de líquido 2.3

Coeficientes de funcionamiento

Ejercicios de aplicación (1) 2.4 Refrigerantes 2.4.1 Clasificación de los refrigerantes 2.4.2 Características comparadas 2.4.3 Características físicas 2.4.4 Controles de flujo de los refrigerantes 2.5

Congelación Introducción

2.5.1 Velocidad de Congelación. Recristalización. 2.5.2 Tecnicas de congelación Ejercicios de Aplicación (2) 2.6

Atmosferas Controladas y modificadas

Ejercicios de aplicación (3)

Capitulo 3 Fundamentos técnicos para el cálculo de un cuarto de refrigeración. 0bjetivos 3.1 Cargas de enfriamiento 3.2 Cálculo de cargas de enfriamiento 3.3 Condiciones para el manejo del equipo

UNIDAD 2 Las bajas temperaturas en alimentos de origen vegetal y animal. Objetivos Capitulo 1 Efectos del frío en la vida poscosecha de las frutas y las Verduras 1.1 El proceso de transpiración 1.2 El proceso de Respiración 1.3 El proceso o fenómeno de la maduración 1.4 Alteraciones fisiológicas ligadas al frío 1.5 Condiciones básicas para el manejo refrigerado de frutas y hortalizas. 1.6 El pre_enfriamiento 1.7 El enfriamiento 1.8 Atmósferas modificadas y productos minimamente procesados. Capitulo 2 Aplicación y efectos del frío en productos de origen animal Introducción 2.1 Acción del frío sobre las reacciones químicas y bioquimicas.Cinetica 2.2 Microbiología de la carne congelada 2.3 Perdidas de peso durante la congelación, almacenamiento y descongelación 2.5 Características organolépticas y nutricionales de las carnes congeladas Ejercicios de aplicación (4)

Capitulo 3 Manejo y transporte de productos precederos Introducción 3.1 Refrigeración durante el transporte y distribución de productos. 3.2 Requerimientos de frío por grupo de productos Ejercicios de aplicación (5) Fuentes documentales Anexos El Material para el curso cuenta con un CD que incluye la guía, Modulo, multimedia y Software de aplicación como apoyo a la acción Tutorial. 1. Descripción Multimedia (CD ) Naturaleza Viva. Frigoríficos colombianos COLFRIGOS. 2. Descripción de los programas de aplicación.

INTRODUCCION El compromiso de la agricultura consiste en la producción de los comestibles necesarios para la alimentación de hombres y animales. Una gran parte de estos alimentos son considerados perecederos. Dado el rápido crecimiento de la población de la tierra no sólo debe perseguirse la transformación de las zonas desérticas en tierras fértiles, el mejor aprovechamiento de los recursos marinos y la mejora de los procedimientos agrícolas; si no que también precisa proteger del deterioro los alimentos producidos, conservando su sabor y su valor alimenticio. Para conservar los alimentos se han desarrollado muchos procedimientos, algunos de los cuales datan de muchos siglos, e incluso milenios; sin embargo, su aplicación a escala industrial comenzó hacia fines del siglo XVIII (Nicolás Appert descubrió en 1795 el procedimiento de conservación en latas por esterilización al calor y exclusión del aire). Al mismo tiempo se introdujeron los procedimientos de secado y deshidratación artificial, que se extendieron rápidamente a los más diferentes alimentos (frutas, verduras, leche, huevos, carnes pescado, etc.). Paralelamente se desarrollaron otros métodos, como el ahumado, salado, conservación con vinagre, especies, azúcar y diversos productos químicos. También

se

conocía

en

la

antigüedad,

que

es

posible

prolongar

considerablemente la duración de los alimentos conservándolos a bajas temperaturas, utilizando el frío natural (Paramos, bodegas subterráneas, manantiales fríos, nieve, hielo) en el caso de ciertos alimentos y bebidas. También se ha utilizado desde hace siglos mezclas frigoríficas (nieve con sales y ácidos); las bajas temperaturas pudieron utilizarse, en forma industrial, recién después de la invención de la máquina frigorífica, en la primera mitad del siglo XIX. A diferencia de otros procedimientos, la conservación por frío es el único capaz de minimizar

cambios

desfavorables

organolépticas y nutricionales.

en

las

características

microbiológicas,

Aunque las frutas enlatadas, los pescados ahumados, la carne oreada, las verduras secas, las conservas, etc. pueden ser alimentos excelentes y sabrosos, se diferencian en mucho de los productos frescos, mientras que los alimentos conservados en frío o congelados, pueden mantener sus cualidades naturales sin alteración, si el tratamiento es correcto. Por lo tanto, el mantener las condiciones óptimas de almacenamiento para cada alimento, (temperatura, humedad relativas circulación de aire), durante el tiempo que dura, presupone la organización de la llamada "Cadena de frío", que abarca desde la recolección…. Hasta el consumo, o la transformación industrial. Hoy en día los grandes avances tecnológicos no han dejado de lado el empleo de las bajas temperaturas, por el contrario en lo que concierne a la industria de alimentos, este fenómeno físico ha tenido gran auge; la incorporación de las TICs nos permite conocer y aplicar mas rápidamente la tecnología de barreras o obstáculos y predecir la aparición y crecimiento de microorganismos a través de la microbiología predictiva etc., sin dejar de mencionar el software que nos facilita la simulación y calculo de procesos y su correspondiente validación estadística. En cuanto al tratamiento metodológico se ha pretendido desarrollar en este material conceptos y situaciones de real importancia para el lector, hecho por el cual estos se han ubicado en los ejercicios de aplicación y transferencia, así como en las auto evaluación sugeridas; se mantiene la propuesta del ing. Leal de tratar intencionalmente los diversos sistemas de unidades de medida pues aunque es consenso privilegiar el Sistema Internacional, aún hoy en la práctica sobresalen y, con gran empuje, los demás sistemas. Así se abarcan las dos unidades que lo componen: la primera, desarrolla los conceptos termodinámicos considerados básicos para entender las técnicas de refrigeración, congelación y atmósferas controladas en la perspectiva de la generación del frío; la segunda, fundamenta la aplicación de las bajas temperaturas en alimentos de origen vegetal y animal.

UNIDAD 1 Generación de frío

Objetivos

. Reconocer los conceptos termodinámicos básicos que sustentan el uso del frío en la industria alimentaria. • Diferenciar los componentes que definen un sistema refrigerante. • Recordar los conceptos que enmarcan al fenómeno de la congelación en los alimentos. • Describir la técnica de atmósfera controlada. • Reconocer la importancia de los procesos de baja temperatura para la conservación de alimentos.

CAPITULO 1. CONCEPTOS BASICOS 1.0 ESTADOS DE LA MATERIA. Toda la materia conocida, existe en una de las tres formas físicas o estados: Sólida, líquida o gaseosa. La materia en estado Sólido, mantiene su cantidad, forma y dimensiones físicas.

La materia en estado Líquido, mantiene su cantidad y tamaño pero no su forma. El liquido siempre toma la forma del recipiente que lo contiene. La materia en estado Gaseoso, no tiene una tendencia a retener ni el tamaño ni la forma.

Movimiento molecular Toda la materia se compone de pequeñas partículas llamadas moléculas y la estructura molecular de la materia puede posteriormente romperse en átomos. Cuando se aplica energía calorífica a una sustancia, se incrementa la energía interna de las moléculas, lo cual aumenta su desplazamiento o velocidad de movimiento; hay también un incremento en la temperatura de la sustancia. Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminución en la velocidad del movimiento molecular y también un descenso en la temperatura de la sustancia.

Cuando se retira calor de una sustancia se presenta una disminución en la velocidad del movimiento molecular y también un descenso en la temperatura de la sustancia. Cambio de estado Cuando una sustancia sólida se calienta, el movimiento molecular es principalmente en la forma de rápido movimiento vibratorio, no desplazándose nunca las moléculas de su posición normal u original. Pero en alguna temperatura dada, una sustancia en particular, la adición posterior de calor, no necesariamente incrementará el movimiento molecular dentro de la sustancia; en su lugar, el calor adicional causará que algún sólido se fusione (Cambia a líquido). Así el calor adicional causa un cambio de estado en el material. Es así como el calor puede cambiar la temperatura y el estado de las substancias y también pueden ser absorbidos aún cuando no exista cambio de temperatura, como cuando un sólido cambia a líquido, o cuando un líquido se cambia a vapor. Cuando el vapor se vuelve líquido, o cuando el líquido vuelve a transformarse en sólido, se despide la misma cantidad de Calor. El ejemplo más común de este proceso es el agua, que existe como líquido y que puede existir como sólido forma de Hielo y como Gas cuando se trasforma en Vapor. Como hielo, es una forma de Refrigeración, absorbiendo calor mientras se derrite a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). Si se coloca agua en un recipiente abierto y se pone al fuego, su temperatura aumentará a la temperatura de ebullición o sea 100ºC al nivel del mar (212ºF). Sin importar la cantidad de calor aplicado, la temperatura no puede subir arriba de 100ºC, porque el agua se estaría evaporando constantemente. Si este vapor pudiera ser retenido en el recipiente evitando la ebullición y se continuará agregando calor, entonces la temperatura podría nuevamente aumentarse. Obviamente, el proceso de evaporación o ebullición estará absorbiendo el calor y manteniendo la temperatura a 100ºC.

Cuando el vapor se condensa nuevamente formando agua, despide exactamente la misma cantidad de calor que absorbió al evaporarse. Si el agua se congela, debe extraerse la misma cantidad de calor que fue absorbida en el proceso de descongelamiento por medio de algún proceso para la congelación. Generalmente los usuarios confunden la palabra refrigeración con frío y con enfriamiento; sin embargo, la práctica de ingeniería de refrigeración, trata casi enteramente con la transmisión de calor. Esta aparente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que deben ser comprendidas para entender la operación de un sistema de refrigeración.

1.1 TERMODINAMICA

La termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamadas leyes termodinámicas, que rigen nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los cuales

son básicos para el estudio de la refrigeración. La primera y la más importante de estas leyes dice: “LA ENERGÍA NO PUEDE SER CREADA NI DESTRUIDA, SOLO PUEDE TRANSFORMARSE DE UN TIPODE ENERGÍA EN OTRO” Calor El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía en energía de Calor; por ejemplo, la energía Mecánica que opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido como energía en transito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose desde cuerpos cálidos a los cuerpos fríos. La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del Sol. Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe el calor del café y se calienta. Sin embargo, las palabras “Más Caliente” y “Más Frío”, son sólo términos comparativos. Existe calor a cualquier temperatura arriba del cero absoluto, incluso en cantidades extremadamente pequeñas. Cero absoluto es el término usado pro los científicos para describir la temperatura más baja que teóricamente es posible lograr, en el cuál no existe calor, y que es de –273ºC (-460ºF). La temperatura más fría que podemos sentir en la tierra es mucho más alta en comparación con esta base. Temperatura La temperatura es la escala usada para medir la intensidad del calor y es el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía de calor. También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro. La temperatura se mide en Grados Fahrenheit (ºF), o se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamadas Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0ºC o a 32 ºF y hierve a 100 ºC o a 212ºF. En la escala Fahrenheit la diferencia de temperatura entre estos dos puntos está dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados

Fahrenheit, mientras que en la escala Centígrados, la diferencia de Temperaturas está dividida en 100 incrementos iguales llamados Grados Centígrados. Medida de calor. La medida de la temperatura no tiene ninguna relación con la cantidad de calor. Una llamada de fósforo puede tener la misma temperatura que una hoguera, pero obviamente la cantidad de calor que despide es totalmente diferente. La unidad básica para medir calor usado en nuestro país, es la caloría que se define como la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua 1 ºC. Por ejemplo, para aumentar la temperatura de un litro de agua de 95 a 100 ºC, se requieren 5000 calorías. Sin embargo, la unidad de calor empleada comúnmente es la Kilo-Caloría (KCAL) que equivale a 1.000 calorías y que pueden ser definidas como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un Kg. De Agua, un grado Centígrado. En el sistema Inglés, la unidad de calor es la BRITISH THERMAL UNIT (B.T.U.). Un B.T.U. Puede definirse como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua 1 ºF. Por ejemplo: Para aumentar la temperatura de un Galón de agua (aproximadamente 8,3 lb.) de 70 º F a 80 ºF, se requieren 83 BTU.

Calor específico. El Calor específico de una sustancia es su capacidad relativa de absorber o ceder calor tomando como base la unidad de agua pura, y se define como la cantidad de Kilocalorías o (BTU) necesarias para aumentar o disminuir la temperatura de un

Kilo o (libra) de cualquier sustancia en 1ºC o (1ºF). Por definición, el calor específico del agua es 1,0 pero la cantidad de calor necesaria para aumentar o disminuir la temperatura de otras substancias varía. Se requieren, por ejemplo, únicamente 0,64 Kcal. por Kilo (0,64 BTU por libra) para aumentar o disminuir la temperatura de un kilo (Libra) de Aluminio 1 ºC (1ºF), por lo tanto, los calores específicos de estas dos substancias son 0,64 y 0,22 respectivamente. Calor sensible El calor sensible se define como el calor que provoca un cambio de temperatura en una sustancia. En otras palabras es como su nombre lo indica, el calor que puede percibirse por medio de los sentidos. Cuando la temperatura del agua se eleva de 0ºC a 100ºC, hay también un aumento de calor sensible. Calor latente Calor latente es el que necesita para cambiar un sólido en líquido, o un líquido en gas, es decir cambiar de estado, sin variar la temperatura de la sustancia. La palabra latente significa “oculto”, o sea que este calor requerido para cambiar el estado de una sustancia y no es percibido por los sentidos. Tonelada americana de refrigeración Aún en nuestro medio es muy frecuente hablar de toneladas de refrigeración, la cual es realmente una unidad americana basada en el efecto frigorífico de la fusión del hielo. La tonelada de refrigeración puede definirse como la cantidad de calor absorbida por la fusión de una tonelada de hielo sólido puro en 24 horas. Puesto que el calor latente de fusión de una libra de hielo es de 144 BTU, el calor latente de una tonelada americana (2000 libras) de hielo será 144 * 2000, o sea 288,000 BTU por 24 horas. Para obtener el calor por hora es necesario dividir entre las 24 horas, lo cual da una cantidad de 12.000 BTU/HORA, que recibe el nombre de “TONELADA DE REFRIGERACION”. Puesto que el calor latente del hielo en el sistema métrico es de 80 Kilo- Calorías y que y una tonelada americana e igual a 907.187 kilos, la tonelada de refrigeración es igual a 80 * 907.185 o sea 72.575 kilo- calorías por 24 horas, es decir, 3.024 kilo-calorías por hora.

Calor latente de fusión El cambio de una sustancia de sólido a líquido o de líquido a sólido requiere calor latente de fusión. Este también puede llamare calor latente de fusión o calor latente de congelación. Cuando se derrite un kilo de hielo, éste absorbe 80 kilo-calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF); del mismo modo, cuando se congela un kilo de agua para convertirla en hielo, deben sustraérsele 80 kilo- calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). En la congelación de productos alimenticios, únicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que estos contienen; por tanto, el calor latente se conocerá, determinado e porcentaje de agua que existe en dichos productos. Calor latente de evaporación Para cambiar una sustancia de líquido a vapor y de vapor a líquido se requiere calor latente de evaporación. Puesto que la ebullición es sólo un proceso acelerado de evaporación, este calor también puede llamarse calor latente ebullición, calor latente de evaporación, o para el proceso contrario, el calor latente de condensación. Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo- calorías (970 BTU) a una temperatura constante de 100ºC (212ºF) al nivel del mar; igualmente, para condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- calorías (979 BTU). Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la transmisión de calor puede ser eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican también a cualquier líquido a diferentes presiones y temperaturas. La absorción de calor para cambiar un líquido a vapor y la sustracción de este calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la refrigeración mecánica y la transmisión del calor latente requerido, es el instrumento básico de la refrigeración.

El cambio de una sustancia de sólido a líquido o de líquido a sólido requiere calor latente de fusión. Este también puede llamare calor latente de fusión o calor latente de congelación. Cuando se derrite un kilo de hielo, éste absorbe 80 kilo-calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF); del mismo modo, cuando se congela un kilo de agua para convertirla en hielo, deben sustraérsele 80 kilo- calorías (144 BTU) a una temperatura constante de 0ºC (32ºF). En la congelación de productos alimenticios, únicamente se considera el calor latente del porcentaje de agua que estos contienen; por tanto, el calor latente se conocerá, determinado e porcentaje de agua que existe en dichos productos. Calor latente de evaporación Para cambiar una sustancia de líquido a vapor y de vapor a líquido se requiere calor latente de evaporación. Puesto que la ebullición es sólo un proceso acelerado de evaporación, este calor también puede llamarse calor latente ebullición, calor latente de evaporación, o para el proceso contrario, el calor latente de condensación. Cuando un kilo de agua hierve o se evapora, absorbe 539 kilo- calorías (970 BTU) a una temperatura constante de 100ºC (212ºF) al nivel del mar; igualmente, para condensar un kilo de vapor deben sustraerse 539 kilo- calorías (979 BTU). Debido a la gran cantidad de calor latente que interviene en la evaporación y en la condensación, la transmisión de calor puede ser eficiente mediante este proceso. Los mismos cambios de estado que afectan al agua se aplican también a cualquier líquido a diferentes presiones y temperaturas. La absorción de calor para cambiar un líquido a vapor y la sustracción de este calor para condensar nuevamente el vapor, es la clave para todo el proceso de la refrigeración mecánica y la transmisión del calor latente requerido, es el instrumento básico de la refrigeración.

Calor latente de sublimación El proceso de sublimación es el cambio directo de un sólido a un vapor sin pasar por el estado líquido, que puede ocurrir en algunas sustancias. El ejemplo más común es el uso de “hielo seco” o sea dióxido de Carbono para enfriar. El mismo proceso puede ocurrir con hielo abajo de su punto de congelación, y se utiliza también en algunos procesos de congelamiento a temperaturas extremadamente bajas y altos vacíos. El calor latente de sublimación es igual a la suma de calor latente de fusión y el calor latente de evaporación. Temperatura de saturación Saturación es la condición de temperatura y presión en la cual el líquido y el vapor pueden existir simultáneamente. Un líquido o vapor esta saturado cuando está en su punto de ebullición (para el nivel del mar, la temperatura de saturación del agua es de 100ºC o 212 ºF). A presiones más altas la temperatura de saturación aumenta, y disminuye a temperatura más baja. Vapor sobrecalentado Cuando un líquido cambia a vapor, cualquier cantidad adicional de calor aumentará su temperatura (calor sensible). Siempre y cuando la presión a la que se encuentre expuesto se mantenga constante. El término vapor sobrecalentado se emplea para denominar un gas cuya temperatura se encuentre arriba de su punto de ebullición o saturación. El aire a nuestro alrededor contiene vapor sobrecalentado. Líquidos subenfriados Cualquier líquido que tenga una temperatura inferior a la temperatura de saturación corresponde a la presión existente, se dice que s encuentra subenfríado. El agua a cualquier temperatura por debajo de su temperatura de ebullición (100ºC al nivel del mar) está subenfríada.

Presión Presión atmosférica La presión se expresa como una fuerza perpendicular ejercida sobre un área o superficie. Pues bien la presión atmosférica será la fuerza de gravedad que atrae la capa de gases que componen la atmósfera sobre la superficie terrestre, y se denomina presión atmosférica estándar a la presión atmosférica a nivel del mar. Presión absoluta Generalmente, la presión absoluta expresa en términos de bar o de kilogramofuerza por centímetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) y se cuenta a partir del vacío perfecto en el cual no existe la presión atmosférica. Por tanto en el aire a nuestro alrededor, la presión absoluta y la atmósfera son iguales. Presión manométrica Un manómetro de presión está calibrado para leer 0 kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado o (libras-fuerza por pulgada cuadrada) cuando no está conectado a algún recipiente con presión; por tanto, la presión absoluta de un sistema cerrado será siempre la presión manométrica más la presión atmosférica. Las presiones inferiores a la presión atmosférica Standard son realmente lecturas de depresión en los manómetros y se denominan vacíos. Un manómetro de refrigeración mixto (compound) está calibrado en el equivalente en milímetros (pulgadas) de Mercurio por las lecturas de depresión. Puesto que 1.03 Kg./cm2 (14.7 PSI) equivale aproximadamente a 760 milímetros de columna de Mercurio (29.92 pulgadas). Es importante recordar que la presión manométrica es siempre relativa a la presión absoluta. Diferentes tablas demuestran la relación de presiones a diferentes altitudes suponiendo que las condiciones atmosféricas sean normales. 1.3 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA La segunda ley de la termodinámica, como se discutió antes establece que se transfiere calor en una sola dirección, de mayor a menor temperatura; esto tiene lugar a través de tres modos básicos de transferencia de calor que se detallan a continuación.

Conducción La conducción se describe como la transferencia de calor entre las moléculas cercanas de una sustancia, o entre sustancias que están tocándose o en un contacto físico real con la otra. Cuando la transferencia de calor ocurre en una sola sustancia, tal como una varilla de metal con un extremo en una llama de fuego, el movimiento de calor va hasta que hay un balance de temperatura a todo lo largo de la longitud de la varilla. Si la varilla se sumerge en agua, las moléculas que se mueven rápidamente sobre la superficie de la varilla transmitirán algún calor a las moléculas del agua y otra transferencia de calor por conducción tendrá lugar. Cuando la superficie exterior de la varilla se enfría, hay aún algún calor dentro de la varilla y este continuará transfiriéndolo a las superficies exteriores de la varilla y luego al agua hasta que se alcanza el balance de temperatura. La velocidad con la cual el calor se transfiere por medio de la conducción varía con las diferentes sustancias o materiales si éstas poseen iguales dimensiones. La tasa de transferencia de calor variará de acuerdo a la habilidad de los materiales o sustancias para conducir calor. Los sólidos, en general son mucho mejore conductores que los líquidos; y a su vez los líquidos conducen el calor mejor que los gases o los vapores. La mayoría de los metales tales como la plata, cobre, acero y el hierro, conducen el calor mucho más rápidamente, mientras que otros materiales tales como vidrio, la madera y otros materiales de construcción, transfieren el calor en una tasa mucho más lenta y por consiguiente solo usados como aislantes. El Cobre es un excelente conductor de calor como lo es el Aluminio. Estas sustancias son ordinariamente usadas en los evaporadores, condensadores y tubería de refrigerante que conecta los varios componentes de un sistema de refrigeración, aunque el hierro es ocasionalmente usado con algunos refrigerantes. La tasa a la cual el calor pueda conducirse a través de varios materiales depende de factores tales como:

a) El espesor del material b) La diferencia de temperatura entre los lados del material c) La conductividad térmica (factor k) de un material d) El tiempo de duración del flujo de calor. La siguiente tabla presenta los factores de conductividad térmica de algunos materiales comunes.

Los factores k están dados en [(Kcal./ (hr x Mt x ºC)] estos factores pueden utilizarse correctamente a través del uso de la siguiente ecuación:

DONDE: A : Área seccional en Mt2 K : Conductividad térmica en [Kcal/(h)(Mt)(ºC)] .T: Diferencia de temperatura entre los dos lados X: Espesor del material en Metros.

Los materiales de una alta conductividad se usan dentro del sistema de refrigeración en si mismo a causa de que es deseable que una transferencia de calor rápida ocurra tanto en el evaporador como en el condensador. El evaporador es donde el calor se remueve, del espacio refrigerado o el proceso que ha estado en contacto directo con la sustancia. El condensador disipa este calor a otro medio o espacio. En el caso del evaporador el producto o aire está a una mayor temperatura que el refrigerante dentro de la tubería y hay una transferencia de calor de mayor a menor temperatura; mientras que en el condensador el vapor del refrigerante está a una mayor temperatura que la del medio enfriarte viajando a través del condensador, y aquí de nuevo hay una transferencia de calor de mayor a menor temperatura. Convección Otro medio de transferencia de calor es por el movimiento de material calentado en sí mismo cuando se trata de un líquido o gas. Cuando el material se calienta, las corrientes de convección son producidas dentro del mismo y las porciones más calientes de él suben, ya que el calor trae consigo el decrecimiento de la densidad del fluido y un incremento en su volumen específico. El aire dentro de un refrigerador y el agua que se calienta en una vasija son ejemplo primario de los resultados de las corrientes de convección. El aire en contacto con el serpentín de enfriamiento de un refrigerador llega a enfriarse y por consiguiente se vuelve más denso, y empieza a bajar a la parte inferior e éste. Al hacerlo absorbe inferior calor de los alimentos y de las paredes del refrigerador, el cual a través de conducción, ha ganado calor del cuarto Después de que el calor ha sido absorbido por el aire, éste se expande volviéndose más liviano y sube nuevamente al serpentín enfriador en donde el calor nuevamente se renueva de él. El ciclo de convección se repite siempre que haya una diferencia de Temperatura entre el aire y el evaporador. Las corrientes de Convección tales como las explicadas aquí son naturales, y, o como el caso de un refrigerador, el flujo natural es un flujo lento. En algunos casos

la convección debe incrementarse con el uso de ventiladores o sopladores; en el caso de los líquidos se usan bombas para forzar la circulación y la transferencia de calor de un lugar a otro. Radiación Un tercer medio de transferencia de calor es la radiación por medio de ondas similares a las de la luz o las ondas de sonido. Los rayos del sol calientan la tierra por medio de ondas de calor radiantes el cual viaja en caminos rectos sin calentar la materia que interviene en su recorrido o el aire. El calor de un bulbo de luz o de una estufa caliente es radiante en naturaleza y se siente cuando se está cerca de ella, aunque el aire entre la fuente y el objeto cuando los rayos pasan a través de él no se calienta. Si usted ha estado relajándose en un edificio sombreado o en un árbol en un día caliente o soleado y se mueve directamente a los rayos del sol, el impacto directo de las ondas caloríficas le golpeará como un pesado martillo aún cuando la temperatura del aire en la sombra es aproximadamente la misma que en la parte soleada. A bajas temperaturas hay solamente una pequeña cantidad de radiación, y solamente se sienten pequeñas diferencias de temperatura, por consiguiente la radiación tiene pequeño efectos en el proceso real de refrigeración, pero los resultados de la radiación de los rayos solares pueden causar un incremento en la carga de refrigeración en un edificio expuesto a estos rayos. El calor radiante es rápidamente absorbido por materiales o sustancias oscuras o mates, mientras las superficies o materiales con colores claros, reflejarán las ondas de calor radiante, como lo hacen con los rayos de luz. Este principio también se utiliza en el campo del Aire Acondicionado, donde, con techos y paredes claras, penetrará menos calor radiante en el espacio acondicionado, reduciendo así el tamaño del equipo de enfriamiento requerido. El calor radiante también penetra fácilmente las ventanas con vidrios claros, pero es absorbido por vidrios opacos o traslúcidos.

Cuando el calor radiante o energía (ya que todo el calor es energía) es absorbido por un material o sustancia, se convierte en calor sensible, el cual puede sentirse o medirse. Todo cuerpo o sustancia absorbe energía radiante en algunas cantidades, dependiendo de la diferencia de temperatura entre el cuerpo específico o sustancia y la otra sustancia. Toda sustancia radiará energía cuando su temperatura es mayor que el cero absoluto y otra sustancia próxima este a menor temperatura. Si un carro se deja sol bajo el sol caliente, con las ventanas cerradas durante un período de tiempo largo, la temperatura dentro del carro será mucho mayor que la del medio ambiente que lo rodea. Esto demuestra que la energía absorbida por los materiales de los cuales se construye el carro se convierte a calor sensible, que puede medirse.

Capitulo 2. Fundamentos de la Refrigeración 2.1 Generalidades Las bajas temperaturas son una herramienta importante para la conservación de alimentos perecederos, la reducción de temperatura tiene un efecto sobre los procesos fisiológicos del producto sobre las reacciones bioquímicas que integran el proceso metabólico global característico de cada tejido biológico. La velocidad de estas reacciones decrece a partir de los niveles óptimos de temperatura para la actividad específica de enzimas, por lo tanto, el frío reduce el ritmo y velocidad de los procesos de respiración, transpiración, maduración y deterioro,

así

mismo,

las

bajas

temperaturas

reducen

la

acción

de

microorganismos patogénicos que puedan causar efecto negativo sobre los seres humanos y animales. El enfriamiento es el proceso que retira el calor de una sustancia o producto con el fin de reducir su temperatura y mantenerla a un nivel adecuado. El calor es una forma de Energía térmica en transición de un sistema a otro a través del límite que los separa debido solo a la diferencia de temperatura entre los sistemas. El frío es la expresión de un nivel relativamente bajo de calor, durante el almacenamiento refrigerado el producto es enfriado mediante su remoción de calor. CONCEPTO DE CARGA TÉRMICA La carga térmica Para mantener fría una cámara y todo lo que este contenida en ella, es necesario extraer el calor inicial y después el que pueda ir entrando en la cámara por bien aislada que este. El requerimiento total de refrigeración, Q total, puede establecerse como siguiente: Q total = Q producto + Q otras fuentes En la anterior expresión, los términos del segundo miembro tienen el siguiente significado:

Q producto = representa los sumandos necesarios que tiene en consideración en la carga térmica a eliminar procedente del calor sensible, del calor latente de solidificación, de las reacciones químicas del embalaje y del calor absorbido para la congelación del agua de los alimentos o productos que se desea refrigerar. Q otras fuentes = Incluye entre otros los flujos de calor a través de los cerramientos de la cámara por transmisión de paredes, suelo y techo, la refrigeración para el aire exterior que se introduce, la ventilación, las cargas térmicas debidas a ventiladores, bombas, iluminación eléctrica, personas que manipulan los productos, etc. Como el calor generado en las 24 horas de un día se ha de extraer en un número de horas menor, en las horas de funcionamiento diario, la potencia frigorífica de la maquinaria NR habrá de ser superior a la potencia Q total calculada para extraer en las 24 horas. Su valor será:

Transmisión de calor a través de estructura La ganancia de Calor a través de paredes, pisos y techos, variará según las siguientes características: A.- Tipo de Construcción. B.- Área expuesta a diferentes temperaturas C.- Tipo y espesor del aislante D.-Diferencia de Temperatura entre el espacio refrigerado y la temperatura ambiental. Este cálculo se establece a partir de la ecuación:

Q = A X U (T°exterior -- T° interior)

Donde: A =Área de Intercambio U = Coeficiente Global de Transferencia T Ext. = Temperatura Exterior T int. = Temperatura Interior

2.1 La refrigeración mecánica En esta parte analizaremos uno de los fenómenos de mayor utilización dentro de los procesos de conservación de la industria alimentaria. Recordemos cómo el propósito principal de un “sistema de refrigeración” es el de mantener un cuerpo cualquiera a una temperatura menor a la del medio que le rodea. De hecho, la refrigeración se fundamenta, desde el punto de vista termodinámico, en la diferencia existente entre las temperaturas de saturación o condensación de los vapores a diversas presiones, también sabemos que en la medida en que disminuye la presión dentro de un equipo refrigerador al mismo tiempo disminuyen las temperaturas de condensación. Este principio se constituye entonces en la base conceptual que permite entender el fenómeno de la refrigeración. Observemos la siguiente figura: FIGURA 1. Sistema de refrigeración (Esquema)

Analicemos rápidamente los componentes marcados en la figura anterior: En el evaporador, la presión sobre el refrigerante es lo suficientemente baja como para que la evaporación del liquido refrigerador tenga lugar a una temperatura baja previamente elegida. En el se sucede el fenómeno de la evaporación que consiste en extraer del entorno a la temperatura baja ya conocida previamente, el calor latente de vaporización del líquido refrigerante. Posteriormente, en el resto del sistema y como paso siguiente los vapores son aspirados por el compresor que eleva su presión y los envía al condensador, allí el líquido refrigerante cede su calor latente de vaporización. Entonces, la refrigeración consiste en un transporte de calor de una fuente de baja temperatura –evaporador- hasta una fuente de alta temperatura – condensador- . Como medio de transporte se emplea un refrigerante que es un elemento que en el evaporador toma el calor y lo descarga en el condensador. El intercambio de calor se hace a través de superficies cerradas, luego el refrigerante únicamente esta en contacto con los equipos necesarios para el ciclo. En síntesis, el ciclo de refrigeración está integrado por tres equipos básicos como lo son: el evaporador, el compresor y el condensador; en él ocurren los fenómenos de evaporación a baja presión y baja temperatura seguidos por etapas de compresión y condensación a temperatura atmosférica y presiones elevadas, aquí el líquido a elevada presión pasa del condensador hasta el evaporador por intermedio de una válvula (de expansión) que permite, a partir de este punto la repetición del ciclo. Es importante tener en cuenta que el manejo de las temperaturas de evaporación y condensación está sujeto al ajuste de presiones. Por ejemplo, una presión alta la puede determinar la temperatura del agua de refrigeración disponible. En el caso de la presión de evaporación, ésta es generalmente regulada por la necesidad que tenga el producto que se vaya a conservar, de una temperatura baja específica o de una velocidad de enfriamiento o congelación también específica. El uso de temperaturas de evaporación bajas significa, un mayor trabajo de los compresores y mayores volúmenes de vapor a baja presión, es decir, un alto costo de operación. Abordaremos a continuación los principales aspectos termodinámicos que deben ser tenidos en cuenta durante un proceso o ciclo de refrigeración:

Figura 2. Esquema ciclo de refrigeración

1. Aspiración del compresor. Tenemos gas sobrecalentado a baja presión, el compresor aspira los vapores que se forman en el evaporador. 2. Descarga del compresor. Tenemos gas a alta presión y alta temperatura, esta presión es la presión de condensación. 3. Entrada al condensador. A la misma presión que el punto 2 pero con algo menos de temperatura. 4. Condensador. Una mezcla de gas saturado y líquido a la presión de condensación aquí la temperatura ya ha disminuido. A medida que vamos saliendo del serpentín o intercambiador cada vez hay más líquido y menos gas. De esta manera al licuar el gas el sistema traspasa calor el medio.

5. Aquí, si el proceso de condensación ha sido eficiente, tenemos líquido saturado, a presión de condensación. 6. Salida del depósito de líquido (sí lo hay). En algunas instalaciones grandes se pone un depósito de líquido capaz de guardar el 125% de todo el gas que cabe en la instalación, para recuperarlo si tenemos una avería y no perderlo, y también como acumulador que permite suministrar líquido a la válvula de expansión sean cuales sean las condiciones en las que trabaje la instalación, .El depósito de líquido estará casi lleno cuando la instalación este a baja carga y estará casi vacío cuando la instalación este a plena carga y las válvulas de expansión se abran para regar el evaporador. Tiene una llave en su salida para poderla cerrar y recuperar el gas que queda encerrado entre esta válvula y la válvula de descarga del compresor (que no deja pasar el fluido hacia atrás). 7. Líquido a la presión de condensación pero subenfriado; cuanto mayor sea el subenfriamiento mejor rinde la instalación ya que el refrigerante dispone de más entalpía en su evaporación para llevarse el calor del evaporador. Dicho de otra manera, para el mismo desplazamiento del compresor (que mueve unos determinados kilos de refrigerante) se tiene una mayor diferencia de entalpía por kilo de refrigerante. 8. Salida, prácticamente igual que en el punto 7 menos una pequeña pérdida de carga que produce este filtro. Recordar que a cada presión corresponde una temperatura y si perdemos presión también baja la temperatura. 9. Entrada a la válvula de expansión. A la misma temperatura y presión que en el punto 8. 10. Salida de la válvula de expansión. El refrigerante sale prácticamente en estado líquido. Debido a la baja presión a la que ahora está sometido, el refrigerante sale a baja temperatura. 11. Entrada al evaporador. Similares condiciones al punto 10. 12. El refrigerante en el evaporador. Por contacto térmico, el refrigerante se enfría y se gasifica, absorbiendo calor del medio. Es en este punto donde se produce el efecto útil del enfriamiento.

13. La salida del evaporador. Vapores del refrigerante salen a presión y temperatura muy baja. 2.2 CICLOS DE REFRIGERACION SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Diagrama presión entalpía Para realizar ciertos cálculos en instalaciones de refrigeración es preciso disponer, y saber manejar, los diagramas que permiten trabajar a diferentes presiones, temperaturas y contenido entálpicos del medio refrigerante que se utilice. Los diagramas permiten obtener los datos termodinámicos que se necesitan para resolver los problemas que se plantean en los ciclos de refrigeración. Hay varios tipos de diagramas; Uno de los más empleados es el de presiónentalpía. Este diagrama tiene la presión en ordenadas (eje vertical) y la entalpía en absisas (eje horizontal). Mediante líneas que atraviesan el diagrama se indican la temperatura, el volumen específico y a entropía. En el diagrama modélico indicado puede apreciarse las zonas de Vapor saturado, líquido saturado, vapor recalentado, liquido subenfriado y mezcal liquido- vapor en el interior de la campana. Cada refrigerante tiene su propio diagrama Esto quiere decir que el diagrama de cada refrigerante tiene su propia forma y dimensiones y no puede utilizarse un diagrama cualquiera para todos los casos, sino que debe utilizarse el específico del refrigerante. Vamos a repasar el significado de las diferentes zonas. Vapor Saturado: Es vapor que se encuentra en equilibrio con su fase liquida a presión y temperaturas especificadas. Vapor Recalentado: Es vapor que se ha calentado. Esta representado por la zona de la derecha de la campana. Líquido Saturado: Es líquido que está a punto de hervir. Esta representado por la curva de la izquierda de la campana.

Líquido Subenfríado: Es un líquido a una temperatura inferior a la de saturación. Esta representado por la zona de la izquierda de la campana. Mezcla líquido- Vapor: Es la zona interior de la campana. La campana esta rematada por el punto Crítico, que representa unas condiciones de presión y temperaturas tales que no distingue el estado del fluido (si es liquido o gas) En el proceso tienen lugar dos fenómenos con balance de calor: La evaporación de un refrigerante en estado líquido produce la absorción de calor o, lo que es lo mismo, baja la temperatura en el recinto o cámara donde se encuentra, produciendo sensación de frío. La condensación del Vapor de un refrigerante se produce mediante una sesión de calor al ambiente, lo cual se traduce en una elevación de temperatura el mismo. Este proceso es continuo y depende de las condiciones que los elementos que configuren la instalación impongan al refrigerante, de modo que pueda seguirse desde cualquier punto. En la figura, veamos el ciclo que se producirá en un circuito frigorífico ideal sobre el diagrama Presión- entalpía de cualquier refrigerante. Sobre las abscisas se representa la entalpía del refrigerante en Kjoule/Kg y sobre las ordenadas la presión en Psi o bar. El diagrama es conocido para cada refrigerante, y su principal elemento característico es la curva de saturación del mismo, como ya se ha explicado.

Diagrama Presión Entalpía

Situémonos en el punto antes del dispositivo de expansión, previa al evaporador, en que el refrigerante se encuentra en estado líquido a una cierta presión; su paso al evaporador se controla mediante un dispositivo cuya función es regular el paso de refrigerante. Dicha válvula produce una estrangulación brusca que hace que a presión descienda desde la que tenía a la salida del condensador hasta la existente a la entrada del evaporador. La válvula es el regulador automático de los límites entre los que se denomina parte de alta presión y parte de baja presión, presiones entre las cuales la válvula se ve forzada de trabajar. Esta bajada de presión en el evaporador hace que el refrigerante hierva y se produzca su evaporación, auxiliado por la cantidad de calor que absorbe del recinto en que se encuentra, a través del aire del mismo y transfiriéndolo al liquido, que se va transformando en vapor en el interior de los tubos de serpentín hasta que se evapora completamente.

El refrigerante, en forma de gas, entra en el compresor por la tubería denominada de aspiración o succión, a través de la válvula de aspiración (semejante a los cilindros de un carro). Aquí el refrigerante es comprimido aumentando por ello su presión y su temperatura hasta llegar al punto en cuyas condiciones fluye hasta la entrada del condensador. La válvula de salida del cilindro del compresor actuará de retención, impidiendo que el gas regrese hacia el mismo. En el condensador, mediante la acción de un fluido exterior (aire, agua o ambas a la vez), se extrae calor al gas refrigerante, lo cual produce un enfriamiento del mismo favoreciendo su condensación hasta alcanzar el estado liquido; a partir de aquí s impulsado de nuevo por la tubería hacia la válvula de expansión, punto donde se repite el ciclo explicado. Como puede observarse, en el proceso existen varias temperaturas diferentes, lo cual hace que el estado refrigerante sea distinto en varios puntos; por ejemplo, se obtiene líquido subenfriado y saturado, vapor saturado y sobrecalentado, como se verá en el ciclo real. No obstante, en principio solo hay dos presiones perfectamente diferenciadas, que son las que corresponden a la evaporación y a la condensación. Es por ello que puede hablarse del LADO DE ALTA PRESIÓN y del LADO DE BAJA PRESIÓN de una planta o instalación frigorífica. Distingamos las características de presión (p), temperatura (t) y entalpía (h) de los puntos más representativos del proceso sobre dichas figuras. El refrigerante condensado, esta a una temperatura tc (de condensación) y a una determinada presión pc (presión de condensación) y a una entalpía h1. Cuando el líquido pasa a través de la válvula de expansión su estado disminuye su presión y aumenta su velocidad. Esta variación permite que cambie de estado, se produce por la ebullición del líquido, provocada por la caída brusca de presión, bajando al mismo tiempo la temperatura. En este proceso el calor es constante, por lo que la entalpía no varía. A la entrada del evaporador, coexiste una mezcla de vapor y liquido (parte interior de la curva p-h), mientras que a la salida del mismo, el vapor esta saturado.

La presión y la temperatura son las mismas, pero como el evaporador ha absorbido calor del recinto donde se encuentro, la entalpía ha aumentado antes de la entrada del compresor. Cuando el vapor pasa por el compresor, este le confiere un aumento de presión al vapor ha llegado, hasta el punto de presión de condensación. Esta energía añadida por el compresor hace que aumente la temperatura hasta el valor necesario, como consecuencia de haber sido recalentado el vapor, y la entalpía, por tanto, a la entrada del condensador, encontramos, pues, vapor recalentado a una presión de condensación. Allí se evacua el calor al medio ambiente, hasta conseguir que su entalpía descienda de nuevo, por tener lugar el proceso de cambio de estado de gas a líquido. En la práctica, el ciclo ideal o teórico no se produce exactamente como se ha descrito, ya que debido a otras causas, suelen producirse variaciones que apartan sensiblemente el comportamiento del refrigerante de su ciclo teórico. Es el denominado ciclo real y sus diferencias principales se encuentran las características de los elementos que constituyen a la instalación (evaporadores, condensadores compresores y tubería de refrigerante) en forma de recalentamiento o subenfriamientos que varían las condiciones teóricas de los valores de presión y temperatura, fundamentalmente. 2.2.1 Ciclo de refrigeración en una etapa El ciclo de refrigeración en una etapa consta de cuatro procesos que transportan calor desde una fuente de baja temperatura (cámara fría), hasta una fuente de alta temperatura (atmósfera). Los equipos necesarios para el ciclo son: Evaporador. Compresor. Condensador. Válvula de expansión. Refrigerante.

Figura 3 Ciclo simple de refrigeración mecánica

Los cuatro procesos básicos del sistema de refrigeración son:

Evaporación 1 - 2: Existe un intercambio de calor entre el cuarto frío y el refrigerante. El refrigerante cambia de fase a presión constante. Compresión 2 - 3: El compresor eleva la presión del refrigerante, para elevar su temperatura. Condensación 3 - 4: Existe un intercambio de calor entre el refrigerante y la atmósfera. El refrigerante baja su temperatura y luego cambia de fase, esto ocurre a presión constante. Expansión 4 - 1: El refrigerante baja súbitamente su presión y de esta forma baja también su temperatura. El proceso ocurre a entalpía constante.

Figura 4. Diagrama presión del refrigerante Vrs Nivel de energía

Entalpía

El balance térmico de este sistema genera los siguientes resultados: Capacidad del Evaporador: Qe = m * (h2 - h1) Potencia del compresor: Wc = m * (h3 - h2) Capacidad del condensador: Qc = m * (h3 - h4) En el diagrama se observa que:

(h2 - h1) + (h3 - h2) = (h3 - h4) Así que:

Qe + Wc = Qc

La eficiencia de un sistema de refrigeración la determina el coeficiente de operación: COP = Qe / Wc 1 TR = 3.517 kW, 1 Hp = 0.746 kW, 1 kW = 3412.14 BTU / hr 2.2.2 Ciclo de refrigeración en dos etapas con recirculación de líquido En un sistema de refrigeración industrial se hacen variaciones al sistema en una etapa con el fin de: Aumentar la capacidad de refrigeración. Disminuir la energía consumida. Para esto se deben agregar los siguientes elementos: Otro compresor. Un recirculador. Un interenfriador. Elementos auxiliares (recibidores, purgadores, válvulas y otros). Figura 5.Ciclo de refrigeración de dos etapas con recirculación de líquido

Los procesos de este ciclo son básicamente los mismos pero hay dos diferencias: En el recirculador se acumula refrigerante líquido en la parte inferior y se bombea hacia los evaporadores. En el ciclo simple a los evaporadores llega refrigerante directamente de la expansión. Por esto se aumenta la capacidad de refrigeración. h4 -h3 > hb – ha La energía que consume el compresor de baja y el de alta es menor que la energía que consume el compresor en una etapa, siempre que trabajen entre los mismos niveles de presión. De esta forma el consumo de energía es menor y es óptima a determinada presión intermedia. (h6 - h5) + (h8 - h7) < hc – hb

Figura 6. Diagrama de presión del amoniaco Vrs nivel de energía. Entalpía

En la figura 7 se pueden demostrar los anteriores enunciados: CAPACIDAD DE REFRIGERACION: Sin recirculación = 1396 - 302 = 1094 kJ / kg. Con recirculación = 1396 - 81 = 1315 kJ / kg. Incremento (%) = 20.20%. Reducción en el tamaño de todos los equipos (más económicos). ENERGIA CONSUMIDA EN COMPRESION En una etapa = 1814 - 1396 = 418 kJ / kg. En dos etapas = (1558 - 1396) + (1663 - 1430) = 395 kJ / kg. Ahorro de energía (%) = 5.50%. Si al mes se pagan $ 15 000 000.oo por el consumo en compresión, teóricamente al trabajar en dos etapas se ahorran $ 825 000. Tonelada Refrigeración = 3.517 kW, 1 Hp = 0.746 kW, 1 kW = 3412.14 BTU / hr

Figura 7. Diagrama de la presión Vrs Entalpía

Tomado de Colfrigos. 2.3. COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO Veamos el siguiente esquema: Como se observa, la máquina frigorífica logra extraer la cantidad de calor q2 del recinto a baja temperatura t2, gracias al consumo del trabajo exterior W, proceso que va acompañado por la transferencia del calor q2 al recinto de mayor temperatura t1.

FIGURA 8. Esquema general máquina frigorífica

En consecuencia el coeficiente de funcionamiento o eficacia (Cf ) de la máquina se encuentra definida por: q1 Cf = q 2 − q1 Si el caso fuere el de utilizar una máquina frigorífica que opere entre las temperaturas t2 y t1. Siendo t1 >t2, es decir, que si la temperatura de la fuente fría es mayor o igual a la temperatura ambiental a la máquina se le denomina bomba de calor. En esencia ambos mecanismos (bomba y frigorífico) son lo mismos; su diferencia esencial estriba como se observa, en los niveles térmicos en los que operan. FIGURA 8a. Esquema de una bomba de calor

En síntesis lo interesante de un equipo de refrigeración es conocer la cantidad de calor (q1) que se logra extraer del recinto frío, mientras que de la bomba de calor

lo que interesa conocer es la cantidad de calor (q2) cedido al recinto de temperatura t1 por esto y a diferencia de una máquina frigorífica, el coeficiente de funcionamiento de la bomba de calor vendría dada por la siguiente relación: Cf =

q2 ⋅W q 2 − q1

Con lo anterior es fácil entender el porqué una bomba de calor puede ser empleada como mecanismo de calefacción. La eficiencia de una máquina térmica, bien sea que opere como refrigerador o como bomba de calor, viene dada por la siguiente ecuación: e=

T1 − T2 q − q1 W , ó, e = 2 , ó, e = T1 q2 q2

Donde: Eficacia = Coeficiente de Funcionamiento ≠ Eficiencia q1 = representa el calor absorbido del recinto de menor temperatura T2 q2 = representa el calor cedido al recinto de mayor temperatura T1. Para finalizar este aparte recordemos el concepto básico de energía utilizable o exergia: El concepto de energía utilizable es fundamental para analizar las características de un ciclo cualquiera; se utiliza para determinar la eficacia de un dispositivo cuyo objetivo sea realizar un trabajo W. Si recordamos la definición de eficacia dada por Darrieus, esta es un proceso sistémico que permite conocer la relación entre el trabajo realizado y el máximo posible que podría obtenerse si el proceso fuere reversible. Sobre este postulado se puede deducir que la eficacia o coeficiente de funcionamiento de los ciclos totalmente reversibles es 1 mientras que la de los ciclos irreversibles será siempre mayor que 1. En consecuencia, si un sistema cerrado evoluciona desde un estado de equilibrio inicial 1 a otro estado 2 se definirá el trabajo máximo realizable por la siguiente ecuación:

W1→2 = (U1 – TeS1) – (U2 – TeS2) J/kg. donde: Te = Temperatura de estado U = Energía interna S = Calor especifico Es decir, que el trabajo utilizable viene expresado por la diferencia de los valores adoptados por la función U–TeS en los estados extremos considerados. De lo anterior es fácil deducir una nueva función de estado tal que la diferencia entre sus valores inicial y final de proceso coincida con el trabajo máximo realizable por el sistema; luego si hacemos φ = U–TeS tendremos:

W1→2 = φ1 – φ2 J/kg donde φ1 y φ2 son los valores adoptados por la función o variable extensiva anotada φ = U–TeS. Nótese bien que la función φ es función de estado y tiene dimensiones de energía y se denomina energía utilizable de un proceso carente de flujo o energía utilizable para un sistema cerrado. Al integrar las anteriores funciones observaremos como el trabajo máximo que pueda obtenerse de un sistema que experimente una transformación 1 2 coincidirá con la disminución que sufra la energía utilizable del mismo. Teniendo en cuenta que la energía utilizable tiene naturaleza de tipo energético, resulta, al igual que con la energía interna (U) o la entalpía (h), imposible definir su valor absoluto en un determinado estado; a pesar de ello dado que la energía utilizable del sistema cuando se encuentra en equilibrio termodinámico con el medio es nula, es válido referir su valor al de la función φ en las condiciones termodinámicas del medio exterior.

EJERCICIOS DE APLICACIÓN (1) 1. Realice el esquema y determine el coeficiente de funcionamiento o eficiencia (e) de un mostrador refrigerador que opera entre la temperatura baja t2 y la temperatura ambiente ta. 2. Un compresor aspira un flujo de aire de 0,1824 kg/s. con una presión de 1.0bar y temperatura de 20ºC y lo comprime adiabáticamente hasta una presión de 10.0bar. El aire, una vez comprimido, se refrigera en un intercambiador de calor hasta la temperatura de 30ºC. Si la presión y temperatura del medio exterior son de 1.0bar y 20ºC, el compresor en su funcionamiento emplea 50 Kw. y el agua de refrigeración entra a 18ºC y sale a 25ºC. Construya el diagrama de energía utilizable de la instalación y halle la eficiencia del sistema correspondiente. 3. a) ¿Qué cantidad de calor absorbe una nevera eléctrica, en kilocalorías, si se desean enfriar 3kg de agua a 15ºC y transformarlos en hielo a 0ºC? (Calor de fusión del agua 80 kcaI/kg.). SOLUCION Cálculo del calor absorbido al enfriar agua a 15ºC a agua a 0ºC.

q1 = m.Cp.∆T q1 = (3kg) (1 Kcal./kg.ºC) (15ºC – 0ºC) = 45 kcal. El calor absorbido en la transformación del agua a 0ºC en hielo 0ºC, será: q2 = masa x calor de fusión

q2 = (3 kg.) x (80 Kcal./kg.) = 240 Kcal. El calor total absorbido será: qT = q1 + q2 qT = 45kcal + 240 kcal. = 285kcal. b) Teniendo en cuenta el calor absorbido y cedido, calcule el trabajo suministrado al sistema y la capacidad calorífica del agua. W suministrado = q2 - q1 W suministrado = 285 kcal. – 45 kcal == 240 kcal. Capacidad calorífica = masa x calor específico Capacidad calorífica = (3 kg.) . (1 kcal/kg.ºC) = 3 kcal/ºC c) ¿Por qué en este ejercicio, la cantidad de calor absorbido es tan pequeña con relación al calor transferido? Porque se debe tener en cuenta la temperatura a la cual entra el agua (15ºC) al refrigerador que fue muy baja y como el agua se congela a 0ºC y además teniendo en cuenta la capacidad calorífica de ésta, la cantidad de calor absorbida debe ser baja. 4. a) Calcular la cantidad de agua que debe suministrarse a un intercambiador de calor si se requiere enfriar 100 kg/h de pasta de tomate con un Cp = 0,68Kcal/kg.ºC, de 90 a 20ºC. Nota: el incremento de la temperatura del agua no debe exceder de 10ºC mientras pasa por el intercambiador.

SOLUCION q pasta de tomate = (m pasta) (Cp pasta) (∆T) q pasta = (100 kg./h) (0,68 kcal./kg.ºC)(90 - 20) ºC q pasta = 4.760 kcal Como el calor ganado es igual al calor cedido, entonces: (m H20) (Cp H20) (∆T) = (m tomate) (Cp tomate) (∆T) = q tomate

mH 2 O =

qtomate 4.760kcal. = = 476kg (CpH 2 O)(∆T ) (1kcal / kg º C )(10º C )

b) ¿Cuál es la capacidad calorífica de la pasta de tomate?, establezca una comparación con la capacidad calorífica y dé una conclusión con respecto al calor absorbido. Capacidad calorífica de pasta tomate = 100 kg. x 0,68 kcal./kg.ºC Capacidad calorífica (Cc) = 68 kcal./ºC. La capacidad calorífica del agua es mayor teniendo en cuenta el calor específico de la pasta y del agua, manteniendo la masa constante en ambos casos; por lo tanto se puede concluir con respecto al calor absorbido, que la pasta de tomate debe ceder más cantidad de calor para congelarse y debe haber mayor absorción de calor por el sistema refrigerante. Esto básicamente se debe al alto contenido de sólidos que presenta la pasta, los cuales inciden en la disminución del punto de congelación 5. Considere un Ciclo de Carnot (ver diagrama) partiendo de que bajo efectuado es:

y teniendo en cuenta la ecuación de estado y las leyes de la Termodinámica, encuentre que la entropía para este sistema es Q/T = φ

SOLUCION De acuerdo con la primera Ley de la Termodinámica, si el proceso es isotérmico en la fase (1 y 3) entonces ∆W=∆Q V2

∆W = PdV V1

Reemplazando la presión en la ecuación de estado: P.V = nRT, de donde: P = Entonces:

nRT V

Sabiendo que el calor total es igual a la sumatoria de los calores durante el ciclo, entonces tenemos:

∆QTOTAL = ∆QAB + ∆QBC + ∆QCD + ∆QDA Partiendo de la Primera Ley para un proceso isotérmico:

∆Q = ∆V + ∆W , y como: ∆V=0 ∆Q = ∆W Reemplazando el trabajo, obtenemos:

∆Q = ∆W = P.dV= nRT

dV V

La integral de la entropía alrededor de la trayectoria cerrada es: B

C

D

A

dQ dQ dQ dQ dQ = + + + T T T C T C T A B Como el proceso funciona como un ciclo de Carnot reversible, entonces las integrales 2 y 4 son cero por ser procesos adiabáticos. La ecuación se reduce a: V

V

dQ B 1 dV D 1 dV = nRT2 + nRT1 T VA T2 V VC T1 V Si es un proceso isotérmico, la temperatura permanece constante, es decir, T1=T2, entonces la cancelamos y la expresión se reduce a:

V

V

B D dQ dV dV = nR + nR T V V VA VC

= nR[ln V ]VBA + nR[ln V ]VCD V

= nR ln

V

VB ⋅ VC VA ⋅ VD

Para obtener se utiliza una de las propiedades de los logaritmos que dice ln(1/x) = – ln x. Como es un ciclo de Carnot, entonces:

VC VB = , por lo tanto la integral es nula VD VA ∆S =

dS =

dQ =Φ T

6. Una industria está encargada de acondicionar verduras para ser posteriormente empacadas y refrigeradas; si esta empresa empaca en bolsas de polietileno una ensalada que contiene el 40% de habichuela, 25% de zanahoria y 35% de arveja en cada bolsa y las verduras son sometidas a una limpieza donde se elimina el 5% de impurezas de cada una, posteriormente son lavadas y pasadas a la sección de corte donde se eliminan las partes dañadas e inservibles en una proporción de 3 % en habichuela, 2 % en zanahoria y 1 % en arveja y finalmente son lavadas, empacadas y llevadas al refrigerador. a) Elabore un diagrama de flujo del proceso. b) Si entran al proceso 3 kg. de verduras ¿Qué cantidad de ellas son empacadas a la salida si los porcentajes deben ser los mismos? c) ¿Cuál será el coeficiente de funcionamiento del refrigerador si este funciona a 3ºC y la temperatura exterior es de 25ºC? d) ¿Cuál es la eficiencia del refrigerador?.

SOLUCION

a)

b) Balance total H + Z + A = 3kg. Balance a la entrada 1. Habichuela 2. Zanahoria 3. Arveja

3 kg. (0,4) = 1,20 kg. = H 3kg (0,25) = 0,75kg. = Z

3kg. (0,35)= 1,05kg. = A Pérdidas 1,20 (0,08) = 0,10 Kg. de impurezas de habichuela 0,75 (0,07) = 0,05 Kg. de impurezas de zanahoria 1,05 (0,06) = 0,06 Kg. de impurezas de arveja Cantidad por empacar de cada una H = 1,20 – 0,10 = 1,10 kg. de habichuela por bolsa Z = 0,75 – 0,05 = 0,70 Kg. de zanahoria por bolsa A = 1,05 – 0,06 = 0,99 Kg. de arveja por bolsa

T2 276º K 276 = = = 12.55 T1 − T2 298 − 276 22 T1 − T2 298 − 276 = × 100 = 7.% d) e = T1 298

c) CF =

2.4 Refrigerantes Un refrigerante es cualquier fluido que actúa como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de un foco caliente al evaporarse. El refrigerante en una instalación frigorífica debe tener las siguientes características: -

Calor latente de evaporación alto: cuanto mayor sea su valor menor cantidad de refrigerante hay que utilizar en el proceso de refrigeración para obtener una temperatura determinada.

-

Presión de evaporación superior a la atmosférica: para evitar que entre aire en el circuito de refrigeración, lo que acarrearía el problema de que el agua contenida en el aire se solidificase y obturase algún conducto.

-

Punto de ebullición lo suficientemente bajo para que sea inferior a la temperatura de trabajo del evaporador.

-

Temperaturas y presión de condensación bajas: así se evitan trabajar con presiones de condensación altas en el compresor lo que se traduce en un considerable ahorro tanto de energía como en el coste de la instalación.

-

Inercia química: es decir que no reaccione con los materiales que componen el circuito ni con el aceite del compresor.

-

Ha de ser inmiscible o totalmente miscible con el aceite del compresor: la solubilidad parcial da origen a problemas de depósitos de aceite en el evaporador.

-

Debe de ser químicamente estable: hasta el grado de no ser inflamable ni explosivo.

-

Ha de ser soluble en agua: de esta forma se evita que el agua libre pueda formar cristales de hielo. Por este motivo los circuitos de refrigeración van provistos de filtros deshidratantes.

-

Debe ser no tóxico para el hombre.

-

Debe tener un impacto ambiental bajo o nulo en el caso de ser liberado por posibles fugas.

-

Debe ser fácilmente detectable por el olfato para poder localizar las fugas que se produzcan en el sistema.

-

Debe ser barato.

2.4.1 Clasificación de los refrigerantes Los primeros refrigerantes utilizados por reunir varias de estas características y ser los únicos disponibles cuando aparecieron las primeras máquinas de producción mecánica de frío (1867) fueron el amoniaco (NH3), el dióxido de carbono (CO2)y el dióxido de azufre (SO2). Pero estos refrigerante presentaban grandes problemas de toxicidad, explosión y corrosión en las instalaciones de modo que su utilización estaba restringida a usos industriales. Con excepción del amoniaco todos estos refrigerantes han dejado de usarse siendo reemplazados por otros denominados freones que aparecen en el mercado a partir del año 1928 y no presentan los inconvenientes de los primeros. El amoniaco hoy en día se sigue empleando en instalaciones de gran tamaño debido a que es el refrigerante conocido que tiene el efecto frigorífico más alto. Es uno de los más baratos y fáciles de conseguir y tiene gran estabilidad química. Es inmiscible con el aceite, por lo tanto debe usarse un separador de aceite en la tubería de descarga del compresor hacia el condensador. Como inconveniente: es tóxico, algo inflamable y puede llegar a ser explosivo en grandes concentraciones, pero puede ser detectado fácilmente por el olor por lo que estos inconvenientes tiene poca importancia en industrias con alto nivel de control. Freones: Es un grupo de refrigerantes derivados de hidrocarburos de bajo peso molecular fundamentalmente derivados del metano y el etano en los que alguno o todos sus átomos de H se han sustituidos por halógenos normalmente flúor, cloro y bromo. En función de su composición estos refrigerantes pueden clasificarse en tres grupos: CFC (clorolfuorocarbonados), HCFC (hidroclorofluorocarbonados) y HFC (hidrofluorocarbonados). -

CFC: son hidrocarburos totalmente halogenados, es decir, todos sus hidrógenos están sustituídos por cloro y flúor. Se caracterizan por ser gases muy estables que persisten en la atmósfera muchos años y por tanto pueden llegar a la estratosfera donde destruyen la capa de ozono. Por este motivo dejaron de fabricarse y usarse a partir de 1995 según lo acordado en el

Protocolo de Montreal. El Protocolo de Montreal, sobre productos que destruyen la capa de ozono, es un acuerdo internacional adoptado en una conferencia diplomática que tuvo lugar en Montreal (Canadá) el 16 de septiembre de 1987 por el que los gobiernos firmantes se comprometieron a reducir progresivamente y finalmente suprimir la fabricación y uso de estas sustancias, para lo que se estableció un calendario para su eliminación. Dicho calendario fue revisado en varias ocasiones, la ultima en 1997. Uno de los refrigerantes con mejores propiedades termodinámicas y por ello el mas utilizado hasta dicha fecha pertenece a este grupo es el R-12 o diclorodifluormetano y el R-11 o triclorofluormetano. -

HCFC: son hidrocarburos halogenados que contienen un átomo de hidrogeno en su molécula lo cual le permite oxidarse con mayor rapidez en la parte baja de la atmósfera siendo su poder de destrucción de la capa de ozono menor. Son sustitutos a medio plazo de los CFC. Según el Protocolo de Montreal su uso y producción tendrá que estar reducido al 100 % en enero del 2030. Ejemplo: R-22 clorodifluormetano ODP= 0,05.

-

HFC: derivados halogenados que no contienen cloro en su molécula oxidándose con gran rapidez en capas bajas de la atmósfera, siendo su ODP= 0. Ejemplo R-152 o difluormetano.

Tomado de ASRAHE Consideraciones sobre los refrigerantes según el reglamento de seguridad para plantas e instalaciones frigoríficas. 1. Denominación simbólica de los refrigerantes: según este reglamento los refrigerantes además de por su fórmula química pueden identificarse por un

código adoptado internacionalmente siguiendo las siguientes reglas: el código va precedido de una R, a continuación aparecen unas cifras relacionadas con la formula química del refrigerante que indican lo siguiente: A. La primera cifra de la derecha en los compuestos que carezcan de Br indica el número de átomos de F en sus moléculas. B. La segunda cifra de la derecha es el número de átomos de H+1. C. A la izquierda de la anterior se indica con otra cifra el número de átomos de C1.

R-(C-1)-(H+1)-(F).

D. Si la molécula contiene átomos de Br se procede según lo visto añadiendo luego a la derecha una B seguida del numero de dichos átomos. E. Los derivados cíclicos se expresan según la regla general, encabezándolos por una C a la izquierda del numero del refrigerante. F. Los compuestos no saturados siguen las mismas reglas anteponiendo el numero 1 como cuarta cifra contada desde la derecha. G. Las mezclas determinadas de refrigerantes o azeótropos (disolución de 2 o más líquidos cuya composición no cambia por destilación) se expresan por las denominaciones de sus componentes intercalando entre paréntesis el porcentaje en peso correspondiente a cada uno. También pueden designarse por un numero de la serie 500 completamente arbitrario. H. Los refrigerantes de los compuestos inorgánicos se identifican añadiendo a la cifra 700 el peso molecular de los compuestos. 2. Criterios de seguridad: el reglamento de seguridad de plantas e instalaciones frigoríficas divide los fluidos en tres categorías y recomienda el uso de aquellos que sean menos tóxicos y menos inflamables. Estas categorías son: 1. Refrigerantes de alta seguridad: se incluyen todos los refrigerantes halogenados más utilizados actualmente. 2. Refrigerantes de media seguridad: es el amoniaco y otros residuos en desuso como el SO2 y el CH3Cl. 3. Refrigerantes de baja seguridad: son los hidrocarburos gaseosos como el propano, butano y etileno no utilizados habitualmente.

Tomado de ASRAHE

Un segundo aspecto de importancia en el conocimiento de los sistemas de refrigeración tiene que ver con los refrigerantes temas que abordaremos a continuación:

2.4.2 Características termodinámicas comparadas Las propiedades termodinámicas tienen estrecha relación con la capacidad del refrigerante para absorber, transportar y rechazar el calor. Las más importantes son presión, temperatura, volumen, entalpía y entropía. Para estudiar comparativamente tales propiedades escogeremos los cuatro refrigerantes de uso más corriente en la refrigeración industrial: - Presión: las presiones necesarias de un sistema de refrigeración son muy importantes pues determinan la dimensión que debe tener el equipo para comprimir y mover el refrigerante en estado de gas. Altas presiones de operación requieren de equipos más pesados y por tanto más costosos. Si las presiones de funcionamiento son negativas con respecto a la presión atmosférica, existirá el problema de entrada de aire y humedad dentro del sistema. Un refrigerante adecuado deberá tener una presión de condensación tan baja como sea posible y una presión de evaporación por encima de la atmosférica, a fin de trabajar siempre con presión positiva. - Temperatura: otra forma de analizar un refrigerante es conociendo la temperatura de evaporación a la presión atmosférica (0 psig.). Esta temperatura sirve de referencia para la selección del refrigerante según la temperatura a sistema a la cual se quiere llegar, sin que el compresor del sistema opere en vacío. - Volumen: el volumen específico de un refrigerante, especialmente en estado gaseoso indica la cantidad de vapor que debe bombear el compresor por cada libra de refrigerante evaporado a cierta temperatura. Observemos que una libra de R-502 produce solamente 0,82 pies cúbicos de gas al evaporarse a 5 0F, pero el amoníaco produce 8,15 pies cúbicos que es casi 10 veces más que el anterior a las mismas condiciones, necesitándose un compresor de mayor capacidad volumétrica para mover una libra de amoniaco gaseoso. - Entalpía. Es la cantidad de calor o energía que contiene un refrigerante a determinada condición de temperatura y presión. El calor latente es la cantidad de calor que se requiere para lograr el cambio de estado del refrigerante. Este calor latente equivale al efecto de enfriamiento por

unidad de masa del refrigerante. En general, puede observarse que el calor latente del amoníaco (R-717) es más alto que los demás. Esta propiedad es de gran importancia en la escogencia de un refrigerante y se estudiará más en el análisis del ciclo de refrigeración. Todas las propiedades termodinámicas deben tenerse en cuenta al escoger un refrigerante y una sola no es suficiente para determinarlo, por ejemplo: en la selección de un compresor las presiones de operación y el volumen por minuto son características importantes. El tamaño de la máquina requerida depende del volumen por minuto a manejar y su dimensión depende del rango de presiones a los que se necesite trabajar. La circulación volumétrica de refrigerante por las tuberías determina las dimensiones de las líneas de gas caliente y succión. 2.4.3

Características físicas

Son propiedades de los refrigerantes que no cuentan dentro de la capacidad de absorción o transporte del calor, pero que tienen importancia en otros aspectos de su manejo. Estudiaremos los principales: - Miscibilidad. Se refiere a la capacidad de mezclarse con el aceite. De los refrigerantes estudiados el que no se mezcla con el aceite es el R-717 (amoníaco). La miscibilidad proporciona principalmente las siguientes ventajas: facilidad de lubricación de las diferentes partes móviles del compresor y mayor facilidad de retorno del aceite al compresor. A su vez, los mayores inconvenientes son: la disolución del aceite en el compresor, transferencia de calor disminuida y problemas en el control del sistema. - Temperatura y presión críticas. La presión crítica es aquella a partir de la cual un fluido permanece en estado líquido aun cuando se le adicione calor. Esto significa que no se evaporará y por tanto no sirve como refrigerante a presiones superiores a la crítica. La temperatura crítica es aquella temperatura de saturación correspondiente al estado en el cual las propiedades del líquido y el vapor son idénticas.

- Tendencia al escape. En idénticas condiciones termodinámicas, los refrigerantes presentan tendencias a fugarse de las tuberías. A menor peso molecular existe mayor tendencia a escaparse el gas por agujeros iguales. El tamaño de las moléculas es proporcional a la raíz cuadrada del peso molecular y relacionaría los diámetros de agujeros por los que escapasen los gases con la misma dificultad. - Olor. El olor de un refrigerante puede ser ventajoso para su detección en caso de fuga, lo cual permite recuperar antes de que ocurran fallas mayores o averías. El olor del amoníaco es fuerte y picante a diferencia de los otros cuyo olor es ligeramente etéreo. - Toxicidad. Se podría afirmar que todas las sustancias gaseosas en algún grado son asfixiantes o tóxicas; sin embargo, existen diversos niveles de toxicidad determinados según pruebas específicas. Para los refrigerantes estos han sido clasificados en tres grupos teniendo en cuenta la concentración y duración de la exposición que conduce a lesión seria. Por ejemplo en el grupo 2 de toxicidad aparece el amoniaco razón por la cual es limitada su utilización a nivel industrial; el R-12 y el R-22 son los de mayor uso en los niveles de refrigeración residencial y comercial. -Humedad. La humedad es absorbida por los refrigerantes en proporciones variables. Cuando esta existe se pueden causar fenómenos como la formación de ácidos corrosivos los cuales deterioran las tuberías y válvulas de bronce, además de que los motocompresores están sujetos a corto-circuito; por otra parte, se pueden producir taponamientos en los dispositivos de control de refrigerantes, válvulas y flotadores por la congelación del agua en los lugares de baja temperatura, dentro del sistema de refrigeración. Vale la pena anotar, que un refrigerante al enfriarse, disminuye su capacidad de retener agua y se precipita cierta cantidad en forma líquida. 2.4.4 Controles de flujo de los Refrigerantes Para terminar este aparte sobre refrigerantes, mencionaremos los controles de flujo ya que estos deben estar sujetos por medio de instrumentos de medición y cuyos propósitos fundamentales son:

-

Mantener el diferencial de presión apropiado entre los puntos de alta y baja presión del sistema.

Permitir el flujo del refrigerante al evaporador para mantener la rata necesaria que permita remover el calor de la carga. Son cinco los principales instrumentos de medición utilizados actualmente: - Válvula de expansión automática - Válvula de expansión termostática - Tubo capilar - Flotador en el punto de baja presión - Flotador en el punto de alta presión

-

La válvula de expansión automática mantiene una presión constante en el serpentín de enfriamiento mientras opera el compresor. Su uso se limita a cargas más o menos constantes en el evaporador; con este instrumento si la presión disminuye habrá una disminución de refrigerante y la capacidad de absorción de calor del serpentín se disminuirá, por el contrario, si la presión se aumenta, habrá un incremento en el flujo de refrigerante lo cual abre la posibilidad de inundar con refrigerante líquido la línea de succión y se corre el riesgo de dañar el compresor, si no existiere la válvula. La válvula de expansión termostática está equipada con un tubo capilar y un bulbo sensor, los cuales le transmiten la relación de presión y temperatura del vapor a la salida del evaporador. El tubo capilar puede considerarse como el instrumento más simple de medición, éste se localiza entre el condensador y el evaporador y cumple con las funciones descritas para las válvulas de expansión; posee como desventajas el taponarse fácilmente, el requerir una carga exacta de refrigerante y el no ser sensible a los cambios de carga. El flotador en el punto de baja presión también mide el flujo de refrigerante en el evaporador; se construye en forma de recipiente sellado con un metal inerte al refrigerante y se localiza en el lado de baja presión. Por último el flotador en el punto de alta presión se localiza cerca del condensador o del evaporador y su diseño es tal que cuando la cámara del flotador se llena con refrigerante, el flotador sube elevando por consiguiente la válvula de su fondo y permitiendo que el refrigerante fluya al punto de baja presión.

2.5 CONGELACION Introducción Ahora nos detendremos en el fenómeno de la congelación, entendiendo éste como una manera de conservar los alimentos cuando se hace descender su temperatura suficientemente de manera que una gran parte del agua que estos contienen se transforma en hielo. Este proceso en sí disminuye y en otros casos detiene por completo los desarrollos microbianos que ocurren en los alimentos y estabiliza el producto en cuanto a degradaciones químicas y enzimáticas se refiere. Cuando ocurren estos fenómenos de origen bioquímico, la congelación actúa de las siguientes formas: en el primer caso el descenso de la temperatura reduce la velocidad de multiplicación de los microorganismos y minimiza las reacciones bioquímicas; la transformación de agua en hielo disminuye la cantidad de agua disponible para los microorganismos (que para reproducirse necesitan una actividad de agua igual o superior a 0,8) lo que equivale a una verdadera deshidratación o criodesecación. Es necesario añadir que en alimentos con alta viscosidad el cambio de estado agua-hielo limita las posibilidades de contacto entre los reactantes y especialmente entre las enzimas y sus respectivos substratos. Por otro lado, digamos que el proceso de congelación genera productos finales muy semejantes al producto fresco inicial; sin embargo la cristalización del agua afecta fundamentalmente y en medida significativa las estructuras del alimento, produciéndose una pérdida en la calidad del mismo, de ahí que sea muy importante atender a las condiciones óptimas de congelación, almacenamiento y descongelación. 2.5.1 Velocidad de congelación y recristalización La velocidad de congelación aplicada en los alimentos y animales puede ocasionar modificaciones físicas debido a la cantidad de agua contenida en su interior. Si utilizamos baja velocidades de congelación el jugo intercelular poco concentrado se separa creando grandes cristales de hielo que rodean a las

células. En el interior de las células existe un jugo más concentrado, el cual necesita un punto más bajo para iniciar la congelación. En esas condiciones el vapor de agua enfriado pero sin llegar a solidificarse en el interior de las células, provoca una difusión de vapor a través de las paredes celulares. La baja velocidad de congelación provoca la formación de hielo intercelular. Este proceso sólo concluye cuando alcanza el punto hidrosfrioscópico, esto es cuando coagula totalmente el jugo celular, o cuando al interrumpirse la congelación, se restablece el equilibrio de la presión de vapor de agua en el interior de las células y en las paredes intercelulares. En consecuencia, un proceso de enfriamiento de esta clase, las retracciones celulares, van acompañadas de una alteración química y la formación de cristales de hielo en los espacios intercelulares, capaces de deformar y destruir el tejido. Generalmente cuanto mayor es la velocidad de congelación, menores son las alteraciones provocadas por la congelación de esta fracción de agua. Con los modernos métodos se usa una elevada velocidad de congelación, en los cuales el espacio de tiempo entre la formación de hielo en los espacios intercelulares y en el interior de las célula es muy corto, creando además abundantes y pequeños cristales de hielo, que a diferencia de los grandes cristales de hielo formados por congelación lenta, ocasionan alteraciones estructurales. Aun cuando siempre existen modificaciones estructurales, la conservación de alimentos por congelación constituye un método benigno para mantener la calidad. Su acción conservadora es atribuible a la capacidad de reacción correspondiente a la regla VRT (velocidad de reacción – temperatura), pues a medida que disminuye la temperatura, menores son las transformaciones químicas y bioquímicas. Ahora bien, la velocidad de congelación elevada, es uno más de los factores que influyen para conseguir productos con alteraciones mínimas, pero no es el único en el proceso de conservación.

También cuentan las condiciones de depósito en un ambiente adecuado para conseguir los efectos deseados en la preservación. La utilización de una congelación adecuada en una planta moderna es de vital importancia, pues resulta cuestionable una elevación sostenida de la velocidad, tanto por razones de gastos energéticos como por resultados de calidad. Pongamos por ejemplo: la congelación de alimentos con gases líquidos, donde habrá que saber cual es la máxima velocidad de congelamientos conveniente. Pues si usamos una velocidad de congelación muy elevada se produce una rápida formación de cristales de hielo, con un acentuado aumento de la presión interna. Como consecuencia de la rápida sustracción de calor, tiene lugar en cada una de las capas del producto un marcado desnivel térmico: mientras la temperatura superficial se encuentra ya muy por debajo del punto de congelación, el núcleo central de la pieza se encuentra todavía en estado de cambio de fase. El aumento del volumen del centro de la pieza congelada ocasiona enseguida el aumento de presión interna. Si la rígida capa exterior de hielo no tiene capacidad para soportar la presión ejercida desde el interior, la pieza congelada explota. De aquí el cuidado puesto en la elección de los márgenes de velocidad tolerables para evitar el estallamiento del producto. Recristalización Cuando empleamos una alta velocidad de congelación pueden anularse las ventajas de la formación de pequeños cristales de hielo y bien repartidos por procesos de recristalización sucedidos en el curso de la congelación. Si durante el almacenamiento de los productos congelados se producen continuadas fluctuaciones térmicas, al cabo de pocas semanas pueden haber desaparecido por completo las diferencias de tamaño existentes entre los cristales de hielo en alimentos congelados lenta o rápidamente. Por recristalización entendemos la formación de grandes cristales de hielo por crecimiento, como consecuencia de la continuada difusión de vapor de agua resultante de la diversa presión de vapor actuante sobre la superficie de dichos cristales.

Una menor presión de vapor sobre los grandes cristales de hielo, trae como consecuencia una continuada difusión de vapor de agua en la dirección marcada por la diferencia de presión de vapor (de los cristales pequeños a los grandes), lo cual en resumen provoca la formación de grandes cristales de hielo a expensas de los pequeños. La formación de estos grandes cristales de hielo influye negativamente sobre la calidad del producto, tales como: deformaciones celulares, estallido de células, elevadas mermas por goteo en el descongelamiento, tal y como sucede cuando utilizamos una congelación lenta. Es por esto necesario evitar las oscilaciones de temperatura durante el depósito de productos congelados, pues al existir continuados aumentos en la diferencia de tensión de vapor entre los cristales de distintos tamaños, provoca una marcada aceleración en los procesos de recristalización. Después de estas consideraciones volvamos a repasar algunos aspectos que nos permitirán entender la congelación como fenómeno físico: seguramente, en el estudio de la termodinámica se entendieron los conceptos que hacen de la congelación un proceso técnicamente controlable, veamos algunos aspectos que fundamentan dicho control: Curvas de cambio de estado: cuando un fluido puro se somete al enfriamiento pasa del estado líquido al estado sólido y a una temperatura denominada temperatura de cristalización. En la figura 9 se observa como el agua pura se cristaliza a temperatura de 0ºC y a presión atmosférica normal:

Figura 9. Congelación del agua pura

La zona 1 o zona de preenfriamiento o precongelación Enfriamiento del producto desde que ingresa al congelador hasta que llega a su punto de congelación. La zona 2 o zona de congelación Donde comienza a solidificar el agua libre del producto. La zona 3 o zona de subenfriamiento o o reducción El producto finaliza el proceso de cristalización hasta llegar a la temperatura de almacenamiento. Se puede considerar una ultima zona o etapa en la cual el producto alcanza condiciones en las cuales no hay intercambio de calor en su entorno. Se da en almacenamiento. Sin embargo, cuando el agua no se encuentra en estado puro sino contenida en un alimento como es nuestro caso de análisis, la cristalización no se realiza a temperatura constante, se observa entonces el llamado pseudo umbral de la congelación. Veamos la figura 10 que nos explica cómo el fenómeno de la cristalización sucede en una muestra de carne.

Figura 10 Congelación de una muestra de carne

Como se infiere el componente líquido de la carne está constituido por una solución acuosa de sales y proteínas especialmente, la cual cuando se reduce la temperatura llega a conformar los denominados cristales primarios, los que a su vez incrementan la fuerza iónica de la solución residual conduciendo a un descenso de su punto de congelación; lo anterior hace necesario disminuir la temperatura para lograr la formación de nuevos cristales de hielo o el crecimiento de los cristales primarios, esto explica la estructura de la curva 2 en contraste con lo observado en la curva de la figura10, es decir, la ausencia de un verdadero umbral de congelación. Estas curvas de cambio de estado que permiten definir el fenómeno de la congelación corresponden a ejemplos en los cuales siempre la temperatura es homogénea; en la práctica el rango de temperaturas es heterogéneo y las capas superficiales se enfrían lógicamente antes que las capas centrales.

El Instituto Internacional de frío IIF citado ha elaborado unas curvas y definiciones sobre las variables de incidencia básica en los procesos de congelación de los alimentos. Veamos: FIGURA 11 Aspecto general de una congelación en el aire (túnel) 1) Temperatura de superficie, 2) Temperatura del centro térmico, 3) Temperatura ambiente, 4) La temperatura de equilibrio de un paquete o de una masa de productos alimenticios es la que la masa alcanza después de la estabilización térmica en condiciones adiabáticas (es decir sin añadir ni quitar calor) IIF

Tiempo nominal de congelación El tiempo nominal de congelación de un producto de naturaleza y dimensiones conocidas a una temperatura inicial uniforme de 0ºC es el tiempo necesario para que el centro térmico alcance una temperatura inferior a 10ºC de la temperatura

de congelación inicial. Tiempo efectivo de congelación El tiempo efectivo de congelación es el tiempo que se necesita para descender la temperatura de un producto de su valor inicial a un valor conocido de su centro térmico. Velocidad de congelación La velocidad de congelación de una masa de productos alimenticios se obtiene dividiendo la distancia mínima entre la superficie y el centro térmico por el tiempo transcurrido entre el momento en que la temperatura superficial es de 0ºC y el tiempo en que el centro térmico esté a 10 0C por debajo de la temperatura de congelación inicial. Centro térmico y congelación El centro térmico de un paquete o de una masa de producto es el punto en el cual la temperatura del mismo, al final de la congelación, es más alta. Como se observa la definición del tiempo de congelación no es muy exacta, lo que imposibilita el lograr valores reales si se le compara con otras medidas realizables, como por ejemplo, la contrastación entre las temperaturas iniciales y finales variables. La congelación es rápida cuando el avance del frente de hielo desde la superficie hasta el centro del producto es de 5 cm. o mayor de 5cm/hora. La congelación es lenta si el avance del frente de hielo desde la superficie hasta el centro del producto es de menos de 0.1 cm/hora o cuando la velocidad de avance del frente de hielo es 0.1 a 0.5 cm/hora. En la congelación lenta se forman menor número de cristales que en la congelación rápida. El tipo de cristales en una congelación rápida es más homogéneo y mas pequeño que en una congelación lenta, cuyos cristales son irregulares y grandes. Realizando una congelación lenta en un producto hay mayor probabilidad que las paredes de las células sean afectadas por los cristales grandes, perdiendo su contenido de agua y nutrientes en la descongelación. En la Tabla 1 se pueden observar comparativamente las diferencias entre los procesos de congelación ultrarrápida y congelación lenta; adicionalmente la Tabla 8 permite observar como diversos autores han establecido rangos diferenciales

entre temperaturas de inicio y finalización de la congelación para canales de bovino. Tabla 1 Análisis comparativo de factores variables según uso de la congelación ultrarrápida o de la congelación lenta

Para complementar el conocimiento de las curvas de congelación como instrumento fundamental en la operación técnica de este fenómeno, las figuras 12 y 13 detallan el crecimiento de los cristales de hielo en la congelación de un músculo de bovino y la influencia de la velocidad de congelación respecto al tamaño y a la localización de los cristales en un músculo congelado respectivamente. FIGURA 12 Crecimiento de los cristales de hielo en la congelación de un músculo (esquemas)

(a) a)

(b)

(c)

Formación de los primeros cristales.

b) Crecimiento de los primeros cristales: el agua del sarcoplasma pasa al exterior de las células por ósmosis, c) Células al igual de la congelación (proceso de congelación lenta, pérdida de alto porcentaje de agua) Con los anteriores conocimientos se comprende fácilmente la diferencia entre congelación y almacenamiento en estado congelado de lo que es el mantener la frescura original de los alimentos utilizando la refrigeración. Podríamos concluir que de hecho en ambos casos se aprovecha la acción benéfica de las bajas temperaturas aunque difieren en la intensidad de la aplicación de éstas: -18ºC y menos en algunas oportunidades para la congelación

y de – 4ºC o más para la refrigeración; no olvidemos que durante la refrigeración uno de los fenómenos que ocurre es el retraso en el desarrollo de microorganismos y de alteraciones bioquímicas, por el contrario en la congelación el crecimiento de microorganismos se suspende totalmente y los procesos de carácter bioquímico se dan en tal lentitud que parecieran inhibidos. FIGURA 13 Influencia de la velocidad de congelación respecto al tamaño y localización de los cristales en músculo congelado.(esquemas)

(a)

(b)

(c)

A- Enfriamiento lento, (pocos cristales, grandes y extra celulares), B- Enfriamiento

rápido

(cristales

más

pequeños,

más

numerosos

y

extracelulares) C- Enfriamiento ultrarrápido (cristales pequeños Intra y extracelulares) Por otra parte la diferenciación entre los conceptos de congelación y ultracongelación se establecen básicamente sobre las temperaturas aplicadas a cada caso. “Se podría convenir en asignar la calificación de congelados a los productos sometidos a la acción de las bajas temperaturas en al rango de -10 y –12ºC hasta –18ºCy la de ultra congelados a los mantenidos en todo momento a temperaturas inferiores a –18ºC”. Como veremos en la segunda unidad de este módulo a ningún alimento le perjudica la conservación por frío, sin embargo, no todos presentan las mejores condiciones para ser congelados; en la práctica son muchos los alimentos que una vez descongelados y preparados no se distinguen de los frescos, pero también los

hay, especialmente algunas frutas y hortalizas, que no son apropiadas para congelar. Nadie duda que los alimentos congelados ahorren tiempo y dinero al permitir conservar grandes cantidades en condiciones favorables, por ejemplo durante épocas de cosecha en el caso de alimentos de origen vegetal o de épocas de abundancia o subienda en el caso de los pescados y mariscos. En algunos casos, los alimentos congelados presentan mejores condiciones que los mismos denominados frescos, pues estos últimos están sujetos a mayores exposiciones que pueden afectar fácilmente su calidad. cuando la calidad disminuye en un alimento congelado, este hecho obedece más a las pocas aptitudes del alimento o a defectos de la materia prima que al mismo proceso de conservación; es por esto que una regla de oro que se debe tener siempre en cuenta dice: “La calidad de los productos congelados depende esencialmente de las características de la materia prima, de las condiciones de elaboración, del envasado y de la temperatura y duración del periodo de almacenamiento” En conclusión las condiciones organolépticas de la materia prima fresca (olor, sabor, aspecto, forma, color, etc.) y su valor nutritivo (vitaminas, proteínas, carbohidratos, etc.) nunca podrán ser superados por el alimento congelado. Volvamos ahora al análisis físico de la congelación: La Tabla 2 presenta a partir de los valores de entalpía, el contraste en el porcentaje de los contenidos de agua de ciertos alimentos en su estado fresco y en diferentes rangos de temperatura de refrigeración, congelación y ultracongelación.

TABLA 2 Proporción del contenido de agua en alimentos, según su temperatura

(1) Para estos productos los datos se calculan a partir de las medidas de entalpía (2) Determinado por una cantidad de las materias secas totales apropiadas al producto. Elaborada sobre la base de rangos de temperatura de L. Riedel

Podríamos inferir que en el cambio del estado líquido a sólido (agua-hielo) la cristalización del agua se acompaña de un aumento de volumen el cual no se puede provocar, si no se efectúan los procedimientos técnicos establecidos, fisuras en las membranas celulares e intracelulares (mitocondrias, lisosomas, etc.) del alimento, este hecho es de mayor ocurrencia en la congelación lenta que en la ultrarrápida puesto que en esta última se evita el traspaso de agua del sarcoplasma hacia los espacios extracelulares. Otro fenómeno que ocurre por la cristalización del agua es el aumento de la fuerza iónica de las soluciones extra o intracelulares con precipitación posible de sales ácidas o básicas, de allí que se sucedan paralelamente variaciones de pH y de la composición del alimento. Para los pHs elevados y de débil concentración en proteínas el pH disminuye a lo largo de la congelación por causa de la

concentración de las sales en la fase líquida; por el contrario para los pHs iniciales bajos y una concentración elevada en proteínas el pH inicial se eleva. Tanto la concentración elevada de sales así corno los nuevos valores de pH que se den al finalizar la congelación, pueden llevar a la desnaturalización de las proteínas de constitución o de las proteínas enzimáticas; en particular esta situación afecta los procesos de almacenamiento, descongelación y cocción por pérdidas de peso. Se estima que una congelación ultrarrápida reduce los fenómenos de desnaturalización, además se pueden utilizar sustancias crioprotectoras como el glicerol (1, 2,3-trihidroxipropano). 2.5. 2 Técnicas de congelación Actualmente se utilizan diferentes técnicas para congelar los alimentos, entre ellas se relacionan brevemente. - La congelación en corriente de aire. - Congelación por contacto con placas enfriadas. - Congelación a inmersión. - Congelación por evaporación del liquido. - Congelación por nieve carbónica. - Ultracongelacion individual. IQF En ocasiones, por ejemplo, se congela la carne en canales o medias canales para permitir su almacenamiento prolongado o su transporte a largas distancias, a riesgo de que ocurran modificaciones en su calidad. En otras ocasiones se utiliza la congelación de las carnes ya cortadas y deshuesadas; con los vegetales la situación no varía mucho, a veces se transportan o almacenan en guacales o bultos y en otras se efectúan procesos de preconservación sobre pulpas especialmente que facilitan su manejo. Por todo lo anterior se hace necesario antes de elegir una de las técnicas anotadas tener en cuenta los siguientes factores: - La naturaleza y dimensiones del producto. - El acondicionamiento y embalaje del mismo. - El ritmo de su producción. - El espacio utilizable. - El costo de las instalaciones. - Los gastos de producción.

Además, las diferentes técnicas de congelación de alimentos se clasifican teniendo en cuenta la forma de traslado del calor que utilizan; veamos por ejemplo:

-

Aire (gas): congelador de aire estático o pulsado; cámaras; células; túneles; cintas transportadoras.

-

Metal: congeladores de placas.

-

Líquido: congeladores de inmersión.

-

Líquido en curso de evaporación: congeladores de nitrógeno líquido y de frigorígeno halógeno líquido.

-

Sólido en curso de sublimación: congelación por medio de nieve carbónica.

Por último es importante tener en cuenta para la elección del procedimiento de congelación más apropiado, conocer si se han de congelar pequeñas o grandes cantidades, silos productos por congelarse rotan con frecuencia o si por el contrario se trata siempre del mismo, si las materias primas o productos terminados por almacenar han sido empacados o no, si su congelación se efectúa sobre producto unitario o masa del mismo, si se requiere de maquinarias de alto o bajo costo de adquisición o funcionamiento, etc. En la industria de alimentos han tenido mayor uso los equipos frigoríficos de compresión aun cuando dependiendo de las condiciones anotadas también se hace uso de las diferentes técnicas. Veamos en detalle cada una de ellas.

Congeladores en corriente de aire Tanto en túneles corno en cámaras y células se utiliza como fluido refrigerante aire frío que mantiene temperaturas entre -10 y –40ºC y la velocidad de 0,5 a 5 m/segundo. La congelación estática en el aire en calma está, en la actualidad, prácticamente abandonada debido a la gran lentitud del proceso y los

inconvenientes que le están ligados (inmovilización de los locales, calidad final disminuida): el coeficiente superficial de transmisión del calor es, en efecto, muy débil entre el aire y los alimentos. Por ejemplo, las canales de vacunos que se desean congelar casi siempre se encuentran colgadas en carriles aéreos; son ligeramente preparadas y pasan a los túneles de congelación después de una refrigeración de 24 a 72 horas. La congelación de estas canales a una temperatura superior a los 10ºC durante las doce primeras horas de congelación permite evitar los fenómenos de contracción en frío y el rigor de descongelación. También es con frecuencia utilizada una congelación rápida por aire frío haciendo descender a -30 y hasta –45ºC la temperatura del aire aumentando sensiblemente su velocidad. Es por todo lo anotado que este procedimiento se le considera de aplicación universal aun cuando tiene como principal desventaja el mayor consumo de frío ya que aproximadamente es un 20% superior al rendimiento frigorífico normal. Los equipos más utilizados son las cámaras simples dotadas de la correspondiente conducción de la ventilación y en la que el producto no se desplaza durante la congelación; el túnel de congelación de sección transversal relativamente pequeña en el cual los alimentos por congelar son desplazados en sentido contrario al aire en movimiento; junto a estos existen otros tipos de congeladores que utilizan igualmente el aire como medio refrigerante y como medio transportador cintas metálicas que permiten un tratamiento continuo y el paso del aire frío mediante chorros verticales, este tipo de aparato es el más utilizado en la congelación de productos desnudos o de productos que hay que congelar individualmente y que deben ser manipulados con precaución como es el caso de las hamburguesas. Las Figuras 14, y 15 muestran respectivamente los equipos de congelación por aire frío ya sea mediante la utilización de cámaras, o cinta transportadora.

Figura 14 Congelación de aire por cámara

Figura 15 Congelador de cinta transportadora

1. Pared aislada del túnel 2. Vibrador. 3. Embudo de carga. 4. Cinta desecado. 5. Cinta (enrejada) de velocidad regulable. 6. Extendedor del producto. 7. Zona de aire agitada 8. Evaporador. 9. Aire a gran velocidad. 10. Ventiladores de potencia regulable. 11. Agua de deshielo.12. Tubería de frigorígeno. 13. Regulador de velocidad de cinta. 14 Embudo de descarga

Congelación por contacto con placas enfriadas Este procedimiento permite una congelación más rápida que la congelación por corriente de aire frío; sin embargo, no puede ser utilizada para todo tipo de alimento sino para aquellos que poseen forma regular y espesor inferior a 10 cm. Al contrario de lo que sucede en otros procedimientos de congelación en los que la extracción de calor se realiza por convección, en el de congelación por contacto con placas metálicas intensamente enfriadas, se extrae el calor por conducción. De hecho este procedimiento se usa para paquetes pequeños de una altura máxima de 7cm. y de consistencia firme como es el caso de los filetes de pescado, la crema de leche, etc. El fluido frigorígeno circula por las placas metálicas horizontales o verticales según sea el caso entre las cuales el producto es aplastado (hasta 0,1 kg./cm2); el contacto con el metal produce un buen coeficiente de transmisión del calor a condición de que el producto sea un buen conductor. Con este procedimiento se pueden llegar a establecer operaciones continuas especialmente cuando se da mediante el uso de placas horizontales tal como se puede observar en la Figura 16. FIGURA 16. Congelador de placas

Esta técnica de congelación también es muy utilizada en la conservación de beefsteaks picados, entre otros platos cocidos; como es bien sabido este producto en estado fresco es muy perecedero y debe ser comercializado entre las 24 ó máximo las 48 horas; utilizando esta técnica su nivel máximo de conservación se incrementa a 9 meses.

En la Figura 16 se pueden observar los diferentes componentes de un congelador de placas horizontales, del cual podemos resaltar su comportamiento favorable en el orden térmico ya que las pérdidas de frío son relativamente escasas y se alcanzan con facilidad elevadas velocidades de congelación. C. Birdseye diseñó estos primeros equipos utilizando dos placas de aluminio entre las cuales se situaban los productos por congelar; por el interior de estas placas discurrían conducciones de acero para el refrigerante a vaporizar; generalmente una de las placas permanece fija y la otra presiona ligeramente el producto introducido. Los equipos modernos que utilizan este sistema han ampliado el número de placas horizontales hasta 20 las cuales se enfrían por medio de una salmuera. Congeladores de inmersión En este procedimiento los alimentos son sumergidos en una cubeta con liquido refrigerante ya sea solución salina, solución de propilenglicol, nitrógeno líquido o hidrocarburos halógenos. Con esta técnica se logra una buena transmisión de calor en productos de formas irregulares pero correctamente embalados; este tratamiento es frecuentemente utilizado para la congelación de aves, espárragos, tomates, melones, etc. En la elaboración y sobre todo para el envío de alimentos congelados, se ha utilizado recientemente el nitrógeno liquido (Punto de ebullición –196ºC) el cual no ejerce ningún tipo de influencia sobre el aroma y el sabor de los alimentos. Generalmente, el nitrógeno es extraído de un tanque y dirigido en forma de ducha sobre el alimento por medio de un sistema de tobera o inyector o también se utiliza como mecanismo una cinta transportadora que lleva el alimento directamente a un recipiente lleno de nitrógeno, con este procedimiento, sin embargo, se corre el riesgo de romper el producto a causa de la alta velocidad de congelación a que es sometido; en la Figura 17 se observa el esquema de funcionamiento de una instalación criogénica con nitrógeno líquido.

FIGURA 17. Esquema de funcionamiento de una Instalación criogénica con nitrógeno líquido

Tomado de K. Hermann.Alimentos congelados.Messer - Griesheim de Dusseldorf*

Congelación por evaporación de líquido Se podría decir que es una técnica mejorada de la anteriormente enunciada, en esta el traspaso de frigorías es más eficaz que con el procedimiento por inmersión, pues el vapor producido por ebullición del nitrógeno líquido o del freón según sea el caso, en contacto con el alimento por congelar no constituye ya una barrera, que como en el caso de inmersión es tan solo un baño; aquí se convierte en un eficiente procedimiento de contacto (congelación directa) con el alimento. La utilización de esta técnica no ha sido autorizada aún en todos los países y solo algunos de ellos la han acogido provisionalmente siempre y cuando se cumpla con las dos condiciones siguientes: 99,97% de pureza y residuos inferiores a 100 partes por millón de refrigerante… ppm… del refrigerante. Las Figuras 17, 18 y 19 nos muestran algunos esquemas que permiten reconocer los equipos congeladores que se basan en esta técnica.

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Tomado de K. Herrmann Alimentos congelados – Tecnología y comercialización

Figura 18. Congelador con nitrógeno líquido

Figura 19. Congelador de hidrocarburo halogenado líquido

1. Transportador de entrada de los productos 2. Transportador de congelación. 3. Transportador de salida deles productos, 4. baño de congelación. 5. Tobera de pulverización, 6. Condensador de frigorígeno

Congelación por nieve carbónica Contraria a los anteriores procedimientos que utilizan el calor de vaporización de líquido, esta técnica utiliza como fundamento el calor de sublimación de un sólido; en efecto el medio refrigerante, dióxido de carbono (CO2) es utilizado en circuito abierto, siendo almacenado en depósitos bajo su estado líquido; su expansión provoca su solidificación bajo la forma de nieve carbónica a la salida del conducto, el cual se sublima rápidamente en el recinto. La convección es activada por una agitación producida con la ayuda de ventiladores y los alimentos ubicados sobre una cinta transportadora atraviesan este recinto. A presión atmosférica normal el proceso de sublimación se realiza a 80ºC y la producción frigorífica utilizable es del orden de 285 kJ/kg. de los cuales 268 corresponden a calor latente y 17 a calor sensible. En la Figura 19 se presenta un túnel de congelación con CO2 que comprende básicamente para su instalación de los siguientes componentes: FIGURA 20 Túnel de congelación con CO2

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—

—

Un recinto aislado en el que se desplaza una cinta transportadora enrollada en espiral. Un sistema de ventilación que activa el intercambio térmico entre el CO2 y el producto por congelar. Un sistema de distribución por pulverización de CO2 líquido, provisto de dispositivos de control y regulación.

Para finalizar este tema sobre las técnicas de congelación, presentamos para su análisis en la Figura 20 la curva de influencia del modo de congelación (nitrógeno líquido, inmersión, túnel de aire impulsado o congelador de placas) sobre la velocidad de congelación. Figura 21. Influencia del tipo de congelación sobre la velocidad de congelación 1. Nitrógeno líquido, 2. Inmersión, 3. Túnel de aire , 4. Congelador de placas

Pérdidas de calidad en la congelación y descongelación Algunos alimentos sufren alteraciones que se producen en los momentos de la congelación, el almacenamiento a bajas temperaturas y la descongelación.

Las pérdidas de calidad obedecen, por lo general, a la formación de grandes cristales de hielo y a las secuelas que este deja como fenómenos irreversibles. Como es sabido la congelación actúa intensamente sobre las estructura del alimento alterando en algunos casos las lipoproteínas de las membranas celulares y con ello su permeabilidad; de hecho las transformaciones de los coloides tienen vital importancia en la calidad de los alimentos congelados y generalmente son causantes de inhibición, solubilidad y capacidad de retención de agua tras la descongelación. Por otro lado, la denominada quemadura de congelación es causada, sobre todo en los productos de origen animal, por los cambios que se operan en la fracción acuosa de la deshidratación durante el almacenamiento; además la desnaturalización de las proteínas constituye una importante causa de deterioro de los alimentos especialmente de origen vegetal. Al contrario de las proteínas, las sustancias disueltas como sales, hidratos de carbono, etc., no experimentan mayores daños por el proceso de congelación, en cambio durante el almacenamiento, se pueden ver afectadas en virtud de su enriquecimiento con agua residual no congelada. Para el caso de las enzimas, éstas no sufren mayor cambio durante el proceso de congelación pero si éste no es bien llevado, se pueden afectar al ser alteradas sus estructuras vitales convirtiéndose en serios agentes de descomposición del alimento. Para los tejidos, estos pueden sufrir cambios tan manifiestos que fracciones enzimáticas indetectables pueden convertirse en sustancias bioquímicamente activas las cuales pueden afectar desfavorablemente los alimentos congelados durante el almacenamiento y limitar considerablemente su congelación. En el caso de las vitaminas, éstas no parecen ser afectadas por los procesos de congelación y descongelación. IQF IQF son las siglas que en inglés significan Individual Quick Freezing, o congelación rápida de manera individual. Este proceso de congelamiento rápido permite que los cristales de hielo que se forman dentro de las células de los tejidos sean de tamaño muy pequeño. De esta manera se evita que las paredes celulares que conforman los tejidos vegetales se rompan. Por lo tanto al descongelar el producto no hay derrame de fluidos celulares, lo cual garantiza una textura, valor nutritivo y sabor igual al de un

producto recién cosechado. La diferencia sustancial entre una congelación IQF y una congelación lenta es el tamaño del cristal que se forma. En la segunda el cristal es tan grande que rompe las paredes celulares, permitiendo el derrame de fluidos internos y por ende un deterioro en textura, sabor y valor nutritivo. Adicionalmente, el uso de este proceso garantiza que los productos no necesiten de ningun tipo de químicos o preservantes para su preservación. Además es importante recalcar que gracias a los cambios dramáticos de temperatura se reduce de forma importante la presencia de microorganismos. Normas de almacenamiento de productos congelados

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Todo congelado debe mantenerse a una temperatura no mayor de - 18°C Mantener las instalaciones limpias y almacenar organizadamente. Medir registrar y controlar las variables de Temperatura, Humedad relativa y características sensoriales de los alimentos. Almacenar productos con empaques impermeables bien sellados y debidamente cerrados. Seleccionar los alimentos según su compatibilidad y almacenar de acuerdo a requisitos. Tener mantenimiento preventivo de las instalaciones y utilizar equipos diseñados de acuerdo a la capacidad y especificaciones de almacenamiento requeridos por los productos. Los embalajes deben ser de material resistente en peso, volumen y a las bajas temperaturas. No almacenar productos de dudosa calidad o con sospechosa contaminación. En lo posible se debe implantar el sistema de análisis de riesgos y puntos críticos de control. HACCP.

EJERCICIOS DE TRANSFERENCIA (2) 1. Usted va a seleccionar un evaporador con el objeto de construir un refrigerador. ¿Qué aspectos debería tener en cuenta para la escogencia de éste?

RESPUESTA a) Que tenga suficiente capacidad de transferencia de calor para permitir la vaporización del líquido refrigerante. b) Que absorba el calor con la rapidez necesaria para producir el enfriamiento requerido. 2. Como usted sabe, el ciclo de refrigeración se desarrolla en tres pasos específicos como son: evaporación, compresión y condensación; partiendo de la base que el trabajo neto efectuado por el sistema es la sumatoria de los trabajos realizados durante la trayectoria del ciclo y, además, que el trabajo realizado es la relación entre la cantidad de calor absorbido y la eficiencia, obtenga, considerando la eficiencia, el trabajo total que se requiere para transportar cierta cantidad de calor. 3. RESPUESTA

e=

q2 − q1 q2

e = W / q2 e=

T1 − T2 T = 1− 2 T1 T1

Igualando las ecuaciones (1) y (3):

Hallamos el valor de

q2 − q1 T1 − T2 = q2 T1

q2 : (q2 − q1 )T1 = q2 (T1 − T2 )

(1) (2) (3)

Efectuando productos y cancelando:

q2T1 − q1T1 = q2T1 − q2T2 q2T2 = q1T q2 T1 = q1 T2 T1 q1 T2 Reemplazando en la ecuación (2) obtenemos: q2 =

e=

T W , ó, W = eq2 = 1 − 2 T1 T1 q1 T2

W =

T1 q1 T2

1 T1 −1 q1 T2

3. ¿Qué cantidad de calor máximo se puede absorber y ceder de refrigerador en 10 minutos, si se encontró que éste funciona con una potencia de 200 watts y que las temperaturas exterior e interior son de 300 y 271ºK respectivamente? NOTA: Dar el resultado en calorías y joules 1 joule = 0,2389 calorías 1 watt = 0,2389 calorías/segundo RESPUESTA: 200 watts × P = W/t

0.2389cal / seg = 47.78 cal/seg 1watt

W = P.. t = (47,78 cal/seg).(600 seg) = 28.668 cal.

La eficiencia de la máquina viene dada por: T1 − T2 300 − 271 = = 0.096 , o sea 9.6% T1 200 28,668cal q2 = W = = 298,625cal. e 0.096 1 joule 298,625cal ⋅ = 125000 joules 0.2389cal

e=

e=

q2 − q1 q2

eq2 = q2 − q1

q1 = q2 − eq2 = q2 (1 − e) q1 =298.625cal(1- 0.096)=269.957cal

Por lo tanto q1 =269.579cal ×

1 joule = 1130000 joules 0.2389cal q1 =1 130 000 joules

4. ¿Qué pasaría si el calor absorbido ( q1 ), del problema anterior, fuera igual al

calor cedido ( q 2 )? Haga la consideración desde el punto de vista termodinámico. RESPUESTA:

Si q1 = q2 quiere decir que el sistema se encuentra en equilibrio térmico, es decir, no hay transferencia de calor; por lo tanto el sistema no efectúa trabajo y no se efectúa trabajo sobre el sistema, además la temperatura se mantiene constante. 5. Tenemos 2 máquinas (A y B), ambas reversibles, las cuales funcionan bajo las mismas condiciones de temperatura (T1 será la temperatura mayor y T2 será la temperatura menor) si se supone que las eficiencias de las máquinas no son iguales pero si los trabajos, además que la máquina A utiliza un gas ideal y la máquina B utiliza un material de cualquier propiedad. Si se sabe que la máquina B produce trabajo para ser utilizado por la máquina A como refrigerador (ver diagrama), demostrar que la eficiencia de A es igual a la eficiencia de B si se parte

de la base de que una máquina reversible que utilice cualquier sustancia de trabajo tiene la misma eficiencia de Carnot (e=T1- T2/ T 1).

DIAGRAMA

RESPUESTA: Si la máquina A funciona como un refrigerador y la máquina B como una bomba entonces eB > eA. De acuerdo con el diagrama las máquinas funcionan de la siguiente manera: MAQUINA B: absorbe calor q1 de la fuente de mayor temperatura (T1) produce W y cede calor q2 a la fuente de menor temperatura (T2). MAQUINA A: acepta el trabajo proveniente de la máquina B, absorbe calor q2 del recipiente frío T2 y cede calor (q1’) en la fuente de mayor temperatura (T1). De acuerdo con las especificaciones, la eficiencia será:

W q1´−q2 ´ = q1´ q1´ W q1 − q2 = eB = q1 q1

eA =

Si partimos de eB > eA tenemos: q1 > q1´ lo cual indica: q1´−q 2 ´= q1 − q 2

q1 > q1´ entonces q2 ´> q2

Como…

La transmisión de calor del frío al caliente es:

qn1 = q1´−q1 , al caliente qn 2 = q2 ´−q2 , desde frío <<si>> q1´−q2 ´= q1 − q2 Entonces la acción neta del sistema es una transferencia de calor qn del recipiente frío al caliente. Además, no existen cambios en el sistema, por lo tanto y de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica, la suposición inicial de que eB > eA es falsa y en consecuencia si efectuamos el proceso contrario se puede comprobar de la misma manera que es falso que eA > eB, por lo tanto eA = eB

6. Cuánto trabajo es necesario para congelar: a. 1 kg. de hielo en escarcha, si el calor latente del hielo es 80 kcal./kg. la temperatura del refrigerador es de 0ºC (273ºK) y la temperatura del ambiente es de 25ºC (298ºK). b. 1 kg. de puré de fruta, Cp=3559 J/kg.ºK, bajo las mismas condiciones de temperatura, pero considerando que la eficiencia del refrigerador es 2 veces mayor que la del primero. datos:

1 kcal. = 1000 cal. 1 cal. = 4,18 joules.

RESPUESTA a.

De acuerdo con la definición de calor latente de vaporización, la cantidad de calor absorbido será:

7. En el problema anterior: ¿A qué se debe que la cantidad de calor absorbido para congelar el kilogramo de hielo sea mayor que el calor absorbido por la pulpa de fruta?

RESPUESTA Debido a que en la parte a. se trabajó con el calor de fusión del agua y partiendo de su definición de que es la cantidad de calor necesaria para pasar del estado líquido a sólido o viceversa, la unidad de masa del cuerpo en cuestión sin que varíe la temperatura y, sabiendo que la temperatura de congelación del agua es de 0ºC (273ºK), entonces se puede asegurar que esta masa de agua efectivamente sí se congeló. En el caso de la pulpa, ésta no se alcanzó a congelar puesto que su contenido de sólidos es muy alto lo que hace disminuir su punto de congelación. En el problema se trabaja por debajo del punto de congelación, utilizando el calor específico como la cantidad de calorías necesarias para elevar la temperatura de 1 gramo de dicha sustancia en 1ºC. 8. Se sabe que el coeficiente de funcionamiento de una bomba de calor está dado por la relación del calor extraído con relación al trabajo que efectúa el sistema; el coeficiente de funcionamiento de un refrigerador está dado, por la relación del

calor absorbido con respecto al trabajo efectuado sobre el sistema. Si se supone que estas 2 máquinas vienen a ser lo mismo y que las eficiencias son iguales, entonces ¿por qué se da esta relación? Realice el esquema de cada una de las máquinas, plantee las ecuaciones del coeficiente de funcionamiento y de acuerdo con el principio de cada una saque una conclusión. RESPUESTA a. Bomba

b. Refrigerador

CONCLUSION: Aunque en principio los dos sistemas se basan en una transferencia de calor, la diferencia principal radica en que en la bomba de calor lo que nos interesa es la cantidad de calor (q2) cedida al recinto de menor temperatura (T2). En el caso del refrigerador, la parte que más nos interesa es la cantidad de calor (q,) extraída del recinto de menor temperatura (T2). 9. Se van a refrigerar 1.000 kg. de pulpa de guanábana (Cp pulpa= 0,70 joules/Kg.ºC); si el refrigerador opera entre depósitos térmicos a 30ºC y 1ºC y su eficiencia es la de un refrigerador de Carnot. a. ¿Cuánto calor se cede al depósito de alta temperatura? b. Utilizando el calor absorbido y cedido por la pulpa y si se da el equilibrio térmico a una temperatura de 275ºK, calcule el cambio de entropía. RESPUESTA

10. Se quiere saber cuál es la potencia de un refrigerador y la capacidad calorífica de la carne, si se van a congelar 5 kg. de ésta (punto de congelación – 1.5ºC); el congelador funciona a una temperatura de –2ºC, y la temperatura exterior es de 20ºC, el Cp de la carne es de 5.329 joules/Kg.ºC. RESPUESTA

11. A usted se le presenta la oportunidad de realizar el montaje de una planta refrigeradora de productos alimenticios, muy perecederos, como carne, verduras y lácteos; se le encomendó la importante tarea de seleccionar el fluido refrigerante. ¿Qué parámetros deberá usted tener en cuenta para que su planta funcione en óptimas condiciones? RESPUESTA Los parámetros que debe tener en cuenta son los siguientes: -

Que la temperatura y la presión de evaporación sean relativamente bajas. Que no sea tóxico. Que su eficiencia sea alta. Que sea de bajo costo Que no sea inflamable ni combustible. Que no afecte las propiedades fisicoquímicas de los alimentos por refrigerar, principalmente.

12. En una cámara de refrigeración, se van a almacenar los siguientes productos a una temperatura de 4ºC: -

70 kg. de puré de fruta Cp = 3.559 J/kg.ºC Temperatura de entrada: 18ºC 730 kg. de pulpa de guanábana Cp= 3.825 J/kg.ºC Temperatura de entrada: 15ºC 350 kg. de pasta de tomate Cp= 4.000 J/kg.ºC Temperatura de entrada: 30ºC

De acuerdo con la cantidad de calor cedido por cada uno de estos productos y si la cámara funciona con Freón 12. ¿Qué cantidad de refrigerante es necesario para que la refrigeración se lleve acabo normalmente?

RESPUESTA - Puré de fruta qabs = m.Cp.∆T qabs = (70kg).(3.559 J/kg.ºC).(18 – 4)ºC qabs = 3.487.820 joules -

Pulpa de guanábana

qabs = m.Cp.∆T qabs = (730kg).(3825 J/kg.ºC).(15 – 4)ºC qabs = 30.714.750 joules -

Pulpa de tomate

qabs = m.Cp.∆T qabs = (70kg).(4000 J/kg.ºC).(30 – 4)ºC qabs = 7.280.000 joules QT = 3.487.720 J + 30.714.750 J + 7.280.000 J = 41.482.570 J QT = 41.482.570 J ×

BTU = 39.319,97 BTU 1055 J

39.319,97 BTU ×

1lb.refrig. =736,39 lb de refrigerante freón 12. 50 BTU

13. ¿Qué cantidad de BTU absorbe 1 tonelada de manzanas si para refrigerarlas se utilizaron 1,85 lb. de Freón 12? RESPUESTA 1.8 lb. de Freón 12 ×

50 BTU = 90 BTU 1lb.refrig.

14. La congelación rápida presenta más ventajas que la congelación lenta Desde el punto de vista de calidad del producto, establezca un cuadro comparativo entre los dos métodos.

RESPUESTA

2.6

Atmósfera controlada

Por considerarla de interés para el propósito que nos hemos establecido en esta unidad efectuaremos un breve recuento de la técnica de la atmósfera controlada (AC) y en especial sobre sus principales aplicaciones y usos. Esta técnica se usa frecuentemente en cámaras frigoríficas cuyo diseño, construcción y equipo complementario son similares a los de una cámara convencional, desde luego que con las modificaciones indispensables para lograr una estanqueidad (permanencia en un recinto cerrado para llevar a cabo la técnica de la atmósfera controlada) adecuada de los gases de paredes, piso y techo del recinto utilizado. Vale la pena anotar que la estanqueidad no es precisa en el caso de utilizar un sistema de refrigeración indirecta sobre cámaras convencionales y utilizando materiales plásticos como el neopreno y el PVO armado de naylon; al lado de esta observación se precisa así mismo de una puerta de cierre hermético y de una válvula de seguridad con el fin de mantener una diferencia de presiones de 10mmHg a condiciones atmosféricas entre el interior y el exterior del equipo tanto a sobre-presión como en depresión del mismo. Para poner en marcha el desarrollo de esta técnica se hace necesario estabilizar la atmósfera en cuanto a requerimientos de oxígeno y dióxido de carbono; para lograr el descenso de la concentración de oxígeno se utilizan quemadores de llama de ciclo abierto o quemadores catalíticos conocidos con el nombre de generadores de atmósfera, los cuales pueden operar en circuito abierto o cerrado según consuman el oxígeno del aire exterior o de la propia atmósfera de la cámara para ser introducido en la misma una vez recirculado. También se utiliza, aunque de manera poco frecuente por su alto costo, una inyección de nitrógeno liquido o gaseoso que permite hacer el barrido hasta el nivel deseado de oxígeno en la atmósfera. El combustible utilizado para generar estos generadores de atmósfera es el propano o el gas natural, realizando la combustión en presencia de un catalizador y eliminando el exceso de CO2 producido en la combustión por medio de un descarbonizador. Vale la pena anotar que cuando se utilice un quemador de llama abierto deberá ajustarse cuidadosamente la llama para facilitar la complete combustión y minimizar la acumulación en la atmósfera del recinto de residuos de monóxido de carbono, etileno, etano, propileno y bencilpiridina, entre otros.

Otro tipo de generador de atmósfera a veces utilizado es aquel que usa como fuente de hidrógeno para la combustión el amoniaco, obteniéndose una atmósfera de nitrógeno casi exclusiva, en este caso no se requiere de descarbonizadores para la eliminación del CO2 resultante como subproducto de la combustión. En relación con el tiempo requerido para el establecimiento del régimen de atmósfera controlada, este variará en función de los siguientes parámetros:

-

L a concentración final deseada. La masa del producto. La capacidad de mayor o menor estanqueidad de la cámara. Los factores susceptibles de influencia sobre la respiración del producto (temperatura, especie o variedad).

En lo que hace referencia al control del nivel de CO2, la adición superficial artificial de este gas, se realiza utilizando cilindros presurizados. Su eliminación o reducción se logra por cualquiera de los siguientes sistemas:

-

-

Descarbonizadores (“scrubbers”) de cal hidratada Ca(OH)2, solución de hidróxido sódico NaOH, carbonato potásico K2CO3 y etanolaminas, en cuanto a los que emplean la vía química para la fijación del CO2. Utilizando carbono activo o zeolitas (aluminosilicatos alcalinos), cuando se utilizan como absorbedores en métodos por vía física para la fijación del gas.

Observemos algunas ventajas y desventajas de estos sistemas:

-

El producto químico comúnmente utilizado es la cal hidratada que permite conseguir niveles tan bajos de CO2 como 0,5 a 1,5 %, tiene e inconveniente de no ser regenerable.

-

El hidróxido sódico es muy eficaz pero altamente corrosivo y en la actualidad no se utiliza.

-

Las etanolaminas y las zeolitas presentan el inconveniente de mayores consumos de energía para la regeneración y se logra a temperaturas del orden de 250ºC.

-

El depurador de agua introduce en la cámara un bajo nivel de oxígeno disuelto, corriéndose el riesgo de que el agua cargada de sales pueda atacar los metales cuando contiene CO2; de hecho no se utiliza desde la mitad de la década de los años 50’s.

-

Por su parte los descarbonizadores de carbón activo, regenerables al aire a temperatura ambiente han ganado terreno en relación con los inicialmente utilizados; presentan el inconveniente del elevado costo del equipo y de fijar ciertos constituyentes aromáticos emitidos por los productos.

-

Un sistema que no requiere consumo de materia y utiliza un bajo consumo energético, es el que emplea las propiedades de la permeabilidad selectiva a los gases de las membranas de elastómeros de silicona, permitiendo la obtención de la atmósfera y su estabilización, por lo que se les suele conocer como reguladores de atmósfera, variando la superficie en servicio según el número de elementos de difusión en juego, regulando automática y simultáneamente tanto el oxígeno como el dióxido de carbono. Mecanismos de control

Son esencialmente tres los tipos de control utilizados con mayor frecuencia en cámaras de atmósfera controlada:

-

Control de variaciones de presión.

-

Medida del coeficiente de estanqueidad.

-

Regulación de la composición gaseosa.

Observemos las principales características de cada uno:

Control de variaciones de presión En este sistema la regulación de la temperatura debe ser más rigurosa que la utilización de atmósfera normal; se deben tener en cuenta en este sentido dos restricciones: la primera, debida al riesgo de condensaciones sobre alimentos de origen vegetal, especialmente frutas si se alcanza la temperatura del punto de rocío; la segunda, debida al riesgo de la pérdida de estanqueidad e incluso rotura de paredes del producto por efecto de la variaciones de presión interior. Desde luego que dichas variaciones está en función, por un lado, de las fluctuaciones barométricas y de las fluctuaciones interiores de temperatura debidas a los ciclos frigorígenos y, por otro, a las sobre-presiones y depresiones originadas por los ventiladores de impulsión y de aspiración de la atmósfera a través de los equipos reguladores. Veamos mediante un ejemplo cómo se comprueba matemáticamente este efecto: Si se tiene en cuenta que a masa y volumen de aire constantes dentro de una cámara utilizando la ley de Mariotte: P.V/T = constante, siendo P la presión interior y T la temperatura absoluta, tendremos:

∆P ∆T = P T En tal caso para una variación ∆T = 0,25 y si la temperatura de la cámara es +4ºC se tendría en la presión una variación de ∆P = 10.330 mm de Hg.

P = 10.330 ×

0.25 2852.5 = = 9.32 mm de Hg 273 + 1 274

Dicho valor es normal si se considera el funcionamiento rítmico de la instalación frigorífica. Para variaciones mayores, por ejemplo ∆T = 4, se obtendrían sobre la cámara sobre-presiones exteriores capaces de destruir el aislamiento y estanqueidad de sus paredes al obtenerse un ∆P de 149.2 kg./m2. Todo lo anterior sugiere disponer siempre en las cámaras de atmósfera controlada de un equilibrador de presiones, este instrumento es generalmente hidráulico,

en forma de sifón o de junta, constituida por un tubo de 15cm de diámetro introducido en una cubeta de líquido incongelable y de baja volatilidad; se coloca en el exterior de la pared de la cámara que da al pasillo y que permite su inspección permanente. En la Figura 22 aparecen los dos tipos de equilibradores en los cuales se observa que las secciones central y anular del tubo son iguales, lo cual significa que la cubeta tiene sección doble. Cuando la diferencia de presión supera el doble en la cubeta, la junta hidráulica deja pasar el aire o mezcla gaseosa al quedar al descubierto, hacia la zona de más baja presión. En la práctica se toma h=5 cm. bajo el nivel de agua en la cubeta, pues la experiencia ha demostrado una diferencia de presión de 0,1 milibar entre el interior y el exterior tan sólo durante cortos períodos y en condiciones normales de trabajo. FIGURA 22 Calibradores de presión en cámaras A.C. *

Medida del coeficiente de estanqueidad Para determinar el coeficiente de estanqueidad o de eficiencia de una cámara de atmósfera controlada se deben realizar ensayos a cámara vacía antes de proceder a cargarla, utilizando uno de los tipos de estanqueidad, conocidos como test de *

Tomado de G. Maurel (1968)

difusión y test de convección; este último se realiza tanto con sobre presiones como con depresiones en el interior de la cámara vacía. Los pasos de las canalizaciones necesarias para los conductos de aspiración y de impulsión de la atmósfera a los equipos de regulación, así como para la toma de muestras de análisis, deben hacerse en estancos normalmente conseguidos por forros denominados prensa-estopas entre la canalización y un tubo solidario de una platina fijada sin solución de continuidad de la estanqueidad de las paredes. Las tuberías que atraviesan estos forros deben ser puentes térmicos y deberán aislarse en una cierta longitud. Observemos a continuación las características de los mencionados test:

-

Test por difusión: se aplica, generalmente, en una atmósfera rica de dióxido de carbono (CO2), en niveles que alcanzan hasta 10%, a temperatura constante. Permite medir los cambios de concentración en diferentes intervalos de tiempo logrando mantener una circulación activa del aire dentro de la cámara utilizada con lo cual se logra uniformizar la composición de la atmósfera. Este test ha sido de gran utilidad para identificar de manera indirecta la evolución bioquímica de los frutos, especialmente en cuanto a su actividad respiratoria se refiere, por ejemplo los climatéricos, es decir, aquellos en donde aparecen semillas o hueso dentro de la pulpa

Este test por difusión tiene la desventaja de exigir para su realización medidas exactas en la concentración de los gases utilizados (CO2 u O2) ya que errores en esta son causa de encontrar desajustes en las magnitudes medidas. Se recomienda para la ejecución de este test, utilizar concentraciones a cámara vacía próxima a las previstas de conservación real, manteniendo recirculación y temperaturas constantes. Para este caso definiremos el coeficiente de estanqueidad (K) a partir de expresión definida por Mann en 1960:

K=

Volumen de CO 2 difundido por día Volumen de CO 2 inicial en la cámara

De acuerdo con las condiciones aplicadas, el valor de K deberá ser para cada caso: Creación de atmósfera biológica: menor de 0,95 Equipos depuradores de 002 (descarbonizadores): igual a 0,90 Convertidores de oxigeno: igual a 0,80 Para la aplicación industrial del coeficiente de estanqueidad, en cámaras de atmósfera controlada y siempre y cuando se estime una sola variedad y una misma procedencia del alimento, para los cálculos de conservación o de maduración acelerada, se presentan las siguientes fórmulas que le permitirán, por extrapolación de las mismas, efectuar para cada caso en particular los respectivos procedimientos: Intensidad respiratoria (IR) = 3,85

Pm. P atm (Gas) . VL (g/l) (273 + t).∆h.F

Donde: Pm =

Presión del medio 44.010 para el CO2 y 31.999 para el O2

P atm.=

Presión atmosférica en mm Hg

∆h =

Tiempo transcurrido en horas

T=

Tara seca de envases en gramos

F=

Peso neto de los frutos cuyo valor se obtiene de la diferencia entre el peso bruto inicial (Bi) y la tara seca (t) de los envases, durante la primera semana de conservación (tiempo suficiente para adquirir la humedad por los envases y que se mantiene en el resto del periodo de conservación). Posteriormente se deberá aplicar la siguiente ecuación: F= Bi - (t + H) siendo:

H=

La humedad en peso adquirida por los envases

t=

Temperatura en grados centígrados

(Gas) =

Concentración de CO2 o de O2 en porcentaje en volumen

Igualmente y, a raíz de los cálculos de volúmenes de oxigeno y dióxido de carbono, se propone la fórmula para obtener el denominado cociente respiratorio (Qr), de gran utilidad para identificar la naturaleza de los sustratos dominantes de la combustión respiratoria: Qr =

Volumen desprendido de CO 2 Volumen absorbido de CO 2

El cociente respiratorio adquiere importancia en el momento de calcular la capacidad de trabajo necesario en el equipo de regulación de atmósfera controlada. - El test de convección: se utiliza cuando existen condiciones de sobrepresión o de depresión en la cámara. Es básicamente utilizado en el primer caso para el cual se han identificado dos conocidos métodos: el test por sobrepresión inicial y el test por sobrepresión en equilibrio dinámico. Veamos en que consisten: En el primero mediante un ventilador o compresor de aire se provoca en la cámara vacía una sobrepresión inicial y se mantienen los ventiladores apagados a fin de medir el tiempo necesario para llevar la sobrepresión a 0 mm de atmósfera controlada (AC). En tal caso quince minutos permiten una estanqueidad suficiente, treinta minutos buena y más de treinta minutos excelente. - El test de sobrepresión: en equilibrio dinámico permite evitar las variaciones de presión barométrica y se basa en la medida del caudal de aire que es necesario inyectar en una cámara para mantener constante la sobrepresión inicial. En este caso se mantiene una sobrepresión en la cámara con un flujo de aire que permite alcanzar el equilibrio dinámico.

Finalmente, se han propuesto dos series de ensayos que permiten determinar la bondad de las cámaras de atmósfera controlada utilizando el test presióndepresión que como se observa en la Figura 22 permite identificar en el tiempo las sobrepresiones y depresiones que en intervalos de treinta minutos se pueden presentar dentro de una cámara. Sistema de regulación de la composición gaseosa En este el descenso de la concentración de oxígeno se realiza utilizando qiemadores de llama de ciclo abierto o quemadores catalíticos, mejor conocidos como generadores de atmósfera; estos trabajan en circuito abierto o cerrado según la forma de consumo de oxígeno ya sea del aire exterior o de la propia atmósfera de la cámara. También se utilizan, aunque no en gran escala por su elevado costo, el sistema de inyección de nitrógeno líquido gaseoso el cual permite hacer el barrido hasta el nivel de oxígeno deseado en la atmósfera. Figura 22 Curvas de los ensayos presión - depresión*

Para lo referente al control del nivel de dióxido de carbono, su adición se realiza artificialmente utilizando cilindros de gas presurizados; para su eliminación o reducción se utilizan algunos de los sistemas antes mencionados como: los *

Tomado de E. Thomas y P. Louvet (1966)

descarbonizadores de cal hidratada [Ca(OH)2] solución de hidróxido sódico, carbonato potásico y, eventualmente, etanolaminas, además del depurador físico de agua; a estos se les considera absorbedores. Se pueden utilizar igualmente adsorbentes de naturaleza física tales como los que utilizan aluminosilicatos alcalinos, carbón activo o zeolitas. Para la obtención de una atmósfera y su estabilización específica se utiliza con alguna frecuencia el sistema de permeabilidad selectiva a los gases de las membranas de elastómeros de silicona ya que además de no requerir consumo de materia emplea un bajo consumo energético. Por último, se anota que, dependiendo de la intensidad respiratoria de los frutos, del nivel de ocupación en la cámara y de las fugas que puedan darse por las paredes en una cámara con suficiente estanqueidad, el tiempo utilizado para la puesta en régimen de la atmósfera controlada biológica, se encuentra en el rango de los catorce (14) a los veintiocho (28) días. Se advierte sobre la necesidad de utilizar una ocupación máxima de producto en la cámara ya que si esta no está completamente llena se dificulta el logro de la composición gaseosa deseada.

Ejercicios de aplicación (3) 1. Defina brevemente cada uno de los siguientes términos. a. b. c. d.

Almacenamiento en atmósfera controlada Coeficiente de estanqueidad. Test de difusión. Test de convección.

RESPUESTA a. Se define generalmente a una atmósfera en la que se ha disminuido la concentración de oxígeno y se ha aumentado la de dióxido de carbono e implica un control preciso de estos gases. b. Determina la eficiencia de una cámara de atmósfera controlada y está dado por la relación del volumen de CO2 difundido por día con respecto al volumen de CO2 inicial en la cámara. c. Es uno de los tipos de estanqueidad, permite medir los cambios de concentración a diferentes intervalos de tiempo para mantener la circulación activa de aire dentro de la cámara para lograr la uniformidad de la atmósfera. Sirve para identificar la velocidad respiratoria de los frutos climatéricos. d. Es el segundo tipo de estanqueidad, se utiliza cuando existen condiciones de sobrepresión o depresión en la cámara, es utilizado para regular la presión interna. 2. En un almacenamiento de hortalizas en atmósfera controlada, se utiliza una mezcla de gases que contiene: 5% de CO2, 5% de O2, y 90% de N2, La mezcla se elabora mezclando cantidades apropiadas de aire, nitrógeno y dióxido de carbono y se requiere de ella una velocidad de 100m3/hora, medidos a 20°C y 1 atmósfera de presión. Calcular, en m3/hora, la cantidades de cada uno de los gases que deben mezclarse; ademé calcule cuántos kilogramos de hielo seco deben vaporizarse por hora par mantener la cantidad de CO2 necesaria.

RESPUESTA DATOS • CO2 = 5% • O2 = 5% • N2 = 90% • Se requiere V= 100m3/h, T=20ºC, P = 1 atm • Cantidad de cada gas (m3/h) =? • Hielo seco (kg.)= ?

Corrientes A = aire N = nitrógeno C = Dióxido de carbono Balance global A + N + C = 100 m3 1. Balance para O2 0,21A+ Φ + Φ = 100 (0,5) A = 23,80 m3

2. Balance para CO2 A (0 ) + N (Φ) + C(1) = 100 (0,05) C = 5 m3 de CO2 3. Balance para N2 A + N + C = 100m3 23,5 + N + 5 = 100m3 N = 71,2m3 4. Masa de hielo seco El hielo seco contiene 100% de CO2 . El CO2 sólido se sublima entonces.

PV = 1mol _ de _ CO2 RT P.V .Pm (1atm)(5m 3 )(44 g ) w= = 9.15 g (de CO2 ) = atm.L R.T 0.082 (293K ) mol.K PV = nRT

n=

EJERCICIOS PARA AUTOEVALUACION 1. Determinar el contenido de calor de una pulpa concentrada que tiene un Cp = 3,676 Kjoul./ kg.ºC a una temperatura de 25ºC por un nivel de referencia de 0ºC. 2. Se desea saber cuánto tiempo demora en congelarse 2 litros de agua a una temperatura de 273ºK (0ºC) y el calor cedido por el sistema. Si se están formando cubitos de hielo en el refrigerador: este equipo es impulsado por un motor que desarrolla una potencia de 0,175 Kilowatts y la temperatura del congelador es de 258ºK (-15ºC) y la temperatura ambiente es de 298ºK (25ºC) Calor de fusión del hielo = 80 cal./g.

1 watt = 0,2389 cal./g.

3. ¿Cómo resolvería usted el problema anterior, si en lugar de congelar 2000 gramos de agua, tuviese que congelar: a) 2.000 g. de jugo de mora? b) 2.000 g. de pulpa de mora? c) 2.000 g. de jamón de cerdo? ¿Qué constantes y variables debería tener en cuenta si los productos deben ser congelados bajo las mismas condiciones del problema anterior? Justifique su respuesta. 4. a) ¿Cuánto trabajo es necesario para bombear 4.180 joules de calor del ambiente exterior a 0ºC (273ºK) dentro de una casa a 27ºC (300ºK) usando un refrigerador? b) Utilizando el calor obtenido ¿qué potencia tiene el motor del refrigerador? (Dé el cálculo para 10 minutos). 5. Se requieren congelar 200 kg. de helado (Cp =4000 j/kg.ºK). Si la temperatura ambiente es de 29ºC y la del congelador –3ºC y se sabe que la eficiencia del refrigerador vale 1/2 de la de un refrigerador ideal de Carnot, determine cuántas calorías se transfieren al ambiente y cuanto trabajo se requiere, expresándolo en julios, BTU y calorías.

DATOS: 1 BTU = 1055 joules = 252 calorías 1 joule = 9,481 x 10-4 BTU = 0,2389 calorías 6. ¿Cuál es el cambio de entropía de un sistema que contiene hielo y agua en equilibrio a 0ºC cuando se funde 50 kg. de hielo introduciendo 80 calorías? Determinar que sucede cuando se extraen las 80 calorías suministradas anteriormente regresando el sistema a su estado inicial. 7. Se van a refrigerar 1.000kg. de pulpa concentrada a un a temperatura de 4,50C. ¿Cuántas libras de refrigeración se requieren para que el efecto de refrigeración sea efectivo? Cp pulpa = 3.676 joules/kg. 0C Temperatura de la pulpa a la entrada = 30 0C 1 BTU= 1.055 joules. 8. a) Desde el punto de vista termodinámico y microbiológico, qué entiende usted por Centro Térmico de un alimento? b) ¿Qué importancia cree usted que pueda tener el Centro Térmico con respecto a la temperatura y la velocidad de congelación? 15. a) ¿Qué entiende usted por fruto climatérico y no climatérico? b)¿Qué relación existe entre la actividad respiratoria y el periodo de almacenamiento de un producto? (justifique su respuesta). c) En diferentes tablas se presentan actividades respiratorias típicas de varias frutas y hortalizas. Teniendo en cuenta los conceptos adquiridos en el modulo, clasifíque al menos 5 frutas y 5 hortalizas de acuerdo con el tiempo de vida útil de cada una (clasifíquelas desde las más perecederas a las menos perecederas).

CAPITULO 3 .

Fundamentos tecnicos para el calculo de un cuarto de

refrigeración.

Objetivos

• Diferenciar y calcular las diferentes cargas de enfriamiento de alimentos. • Reconocer los factores que determinan la ganancia de carga en paredes. • Establecer los cálculos de ganancia de carga en las paredes. • Manejar las tablas de coeficientes de transmisión de calor. • Identificar los parámetros básicos para el diseño de un equipo de refrigeración

• Manejar y disponer eficientemente de la información específica sobre las técnicas de congelación para alimentos perecederos.

3.1 Cargas de enfriamiento Seguramente usted recordará que: La carga de enfriamiento de un equipo refrigerador es la sumatoria de todas las cargas térmicas que intervienen dentro del sistema. Las fuentes de calor que suministran cargas de refrigeración a un equipo son: • Calor por conducción que pasa por las paredes del refrigerador o congelador no aisladas. • El calor que es transferido por radiación directa por ejemplo a través de vidrieras u otros materiales transparentes. • Calor que pasa a través de puertas que se abren o a través de rendijas y ventanas. • Calor cedido por los productos expuestos en la cámara de almacenamiento. • Calor cedido por la maquinaria o artefactos que se encuentren dentro de la cámara como son motores eléctricos, alumbrado, etc. • Calor cedido por las personas (dependiendo del tamaño de la cámara) que se encuentren dentro de la cámara. Veamos a continuación una variable determinante: el tiempo y preguntémonos ¿Cómo debe ser el tiempo de funcionamiento del equipo? Respondamos siendo breves: Generalmente la carga de enfriamiento de un equipo se calcula en un periodo de 24 horas, expresándose en BTU/24 horas; cuando se requiera efectuar este cálculo en un tiempo determinado, se divide la carga de enfriamiento en 24 horas con respecto al tiempo de funcionamiento deseado, o sea:

Capacidad de equipo requerida = Carga de enfriamiento total (BTU/24 h.) Tiempo deseado de funcionamiento (horas) Esta fórmula casi siempre efectiva, le ahorrará mucho tiempo, si sabe hacer uso de ella. 3.2 Cálculo de cargas de enfriamiento La carga normal de enfriamiento se divide normalmente en cuatro cargas por separado, a saber: • • • •

Carga ganada por paredes. Carga por cambio de aire. Carga del producto. Cargas suplementarias (puertas, alumbrado, motores, etc.).

Analicemos cuidadosamente cada una de ellas: 3.2.1

Carga por paredes

Se le ha denominado también carga de fuga; en ella la transferencia de calor se hace por conducción a través de las paredes del espacio refrigerado, del exterior hacia el interior, tal como se observa en la figura 66. Figura 23 Transferencia de calor a través de paredes

Ya que no se conoce un sistema de aislamiento perfecto, el calor fluirá del exterior al interior de la cámara debido a que la temperatura interior es menor que la exterior, esto presenta un alto porcentaje en la carga total de enfriamiento. Como en todo, se presentan excepciones de esta carga cuando se hace enfriamiento con un líquido donde el área exterior del recipiente es pequeña y las paredes del mismo se encuentran muy bien aisladas. En contraposición, los casos de enfriadores en almacenes comerciales, como en el acondicionamiento del aire residencial, la ganancia de calor a través de las paredes representa la parte más alta de la ganancia total.

3.2.2

Carga por cambio de aire

Para definirla veamos el siguiente caso: Cuando se abre la puerta de un refrigerador entra aire caliente, para reemplazar el aire frío más denso. Esto constituye una carga de enfriamiento pues es necesario reducir el calor del aire que ha entrado del exterior, disminuyendo así la temperatura y el contenido de humedad a las condiciones de diseño del espacio: ello se constituye en una parte de la carga de enfriamiento total del equipo; a esta se le denomina carga por cambio de aire. Vale la pena anotar que la carga por cambio de aire varía en cada caso con respecto a la carga total de enfriamiento, siendo significativa la pérdida o no. Por ejemplo con enfriadores con líquido, no existen puertas o aberturas por donde pueda pasar el aire caliente, por lo tanto estas pérdidas no son muy representativas; caso contrario lo constituyen las aplicaciones de aire acondicionado donde las pérdidas son ocasionadas por los siguientes factores: • Aperturas de puertas. • Paso de aire caliente a través de hendiduras alrededor de puertas y ventanas y de otras partes de la estructura.

• El aire exterior que se introduce al espacio acondicionado con el objeto de satisfacer los requerimientos de ventilación. Aun cuando las fugas de aire puedan o no tener un efecto apreciable en las cargas de refrigeración, sí pueden ocasionar problemas y sobretodo al condensarse el vapor de agua del aire caliente, el cual al congelarse forma escarcha en las hendiduras del congelador; esto debe ser prevenido colocando un calentador de aire alrededor del perímetro de la puerta para evitar la condensación en esas superficies manteniendo la temperatura en dichas áreas en un valor por encima de la del aire que está entrando. La instalación de este calentador no sólo evita la formación de escarcha sino que también iguala la presión entre el interior y el exterior del enfriador o congelador, ayudando a reducir, en consecuencia, la temperatura de diseño del espacio. RECUERDE Cualquier diferencia de presión que se tenga entre el interior y el exterior de un refrigerador o congelador incrementaría en alto grado la tendencia de fuga del aire a través de sellos de puertas y a través de otras aberturas de paredes tales como las que se hacen para dar paso a tuberías de agua o refrigerante que se comunican con el exterior. 3.2.3

Carga del producto

Este tema ya ha sido tratado anteriormente; la carga del producto la constituye el calor que debe ser eliminado de él, a fin de que la temperatura baje hasta el nivel deseado; cuando el producto es congelado el calor latente eliminado forma parte de la carga total del producto. La carga del producto con respecto a la carga total de enfriamiento, varía también, como en los casos anteriores, de acuerdo con la aplicación específica: Cuando se presenta un caso como el de las carnes donde se hace el diseño de un enfriador para refrigeración, generalmente se enfría el producto a la temperatura

de almacenaje antes que sea colocado en el congelador; aun en este caso se puede considerar la carga de enfriamiento como nula ya que éste se encuentra a la temperatura de almacenaje; sin embargo, si el producto no ha tenido un preenfriamiento debe considerarse la carga del producto como una parte de la carga de enfriamiento. La carga de enfriamiento sobre el equipo de refrigeración que resulta por enfriamiento del producto puede ser intermitente o continua dependiendo de cada caso especifico. Se considera la carga del producto como una parte de la carga total de enfriamiento, mientras la temperatura de éste sea reducida a la temperatura de almacenamiento o, mientras se esté efectuando su congelación. Cuando el producto sea congelado se elimina la carga total de enfriamiento del producto. Una excepción de este parámetro, es el almacenaje de frutas y vegetales, los cuales ceden calor de respiración durante todo el tiempo que estén almacenados a una temperatura superior a la temperatura de congelamiento. Existe un número de aplicaciones de refrigeración donde el enfriamiento del producto es más o menos continuo en cuyo caso la carga del producto es una carga continua sobre el equipo; esto se observa en equipos de preenfriamiento, donde la función principal se basa en eliminar una cierta cantidad de calor de éste,hasta que alcance una temperatura deseada; posteriormente el equipo debe ser nuevamente recargado con producto caliente, en este caso se considera carga continua y forma parte importante en la carga de enfriamiento total. El enfriamiento de líquidos es otra aplicación donde el producto proporciona una carga continua sobre el equipo de refrigeración; el flujo del líquido que está siendo enfriado es continuo ya que este entra caliente y va saliendo frío, en este caso se consideran como despreciables:

• Las cargas por cambio de aire. • Las cargas por puertas y paredes. • Las cargas varias. En conclusión se considerará el enfriamiento de líquidos como la carga total.

3.2.4

Cargas suplementarias o varias

Nos referiremos rápidamente sobre ellas. Toman varias fuentes de calor, las principales son producidas por las personas que ocupan el espacio refrigerado, junto con el alumbrado y algunos equipos eléctricos funcionando dentro de este equipo. Generalmente estas cargas varias son pocas y se consideran como las más importantes las obtenidas por alumbrado y motores eléctricos. Consulte con su tutor en la bibliografía recomendada sobre ellas. 3.2.5

Factores que determinan la ganancia de carga en paredes

La siguiente ecuación nos determina la cantidad de calor transmitido por unidad de tiempo a través de las paredes de un espacio refrigerado: Q = A. U. D Donde: Q=

Cantidad de calor transmitido en BTU por hora

A=

Área de la superficie de la pared externa en pies cuadrados

U=

Coeficiente total de transmisión de calor en BTU por hora por pie cuadrado por grado Fahrenheith

D=

Diferencial de temperaturas a través de la pared en grados Fahrenheit

RECUERDE El factor “U” es una medida de la rapidez a la cual fluye calor a través de un área de superficie de pared de 1 pie2 entre el aire de un lado y el aire de otro lado por cada grado Fahrenheith de diferencia de temperatura a través de la pared y depende del espesor que ella tenga y de los materiales utilizados en la construcción de la misma.

El valor “U” debe serlo más mínimo posible con el objeto de mantener un buen aislamiento térmico y así evitar de cierta manera las cargas de enfriamiento por paredes. El flujo de calor a través de la pared varía de acuerdo con:

-

El espesor de la pared.

-

Área de superficie de la pared.

-

Con la diferencia de temperatura a través de ésta.

3.2.6

Determinación del coeficiente total de transmisión de calor U

La determinación de este factor se encuentra calculado en las tablas 1, 5 y 6. Dependiendo del tipo de pared que se esté cuestionando, cuando no se conoce el material en que está construida la pared o el espesor de ésta es heterogéneo, se calcula el valor “U” con ayuda de: • Conductividad térmica o factor k. • Conductancia térmica o factor c. La conductividad térmica o factor k de un material es la razón en BTU/ h a la cual pasa calor a través de una superficie de 1 pie2. Para un material de 1 pulgada de espesor, por cada grado Fahrenheit de diferencia de temperatura a través del material y está dado en BTU por hora por pie cuadrado por grado Fahrenheit por pulgadas de espesor. El factor k está dado sólo para materiales homogéneos y el valor está dado en la Tabla 37 teniendo en cuenta que es para una pulgada de espesor. El factor c (conductancia térmica) está dado tanto para materiales homogéneos como para no homogéneos; el valor está dado en BTU por hora por pie cuadrado por grado Fahrenheit para un espesor especificado del material.

El valor de la conductancia térmica se puede obtener para cualquier espesor relacionando la conductividad térmica con el espesor así: c=k/x donde x = espesor del material en pulgadas. Cuando la transmisión de calor se hace a través de materiales no homogéneos, se debe efectuar el cálculo de la conductancia térmica teniendo en cuenta todos y cada uno de los espesores; además todos los materiales presentan resistencia a la transmisión de calor, la cual es inversamente proporcional a la habilidad del material a la transmisión de calor, esto es: Resistencia térmica total R = 1/U Resistencia térmica de cada material = 1/k ó 1/c ó x/c Cuando la pared está construida de varios materiales, la resistencia térmica se calcula efectuando la sumatoria de la resistencia térmica de cada material en particular, teniendo en cuenta también la resistencia que presenta el aire, esto es:

R=

1 1 1 1 1 1 = + + + ..... + + U f1 k1 k 2 kn f0

Por lo tanto:

U=

1 1 1 1 1 1 + + + ..... + + f1 k1 k 2 kn f 0

Donde: 1/f1 =

Coeficiente de convección (conductancia de superficie) de pared interior, piso o cielo

1/f2 =

Coeficiente de convección (conductancia de superficie) de pared

exterior, piso o techo. 3. 2.7 Temperaturas a través de las paredes Generalmente la diferencial de temperaturas entre las paredes es determinada, básicamente, conociendo tanto la temperatura interior, como la exterior del almacén. La temperatura interior depende del tipo de producto almacenado y el periodo de tiempo que el producto va a estar expuesto; en las Tablas 3,4,5 y 6 se recomiendan valores de las temperaturas anteriores para diferentes materiales. La temperatura exterior depende del sitio donde se encuentre el enfriador, en otras palabras, se considera como la temperatura ambiente. Por otro lado, la temperatura a través de techo y piso al igual que en el caso anterior, se determina la diferencial de temperatura entre el interior y el exterior de la cámara de almacenamiento. 3. 2.8 Cálculo para la ganancia de carga por paredes Para efectuar el cálculo de ganancia de carga por paredes, se debe tener en cuenta: - La carga de todas las paredes tomando también el techo y el piso. - Cuando las partes de las paredes son construidas en diferentes materiales, se determina el coeficiente de transmisión de calor U por separado. - Cuando las paredes son homogéneas, es decir son del mismo material, los valores del factor U podrán considerarse juntos siempre que el diferencial de temperatura a través de dichas paredes tenga el mismo valor. - Cuando el área de una pared es despreciable con respecto al área de otra, se toma el valor de U más representativo o simplemente se establece la diferencia.

La carga de ganancia de paredes está dada por: C.G.P. = A.U.∆T Donde: C.G.P. =

Carga de ganancia por paredes

A=

Area de las paredes

∆T =

Diferencial de temperatura entre el interior y el exterior del equipo

Cabe anotar que la carga de ganancia total en paredes estará dada por la sumatoria de las cargas de cada una de las paredes así: carga de ganancia total de paredes = Σ pared norte + pared este + pared oeste + pared sur + techo + piso

3.2.9 Cálculo de carga por cambio de aire Cuando se conoce la masa de aire exterior, por ejemplo, cuando se introduce aire al espacio con fines de ventilación, el calor ganado dentro del espacio como resultado de los cambios de aire depende de las diferencias de entalpías a las condiciones interiores y exteriores y se puede calcular utilizando la siguiente relación: Carga por cambio de aire = m (h0- hi) Donde: m=

Masa de aire que entra en 24 horas (libras)

h0 =

Entalpía de aire exterior (BTU/Ib)

hi=

Entalpía de aire interior (BTU/Ib)

Cuando el aire que entra al espacio refrigerado es ocasionado por infiltración a través de las puertas que se abren, la cantidad de aire del exterior que entra al espacio depende del número, tamaño y localización de la puerta y sobretodo de la frecuencia y el tiempo que estas estén abiertas: La carga de enfriamiento dada por puertas se expresa de acuerdo con la siguiente relación:

0.0269 ( ∆T ) 1.71 .h φ = 290.w.(e)

Número veces que abre tiempo que dura abierta

Donde:

φ= w= h= ∆T = e=

Carga de enfriamiento por puertas en BTU/hora Ancho de la puerta Altura de la puerta Diferencial de temperaturas interior y exterior Base de los logaritmos naturales

3. 2.10 Cargas varias Como lo sugerimos antes, usted debe indagar sobre este particular; sin embargo, utilice la siguiente información para los cálculos normales. Las cargas vanas dentro de un equipo de enfriamiento son ocasionadas por: - Alumbrado: este valor se ha considerado aproximadamente de 3,42 BTU/watt. hora. - Motores eléctricos: está dado en la Tabla 7 en caballos por 24 horas. - Personas: está dado por el factor de la Tabla 8 por número de personas, por 24 horas o por el tiempo de permanencia de las personas.

3. 2.11 Carga uso El tiempo de funcionamiento de un enfriador es un aspecto muy importante que se debe considerar pues se deben tener en cuenta aspectos tales como: - Uso promedio: incluye las instalaciones no sujetas a temperaturas extremas y donde la cantidad de alimentos manejados en el refrigerador no es irregular, parlo general el uso promedio se da en refrigeración de frutas, verduras y productos delicados que no requieren temperaturas extremadamente bajas. - Uso pesado: incluye instalaciones más sofisticadas que requieren temperaturas más bajas y las temperaturas ambiente son más altas, además las temperaturas a las cuales entran los alimentos son más altas. La carga está dada por la siguiente expresión: Carga de uso = Volumen interior x factor uso (Tabla 9). A continuación se presentan las tablas de mayor utilización para el cálculo de cargas en la conservación por bajas temperaturas en la Industria de alimentos.

Tabla 3. Coeficientes de transmisión de calor U para cuartos almacenamiento refrigerado. (BTU por hora por pie cuadrado por grado Fahrenheit. Velocidad 15 millas por hora)

Tabla 4 Coeficiente de transmisión de calor (U) para cuartos fríos

BTU por hora por pie cuadrado grado Fahrenheit de diferencia entre el aire de los dos lados*

*

Tomado de De Carrier Dessing Data. Reproducido con permiso de De Carrier Corporation

Tabla 5 Coeficiente de transmisión calor (U) para cuartos de almacenamiento refrigerado (BTU por hora por píe cuadrado por ºF. Velocidad del viento 15 millas por hora) *

*

Tomado de De Carrier Dessing Data. Reproducido con permiso de De Carrier Corporation

Tabla 6 Conductividad térmica de materiales usados en paredes de cuartos de refrigeración.

D ASHRAE Data Book. con permiso de American Sociely of Heating, Refrigrerating, and Alr- Conditioning Engineers

Tabla 7 Calor equivalente. de motores eléctricos

Teniendo en cuenta los números entre paréntesis de la tabla 7: 1. Se utiliza cuando las pérdidas del motor son disipadas dentro del espacio refrigerado. Ej: motores impulsando ventiladores. 2. Cuando las pérdidas del motor son disipadas fuera del espacio refrigerado. Ej: circulación de agua fría. 3.Cuando las pérdidas son disipadas dentro del espacio refrigerado pero el trabajo útil se tiene dentro del espacio refrigerado. Ej: ventilador fuera del espacio refrigerado. RECUERDE

La carga de un enfriador depende directamente de dos aspectos como son la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del enfriador; así mismo se tiene una cierta discrepancia entre el uso normal y el pesado.

Tabla 8 Equivalentes de calor por persona dentro del espacio refrigerado

Tomado de DE ASHRAE Data Book..

3.3 Condiciones para el manejo del equipo Estudiamos las principales variables que deben contemplarse: 3.3.1

Carga de enfriamiento

Con el objeto de conocer la carga total de enfriamiento es necesario calcular todas las cargas que interfieren de una manera directa o indirecta dentro de la carga total y efectuar una sumatoria de éstas para saber las toneladas de refrigeración por un periodo de tiempo ya establecido, esto es: Carga total de enfriamiento = carga por cambio de aire + carga del producto + cargas varias + cargas por paredes + cargas de uso. Todo esto teniendo en cuenta el tiempo de funcionamiento y sabiendo que una tonelada de refrigeración equivale a 288.000 BTU en 24 horas. RECUERDE La carga de refrigeración generalmente se expresa en toneladas de refrigeración por período de tiempo específico y debe calcularse teniendo en cuenta todos los aspectos que generan una transmisión de calor.

3.3.2

Capacidad utilizada y volumen

Este es un aspecto muy importante por considerar. La selección o diseño del equipo depende directamente de: - Tipo de alimento que se va a enfriar. Conociendo el tipo de alimento que se va a almacenar, se sabe indirectamente el periodo de tiempo que éste va a gastar dentro de la cámara, por lo tanto, se hace necesario saber el tiempo de vida media de cada alimento específicamente y la temperatura óptima de refrigeración. Esto se efectúa con miras a determinar los periodos de tiempo que el enfriador va a estar ocupado por el alimento. - Material por utilizar. Para la selección del material en que debe ir construido el enfriador se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: • Tipo de alimento - Temperatura de almacenamiento. Hay alimentos que no requieren de temperaturas de congelación o refrigeración extremadamente bajas, por lo que la carga de las paredes no será muy considerable teniendo en cuenta los diferenciales de temperatura; por lo tanto, por costos, se pueden seleccionar materiales que representen una conductividad térmica y conductancia térmica un poco más elevada con respecto a los de más baja, sabiendo además que los alimentos por enfriar presentan una alta velocidad de enfriamiento, lo que hace menos prolongada su permanencia en el enfriador. • Temperatura de entrada. Generalmente las industrias de almacenamiento de productos refrigerados conocen las temperaturas de llegada de los alimentos, es lógico que entre más baja sea la temperatura a la entrada del enfriador, menores serán las pérdidas por paredes. En consecuencia para elegir el material en que debe ser construido el enfriador se debe tener en cuenta entre otros, la temperatura inicial del alimento en cuestión.

• Volumen interior del enfriador. Este es un aspecto muy importante por considerar porque dependiendo de la necesidad de capacidad se pueden efectuar cálculos por pérdidas de carga, es decir, entre más amplio sea el enfriamiento y sus puertas, más necesidades presentan de ir construidos en un material bien aislante que evite un amplio contacto entre la superficie interior y exterior del enfriador. • Necesidades de temperatura. Generalmente cuando el alimento por almacenar no requiere de temperaturas extremadamente bajas, el tipo de material que se debe seleccionar para la construcción o compra del equipo, no debe ser tan estrictamente aislante, esto debido a que las temperaturas óptimas se pueden conseguir y mantener, utilizando un material de construcción no muy exigente y Costoso, por ejemplo la placa de corcho. Dentro de los materiales generalmente utilizados en las paredes de almacenes fríos, encontramos las siguientes ventajas y desventajas para su selección. • Ladrillo. Muy utilizado en la construcción de bodegas de refrigeración muy amplias. Su transmisión de calor es relativamente bajo comparativamente con el concreto. Es un material de fácil consecución. Sus costos son muy bajos comparativamente con los de otros materiales aislantes. Es un material lavable. No es atacado por la humedad. • Concreto. Es uno de los materiales que presenta más alta conductividad térmica, lo cual lo hace poco recomendado para la fabricación de cuartos fríos. Posee ventajas tales como: No es muy costoso. Tiempo de duración extremadamente prolongado. Es de fácil consecución. Es un material lavable. El concreto es utilizado generalmente en la fabricación de cuartos de almacenamiento para maduración de quesos y algunos otros alimentos que no

exigen temperaturas extremas. • Maderas. No son muy utilizadas en el diseño y construcción de cuartos fríos debido a la tendencia a ser atacadas por la humedad aunque presentan una baja conductividad térmica; no es muy recomendable en refrigeración pero sí muy utilizada en los cuartos de prerrefrigeración de algunos alimentos que la requieren. Ejemplo: cárnicos, frutas y verduras. • Vidrio celular. Debido a su baja conductividad térmica es muy utilizado en la construcción de paredes para congeladores de pequeña capacidad; presenta un costo elevado lo cual impide que sea utilizado en equipos de gran capacidad. • Placa de corcho, fibra de vidrio, poliestireno y poliuretano. Son los materiales que presentan menor conductividad térmica lo cual hace que puedan ser utilizados en la construcción de cualquier tipo de enfriador aunque cabe anotar que sus costos son muy elevados por lo tanto son utilizados en la construcción de pequeños enfriadores tipo doméstico. La conductividad y la conductancia térmica son tal vez los factores más importantes en las pérdidas ocasionadas por paredes, ellas intervienen directamente en la transmisión de calor y son el parámetro fundamental para seleccionar el tipo de equipo. En la Tablas 5- 6 encontramos estas constantes de algunos materiales utilizados en la construcción de enfriadores, las cuales nos sirven de base para seleccionar el tipo de material en que debe ir construido el equipo; no solamente este factor nos determina la escogencia del material, sino que también se deben tener en cuenta con respecto a éste las propiedades o características como: • Durabilidad. • Costos. • Condiciones físicas. • Cantidad de calor transferido por hora. • Espesor requerido. -Volumen del cuarto. Para seleccionar el tamaño del cuarto de enfriamiento tenga en consideración o efectúe el cálculo para los siguientes aspectos: • Cantidad de alimento por almacenar teniendo como base de cálculo su peso en

kilogramos o toneladas y el tiempo de permanencia del alimento en la cámara. • Forma y tamaño del alimento queso va a almacenar. • El estado en que se encuentre. • Las necesidades de temperatura y condiciones de almacenamiento. • Con base en esto realice un cálculo del volumen necesario por día requerido para almacenar la cantidad de alimento disponible.

UNIDAD 2 Las bajas temperaturas en alimentos de origen vegetal y animal

Objetivos • Identificarlos efectos del frío en procesos biofísicos poscosecha de frutas y hortalizas. • Valorar las principales condiciones que permiten un manejo adecuado de los alimentos de origen vegetal sometidas a la accion de las bajas temperaturas. • Describir los principales efectos del frío en procesos biofísicos pos - mortem de animales utilizados para el consumo humano. • Reconocer los procedimientos de congelación más utilizados para la conservación de carnes rojas y blancas.

Capitulo 1.0 Efectos del frio en la vida poscosecha de frutas y hortalizas Una vez recordados y aclarados los principales conceptos que permiten abordar con suficiencia la aplicación de las bajas temperaturas en la conservación de alimentos perecederos, nos detendremos ahora para estudiar las principales características biofísicas que se deben controlar al aplicar en alimentos frescos condiciones de bajas temperaturas. El identificar la fisiología por posrecolección o poscosecha de los frutos y el conocer los procesos bioquímicos que gobiernan las modificaciones de su metabolismo, durante el tratamiento y conservación por el frío, no sólo son necesarios para esclarecer la influencia de la tecnología aplicada sobre la regulación de un proceso de maduración, sino que además se constituyen en una valiosa herramienta para lograr una correcta aplicación de las bajas temperaturas en productos vegetales y así beneficiar su calidad final. Como bien se sabe, en el caso de los productos hortofrutícolas, estos continúan siendo materiales vivos, no sólo una vez recolectados, sino también durante los procedimientos de comercialización o de los procesos de transformación, caracterizándose por poseer una actividad fisiológica dinámica que sólo puede ser interrumpida cuando son sometidos a tratamientos físicos como el de las bajas temperaturas. De hecho todos los frutos respiran y transpiran, no sólamente durante su desarrollo en el árbol, sino como seres vivos que son, también lo hacen durante las fases de maduración y senescencia a que están sujetos. Genéricamente la respiración es definida entonces como el proceso metabólico que se realiza a través de intercambios gaseosos entre el fruto y la atmósfera, siendo consecuencia de un complejo proceso bioquímico, en tanto que la transpiración tiene lugar a través de la evaporación como un proceso eminentemente físico. En la Figura 24 podemos observar la representación esquemática de estas dos funciones dentro de una pera.

FIGURA 24. Representación esquemática de las funciones de transpiración y respiración de un fruto*

Analicemos en detalle a continuación cada uno de estos procesos: 1.1

El proceso de la transpiración

Las frutas y hortalizas frescas están constituidas fundamentalmente por agua y la transpiración no es sino la evaporación de parte de esta agua, lo que origina su deshidratación o marchitamiento, que puede impedirse reduciendo la intensidad respiratoria. Los productos transpiran cuando hay una diferencia entre la presión de vapor de la atmósfera interna de los tejidos y la del ambiente donde se encuentran. *

Tomado y simplificado de A. Mezzeti (1969)

Mientras se mantenga esta diferencia, la transpiración continuara, por ello la perdida de agua es pequeña cuando la humedad relativa es elevada, ya que en este caso la presión de vapor del ambiente se aproxima a la del interior de los frutos, próxima a la de saturación. La pérdida de agua, que se traduce en pérdida de peso, es más rápida y más importante a temperaturas elevadas que a bajas, incluso cuando la humedad relativa es la misma. No todas las frutas y las hortalizas pierden agua o peso al mismo ritmo cuando se manejan y almacenan en las mismas condiciones: cuanto mayor es la superficie expuesta por unidad de volumen, se presenta una rápida y mayor perdida; las hortalizas de hoja pierden, por su estructura y elevado contenido de agua, más agua que las frutas y las hortalizas esféricas; el espesor y la naturaleza de la capa cérea que recubre algunas frutas tiene; así mismo, una clara influencia en la intensidad transpiratoria. Perdidas de agua, de peso, del orden del 3-6% pueden causar en varias frutas y hortalizas deshidrataciones, marchitamientos o arrugamientos importantes que como consecuencia una perdida marcada en su calidad comercial con muy pocas excepciones que puedan soportar perdidas del 10% y todavía ser aptas para la comercialización como producto fresco y de buena calidad. Para mantener, en lo posible, el alto contenido natural de agua de frutas y hortalizas, es necesario disminuir

el proceso de transpiración como exigencia

para la conservación de la calidad durante el manejo y almacenamiento, el cual ha de ha de caracterizarse por el control de la temperatura suficientemente baja, una humedad relativa adecuadamente alta y una circulación de aire apropiada para que la perdida de humedad, o de peso sea mínimo. Se da en la mayoría de los casos para los frutos denominados frescos; estos contienen principalmente agua, en un porcentaje estimado en el 82% de su peso en el estado fresco, 10% en volátiles y 8% en sólidos de diversa naturaleza. El agua es por lo tanto el constituyente fundamental de los frutos que les imparte la fragilidad a sus tejidos; productos con mayor nivel perecedero son los que poseen

normalmente mayor contenido hídrico, citando por ejemplo a los frutos carnosos como el durazno. En este orden de ideas, la transpiración se puede definir entonces como la pérdida de agua en forma de vapor y que se da fundamentalmente en los tejidos vivos del fruto. Se infiere por lo tanto, que la transpiración y la evaporación para este caso son fenómenos análogos que se diferencian en el tipo de objeto en el cual se aplican: la transpiración a los productos vivos y la evaporación a objetos inertes. En la Figura 25 se pueden observar claramente, aunque de manera esquemática los cambios internos que se dan en los frutos cuando ocurre el proceso de transpiración. Figura 25. Cambios internos de los frutos durante el proceso de transpiración*

Analicemos los principales factores que afectan la transpiración. Estudios frecuentes han encontrado que quien determina la intensidad de transpiración es principalmente la diferencia entre la tensión de vapor de agua en los espacios *

El agua se pierde al ambiente como vapor de agua (A), moviéndose desde la atmósfera de los espacios intercelulares (B), existentes entre las células del parénquima poroso (pulpa) (C), hacia la atmósfera exterior- El vapor de agua se libera a través de las aberturas naturales (lenticelas) (D), roturas o heridas en la superficie del fruto, atravesando la epidermis (E) y la Cutícula (F) (adaptado de F.G. Mitchel, 1978)

intermoleculares de los tejidos del fruto y la tensión de vapor de agua del medio exterior (Déficit de Presión de Vapor de agua, DPVA), el concepto DPVA para este caso es de mayor utilidad que el de Humedad Relativa (HR), utilizado para identificar el contenido de vapor de agua en la atmósfera de conservación (porcentaje de saturación de la atmósfera con vapor de agua a cualquier temperatura). De allí el postulado de que la evaporación de cualquier producto vivo es proporcional al DPVA en su medio ambiente. Una alta HR es equivalente a una baja DPVA. Lo anterior nos indica que la intensidad de transpiración o nivel de migración de vapor de agua, en la dirección de concentración más baja, principalmente a través de las aberturas naturales del fruto, está controlada por el DPVA entre el producto y su medio y está gobernado por la temperatura y la HR de acuerdo con la expresión en Pascales que dice:

DPVA =

PVA( 100 – HR) ____________

(Pascales)

100 Vale la pena anotar que las presiones deben estar expresadas en Pascales de acuerdo con el Sistema Internacional (SI). La equivalencia utilizada es 1 mmHg = 132,6 Pascales. En este orden de ideas se puede concluir, que la pérdida de agua y por ende de peso, es más rápida y significativa a altas temperaturas que a bajas temperaturas, incluso cuando la humedad relativa es la misma. Aclararemos este fenómeno con un ejemplo: Cuando existen dos cámaras con igual HR de 90%, pero una de ellas esté a 00C de temperatura y la otra a +100C, observando en la tabla anterior los valores de DPVA que corresponden a los de 62 pascales para 00C y de 122 pascales para +100C, de ello se concluye que los productos pierden agua dos veces más rápido a +100C que a 00C, y que para mantener la misma pérdida de peso a las temperaturas mencionadas será necesario conseguir una humedad relativa de 95% a +100C y de 90% a 00 C.

Tabla 9. Déficit DPVA, a HR inferiores al 100%

Se puede afirmar entonces que reduciendo la temperatura del aire se consigue rebajar el DPVA con lo cual se logra reducir también la pérdida de agua durante la conservación de los frutos, evitando así el denominado marchitamiento. Otro aspecto importante de mencionar se refiere a que las frutas y hortalizas respiran cundo hay una diferencia entre la presión de vapor de la atmósfera interna de los tejidos y la del ambiente en donde se encuentra, es decir, que mientras se mantenga dicha diferencia, el proceso de respiración continua, en este caso la pérdida de agua es reducida siempre y cuando la humedad relativa sea alta por lo cual la presión de vapor del ambiente se acerca a la exterior de los frutos o se aproxima a la saturación. Diferentes autores consideran que “la transpiración se constituye en el producto de interacción de una fuerza motriz y una fuerza de resistencia. En este sentido, la fuerza motriz está representada por la diferencia entre la presión de vapor de agua en la superficie evaporante del fruto y el ambiente externo, por otro lado la fuerza de resistencia se representa por la inversa del coeficiente de transmisión global de

masa, término que puede dividirse en dos: uno, debido al efecto de resistencia de la piel (del fruto) y, otro, debido a la resistencia de la capa de aire en contacto con la superficie del fruto” Entre los factores que afectan la fuerza motriz se mencionan:

-

Los sólidos disueltos en el agua de constitución del fruto.

-

El enfriamiento evaporativo provocado por la eliminación del calor latente de vaporización del agua.

-

El calor generado por la respiración del fruto y la micro atmósfera del envase.

Entre los factores que afectan la fuerza de resistencia se mencionan:

-

La velocidad del aire.

-

La morfología del fruto.

-

La anatomía y estructura de la superficie del fruto.

-

El sistema de envasado.

Observemos a continuación las principales consecuencias prácticas de la transpiración, como efecto de la pérdida de agua por la transpiración, que provocan ciertas alteraciones sobre la calidad del fruto, tales como:

-

El arrugamiento puesto que el porcentaje de frutos arrugados aumenta al incrementarse la pérdida de agua.

-

La Pérdida de peso lo que ocasiona pérdidas en el valor de la venta.

-

Perjuicio de la presencia fisiológica del producto, siendo menos atractivo, de mala textura e inferior calidad y valor nutricional (pérdida de Vitamina C).

-

Los frutos modifican el ritmo de maduración según especies y variedades.

De lo anterior podemos deducir tal como lo menciona J. L. de la Plaza (citado por Leal) que “al fruto le convendría una atmósfera saturada y, si bien esto no es posible en la práctica, por el sistema de refrigeración directa, sí se puede alcanzar con la refrigeración indirecta.” En procedimientos de conservación convencional, en aire normal, se recomienda 85-90% de humedad relativa, por lo general, para los frutos de semilla y hueso y cítricos presentan entre las pérdidas de turgencia (peso) y el desarrollo de hongos (podredumbre) favorecidos por altas humedades relativas, que en atmósfera controlada se puede llegar casi a saturación, sin riesgo de podredumbres tanto por el efecto fungistático del CO2 como por mantener el fruto más firme, lo que viene a representar un ahorro de pérdidas de peso de 40 a 60% en relación con las habidas en frío convencional. Sin embargo, conviene tener presente que los altos valores de H.R pueden favorecer la maduración, con pérdidas del aroma característico del fruto del sabor y atenuación del color e incluso pueden favorecer ciertas alteraciones fisiológicas (fisiopatías) como el pardeamiento interno de manzana y pera. En la Tabla 10 podemos observar la intensidad de arrugamiento del producto que corresponde a diferentes valores de pérdidas de peso. TABLA 10. Pérdida media de peso en la aparición de síntomas de arrugamiento de frutas y hortalizas (%)

Fuente: H.W. Hruschka (1977)

1.2

El proceso de la respiración

Se puede definir como un proceso metabólico en el cual mediante la intervención del oxigeno, se produce la descomposición de sustratos orgánicos, principalmente azucares (glucosa) y ocasionalmente ácidos orgánicos (cítrico, tartárico málico) en anhídrido carbónico y agua y se libera cierta cantidad de energía, que puede utilizarse posteriormente en procesos de síntesis, tales como los requeridos para la maduración, o desprenderse en forma de calor.

C6H12O6 + 6O2 ---------- 6CO2 + 6H2O + E La respiración supone, pues, una oxidación de sustancias orgánicas ricas en energía potencial.En presencia de de oxigeno molecular la respiración es aerobia y los productos finales son, anhídrido carbónico, agua y calor. En ausencia de de oxigeno la respiración es anaerobia, se puede transformar en un proceso fermentativo y es mucho manos eficiente como productora de energía. La respiración aerobia predomina en las frutas y las hortalizas recién recolectados, pero la respiración anaerobia puede ser significativa en productos senescentes donde la permeabilidad de a los gases de los tejos se ve reducida en productos conservados en atmósferas con un contenido demasiado bajo de oxigeno o demasiado alto de anhídrido carbónico; en frutos que presenten alteraciones fisiológicas o tejidos dañados o golpeados donde puedan producirse reacciones enzimaticas anormales. En síntesis, la respiración se puede comparar o equiparar con una serie de reacciones químicas iniciado y controlado por enzimas especificas. Los cambios químicos que ocurren en un fruto recolectado están de una u otra forma relacionada con los procesos oxidativos y fermentativos (oxidaciones biológicas) y por ello los frutos son productos termogenicos,que autodestruyen sus reservas, sustratos orgánicos de la oxidación para suministrar la energía requerida para su desarrollo,maduración y senescencia, mediante la generación de reacciones

exotérmicas (calor de respiración ) producidas durante el proceso de respiración en sus etapas de glicólisis y ciclo de Krebs. 1.2.1 Cociente respiratorio Mediante la medida de del anhídrido carbónico desprendido y del oxigeno absorbido es posible determinar la naturaleza del proceso respiratorio o cociente respiratorio (CR), definido como la relación entre ambos así:

CR = CO2 / O2 Generalmente si CR es igual a 1 significa que son los azucares los que se están metabolizando, fundamentalmente; si es mayor que 1 quiere decir que se esta utilizando como sustrato en la respiración una sustancia oxigenada, los ácidos orgánicos; si es inferior a 1 son proteínas o lípidos las sustancias que se están usando como sustrato. 1.2.2 Intensidad respiratoria Por intensidad respiratoria (IR) se entiende la cantidad de oxigeno absorbida o la cantidad de anhídrido carbónico desprendida o el calor producido por un órgano vegetal, de un peso determinado de producto durante una unidad de tiempo. El CO2 desprendido no representaría la intensidad respiratoria real porque el producto puede desprender CO2

de otra procedencia no respiratoria, en

especiales condiciones. Sin embargo, en ausencia de de un proceso fermentativo el CO2 desprendido se acepta, generalmente, como una medida fiable de la intensidad respiratoria.

IR: mg CO2 /Kg- hr

;

Kg CO2 /Ton- dia

Conforme se ha visto la respiración es un proceso complejo que puede verse afectado por diversos factores, siendo el estudio de ellos de la mayor importancia por la repercusión que pueden tener en el almacenamiento y comercialización de las frutas y hortalizas.

Factores Internos Si hablamos de factores internos, la IR varía en el transcurso del desarrollo de los órganos vegetales. Así, por ejemplo, los frutos jóvenes donde la división celular es muy activa, tienen una IR elevada que se va reduciendo de forma rápida cuando el fruto va aumentando de tamaño y se estabiliza o disminuye ligeramente en el mes

que

antecede

a

la

recolección,

alcanzando

un

mínimo

llamado

preclimaterico,antes de que se inicie la maduración. A continuación en ciertos frutos, en el momento de la maduración, se produce un incremento muy sensible de su intensidad respiratoria o “climaterio de los frutos”, periodo durante el cual se inician una serie de transformaciones bioquímicas por la producción auto catalítica de etileno que significan el paso del crecimiento a la senescencia, y que causan un incremento en la intensidad respiratoria que conduce a la maduración. De acuerdo con el modelo o patrón respiratorio, los frutos pueden dividirse en frutos climatéricos en los que se produce la crisis respiratoria y los no climatéricos, en los que no se produce dicha crisis, coincidente con el desarrollo de la maduración. El tamaño de los frutos influye, también sobre la IR; los frutos pequeños respiran más intensamente que los grandes. Al primer grupo (Climatéricos) pertenecen el aguacate, banano, chirimoya, mango, guanábana, guayaba papaya, ciruela, y el tomate (considerado también como hortaliza). La mayoría de estos frutos (afirman los especialistas) pueden presentar la crisis climatérica tanto si maduran en el árbol como una vez recolectados, sin embargo el aguacate sólo muestra dicha crisis una vez separado del árbol. En algunos frutos climatéricos, la madurez para el consumo corresponde con el valor más elevado de la IR, es decir el “máximo climatérico” (Ej. Aguacate, mango), mientras que otros (Ej. Manzana, tomate) la maduración no es completa hasta algún tiempo después de alcanzar dicho máximo.

Otros frutos como la naranja, limón, uva, cereza, piña, fresa, hortalizas de hoja, y otras hortalizas como el melón y el pepino se clasifican dentro de los productos no climatéricos.

Figura 26. Ejemplos del patrón respiratorio de los frutos

Otro Factor interno, bastante estudiado es el etileno, denominado hormona de la maduración, generado por los frutos climatéricos; sin embargo, los productos no climatéricos son sensibles a él. Del etileno depende en buena parte la vida útil del producto, en especial en productos llamados climatéricos, que son productores de este gas, y en productos sensibles a él, como las hortalizas de hoja. La maduración (tema del que nos ocuparemos más adelante) y el envejecimiento son procesos estrechamente relacionadas con esta sustancia, un gas de comportamiento hormonal que desencadena una enorme cantidad de reacciones químicas; esto, sin detenernos a considerar el etileno exógeno y su efecto durante la maduración comercial.

La química de estas reacciones y su mecanismo de acción no están esclarecidos, pero es un hecho que, en un mismo grado de madurez, un fruto en el árbol madura más lentamente que separado de el (Ej. El mango y el aguacate no maduran completamente sino después de de recolectados) Por otra parte, la especie, la variedad son, asimismo, factores internos que tienen influencia sobre la IR

de los productos vegetales. En general las hortalizas

respiran más intensamente que las frutas, a una misma temperatura. El tamaño de los frutos influye, también sobre la IR; los frutos pequeños respiran más intensamente que los grandes. Al igual que en la transpiración, fenómenos de superficie pueden explicar este hecho, ya que en los frutos de pequeño tamaño es mayor la relación de superficie por unidad de volumen y por tanto pueden absorber mayor cantidad de oxigeno. Otro factor que puede asimismo, influir en la IR es el recubrimiento céreo de la piel de los frutos, estando comprobado que aquellos frutos en que la capa cérea es más densa presentan una menor intensidad respiratoria. Factores Externos. Los principales factores externos que inciden sobre la IR son la temperatura y los efectos de la atmósfera en contacto con el producto; es decir el efecto de la concentración de oxigeno, concentración de anhídrido carbónico o los efectos combinados en la atmósfera de los mismos y la temperatura. Temperatura La temperatura es el factor externo que más incide en la IR, ya que esta cesa y por tanto el producto muere si la temperatura del ambiente donde se encuentra es muy alta o muy baja. Hay una zona de temperatura, entre 0 y °35C, donde la respiración aumenta a razón de de 2 a 2.5 veces por cada °10C de aumento en la temperatura. Por encima de °30C

la IR se ve afectada favorablemente por el efecto de de la

temperatura sobre la velocidad de las reacciones, pero desfavorablemente por el efecto inhibidor de las temperaturas elevadas sobre la actividad enzimatica, debido a la desnaturalización por el calor de las proteínas de las de las enzimas y

por el deterioro que causan en la estructura de integridad de la membrana y organización celular. Figura 27. Representación esquemática de los efectos de los rangos de temperatura sobre los productos hortofrutícolas

°C 50 40 30 25 20 15 10 5 0 -5

Daños por altas temperaturas

Rango optimo de Maduración Transporte y conservación (sensibles al frío) (Resistentes al frío) Daño por congelación

-10 -20

Congelación Industrial

Temperatura Optima: En la que los procesos biológicos se desarrollan en condiciones normales (entre 10 y 25 °C ) Temperatura Máxima biológica: Es el limite superior para la ocurrencia normal de procesos biológicos (generalmente mayor de 30 °C) Temperatura Mínima biológica: Son aquellos que están por encima del punto de congelación pero en las cuales el funcionamiento de los tejidos es mínimo (limite inferior fisiológico) Temperatura de congelación: Entorno a los 0 °C; por debajo de ella se produce la muerte del tejido.

El efecto de la temperatura sobre los procesos biológicos, entre ellos el respiratorio, gobernados por enzimas, conforme se ha visto, viene dado por la ley de Arrehenius. La velocidad de una reacción enzimatica, que en definitiva es una reacción química, es proporcional no al número total de moléculas presentes, sino al número de moléculas que poseen la energía necesaria de activación.

- Ea / RT

K= Ae

Donde: K es la velocidad de la reacción A es una constante; e es la base de los logaritmos naturales (2.71)

Ea es la energía de activación R es la constante de los gases = 1.99 cal/mol El denominad por Van’tHoff. Cociente de temperatura Q10 expresa cuántas veces aumenta la velocidad de una reacción cuando la temperatura aumenta en °10C. Conforme se ha indicado para la IR el valor del Q10 oscila entre 2y2.5, cifra que se puede confirmar, aplicando la ecuación de Gore que expresa la influencia de la temperatura sobre la intensidad respiratoria.

log Yt = log Y0 + Ct Yt: velocidad de respiración a determinar a una temperatura Y0: velocidad de respiración a °0C C: constante

0.0376

t: Temperatura

t en °C

Dada la intima relación que según se ha expuesto, existe entre la IR de los productos vegetales, a una temperatura determinada y sus posibilidades de conservación a dicha temperatura, el conocimiento del valor Q10 ayuda a predecir el efecto de la reducción o el aumento de temperatura sobre la conservación de una fruta o una hortaliza, pudiéndose deducir, aunque con ciertas limitaciones, que un descenso de 10°C en la conservación puede aumentar algo más del doble su tiempo de conservación ya que en esta misma proporción se reduce su IR. Dicha ecuación se expresa en la práctica en términos del factor llamado Q10 o Cociente de la Temperatura definido por Van’t Hoff en 1884 como el cociente entre dos velocidades de reacción para intervalos de 10ºC de temperatura, es decir: Q10 =

K t + 10 Periodo de conservación a tº C = Kt Periodo de conservación a (t + 10)º C

En 1911, el científico Core determinó experimentalmente el valor de a = 0,0376, con lo que la Ley de Berthelot, para t=10ºC viene a coincidir con el Q10 de Van’t Hoff, es decir: Q10 =

y10 = 1010.a = 2.38 y0

En lugar de calcular las variaciones de 10 en 10 grados centígrados Plank ha propuesto hacerlo de grado en grado, según la expresión: Q1 =

yt + 1 = 10 / x ⋅ 10 / x Q10 yt

El valor Q10 varía en función del intervalo de temperaturas en que se mida, presentando valores tanto más altos cuanto el intervalo de temperaturas sea más bajo. En el intervalo entre 0 y 10ºC el valor de Q10 es superior a 3, entre 10 y 30ºC es próximo a 2 y en intervalos de temperaturas superiores, los valores de Q10 son próximos a 1. Observemos lo notado en la Tabla 12.

TABLA 12. Efecto de la temperatura sobre la intensidad de respiración y de deterioro de la calidad en el periodo de conservación

De las consideraciones anteriores puede inferirse la gran importancia que tiene proceder a la refrigeración de frutas y hortalizas después de su recolección ya que con ello se reduce la IR y por lo tanto el desprendimiento de calor (calor de respiración QR), prolongando su conservación o vida útil. Asimismo, la aplicación de bajas temperaturas retraza la aparición del climaterio en los frutos climatéricos y con frecuencia no llega a producirse durante la conservación en refrigeración sino durante la maduración posterior, bien al ambiente o a temperatura controlada.

Medida de la intensidad respiratoria Figura 28. Determinación de la actividad respiratoria

IR

mg CO2 Kg. - Hr.

AIRE CO2

T= Constante

Aire - CO2

Tiempo

KOH 0.100 N

KOH concentrado

MONTAJE DE LA PRUEBA INTENSIDAD RESPIRATORIA

Un primer método es el de las trampas de hidróxido de potasio, KOH, que retiene el CO2 contenido en el aire del frasco porta fruta como producto de la respiración durante un tiempo preestablecido, para luego titular esa solución con ácido clorhídrico en presencia de fenolftaleina. Mediante una bomba de aire con filtro se asegura la circulación del aire libre de CO2 en el sistema. 1.2.3 Calor de respiración (Qr) Debe ser incluido en la estimación de las necesidades de enfriamiento y circulación de aire para mantener la temperatura adecuada durante la conservación en refrigeración de frutas y hortalizas. El calor de respiración se puede obtener indirectamente a partir de la intensidad respiratoria, ya que de la combustión de un mol de glucosa según la ecuación*, se producen 673Kilocalorias es decir, 2.55 Kcal /g CO2

C6H12O6 + 6O2 ---------- 6CO2 + 6H2O + E* (180 g)

(264g)

(673Kcal )

Entonces: 1mg de CO2 / Kg.-hora = 2.55 Kcal / ton-hora Qr Kcal/ ton-hora = IR (mg CO2 / Kg.-hora) x 2.55 IR x 220 = BTU /Ton/ dia (equivalente a 220 mg CO2 / Kg.- hora En el caso de disponer los resultados en volumen de CO2 se pasa de unas medidas a otras por medio de la conversión.

1/ litro-dia = 0.082 mg CO2 / Kg.-hora

(densidad CO2 : 1.964 g / l )

1.3 El proceso de maduración La maduración de productos vegetales es el proceso que sigue al desarrollo; se presenta cuando se ha dado la formación completa de un organismo, cuando sus células han sido definidas en tamaño y funciones, y cuando esas células contienen suficientes elementos bioquímicos para funcionar de la manera correcta. La maduración se evidencia con diversos cambios en los productos. Esos cambios han sido interpretados como señal de una calidad para consumo; es así como los gustos y preferencias de los consumidores definen en sentido práctico (comercial) la madurez del producto, aunque su estado puede ser distinto de la función del producto en la naturaleza. Para llegar a esto, ha habido una gran inversión de energía, que ha permitido acumular además materia prima para estos cambios. Esto define en varios aspectos la relación del producto con su vida útil, período comercial en el cual el producto

puede

permanecer

en

buenas

condiciones

de

calidad

bajo

almacenamiento. Esa capacidad no es ilimitada. Una vez que ocurre la maduración se inicia el envejecimiento de los tejidos (senescencia), lo cual se caracteriza por pérdida del contenido celular, oscurecimiento de los tejidos por oxidación, de formación debida a pérdida de turgencia o jugos, pudriciones causadas por hongos y bacterias, etc. La calidad del producto por tanto, es un atributo temporal Muchas de las ideas que se han aplicado a un producto vegetal de consumo, no tienen relación alguna con el proceso natural de maduración, sino que atienden una serie de elementos que satisfacen, de diversas formas, el gusto de los consumidores. En muchas oportunidades el producto se cosecha biológicamente maduro puesto que solamente de esa forma es posible consumirlo, como por ejemplo la piña, los marañones, etc. Sin embargo, productos aún inmaduros que podríamos denominarlos “biches”, por no tener aún su tamaño característico, son consumidos frecuentemente, tal el caso de mango, inflorescencias de brócoli y muchos más.

El momento en que los productos deben ser cosechados entonces, dependen cierto grado de las preferencias de los consumidores y no de su destino como órgano vegetal. En este punto surge la necesidad de mencionar un término de singular importancia en el ámbito poscosecha: el índice de cosecha. Este relaciona el momento de cosecha (estado de maduración) con la posibilidad de manejo y conservación de las características para satisfacer el gusto de los consumidores. El índice de cosecha depende de las características del producto. Puede establecerse el tamaño como la referencia más importante, o bien el color, forma o algunos estándares bioquímicos, como contenido de azúcares, acidez, producción de etileno y otros. El hecho es que antes o después de este punto, la calidad del material no lo hace apto para consumo. Si la recolección es temprana el producto es susceptible al daño fisiológico y presenta baja calidad de consumo; si por el contrario la recolección es tardía el producto presenta una sobremadurez, es más sensible al deterioro y por consiguiente una menor vida útil. Se hace necesario establecer algunas definiciones para interpretar la maduración con respecto no solo a la parte anatómica y fisiológica del producto o su aptitud de uso, sino también las consideraciones de manejo del material (tolerancia al frío, abrasiones, golpes, etc.) ante la eventual degeneración de cualidades. MADUREZ FISIOLOGICA: El producto se encuentra totalmente desarrollado y al cosecharlo cuenta con todos los elementos bioquímicos que le permitirán sufrir los cambios propios del proceso. La madurez fisiológica se podría interpretar como el estado “sazón” del producto. MADUREZ DE COSECHA: Puede ser interpretada igual que la anterior, aunque no para hortalizas de hoja y productos similares. Entonces, es el momento en el que el producto ha alcanzado

una serie de cualidades aparentes (tamaño, color, forma) con las que puede comercializarse. MADUREZ COMERCIAL: el grado con el cual el producto es comúnmente comercializado, pudiendo haber sido objeto de acondicionamiento de algún tipo (inducción, desverdización, etc.). En esta etapa el cliente consumidor reconoce los atributos que definirán si el estado del producto le satisface para decidirse por su adquisición MADUREZ DE COMSUMO - USO: ocurre cuando el material está listo para ser consumido, pues ha reunido características de sabor, color, aroma, textura, capacidad nutricional, que generarán satisfacción. Para frutas podría implicar color amarillo o rojo, cierta suavidad y aromas característicos; para hojas color verde tierno, crujencia, carencia de fibras internas, etc. En raíces y tubérculos puede ser la coloración de la pulpa, ausencia de reventaduras y de brotes (papa); en los ornamentales se determina por la apertura de flores, aromas, follaje turgente y de color característico y firme. 1.3.1 Indices de cosecha Los tests prácticos usados para la determinación de la madurez tienen limitaciones. Un solo test no es una base fiable para predecir la vida de almacenamiento o comportamiento de la maduración de la fruta. La velocidad de respiración es una buena guía, pero no es practicable como test de rutina. En muchas frutas, un cambio de color de la piel a partir del verde oscuro de inmadurez a un verde más claro, o verde amarillo puede ser una guía útil. En otros frutos el ablandamiento (test de presión) puede ser utilizado como criterio. Por lo tanto, los cambios en varias características deberán tomarse en cuenta junto con un calendario basado en la experiencia, para predecir el estado de madurez. La actividad fisiológica en frutas recolectadas puede ser esencial para el logro de la madurez deseada o puede conducir a un deterioro de la calidad. El proceso metabólico principal en la fruta recolectada es la respiración, que conlleva una

descomposición de sustratos orgánicos con liberación de energía y reducción de reservas. Esta energía puede usarse para síntesis adicionales como las requeridas durante la maduración, o se liberará como calor. El objetivo de cualquier técnica de almacenamiento es reducir estos procesos metabólicos y la respiración de los frutos y, por lo tanto, prolongar su vida de almacenamiento sin alterar su normal metabolismo, que podría resultar en una maduración anormal o en otros cambios indeseables. Las variedades de frutas de maduración temprana producen calor y dióxido de carbono más rápidamente que las variedades tardías, y tienen una vida más corta. Las frutas maduras respiran más rápidamente que las no maduras. La velocidad de respiración disminuye con el aumento de la proporción de dióxido de carbono presente y la disminución del oxígeno en la atmósfera - estos efectos son la base del almacenamiento en atmósfera controlada (gas). Si los niveles del dióxido de carbono son demasiado altos, o el nivel de oxígeno es demasiado bajo, comienza la respiración anaerobia y los tejidos quedan dañados irreversiblemente. La tolerancia a estos cambios varía ampliamente; las frutas tropicales, tomadas como una clase, son normalmente más tolerantes que las frutas de climas más suaves; por tanto, el almacenamiento en atmósfera controlada es relativamente más efectivo con ellas. Es deseable una baja velocidad de respiración, puesto que indica un bajo porcentaje de utilización de azúcares, que son los principales sustratos respiratorios, y de otros materiales de reserva esenciales, lo que alargará su vida.

1.3.2 El etileno Figura 29. Efectos del etileno durante la maduración

Modifica Actividad Respiratoria

ETILENO C2 H4

Síntesis Pigmentos Degradación de Clorofilas Almidones

Modifica Permeabilidad De Membranas Induce la formación de MAS Etileno

Generación de AROMAS

Degradación de la pared Celular

El etileno se produce por los tejidos de todas las plantas y es la hormona natural de maduración responsable de la descomposición de los pigmentos clorofílicos, de la caída de hojas y de la maduración de la fruta, probablemente porque inducen los sistemas enzimáticos de maduración. El etileno es fisiológicamente activo a muy bajas concentraciones (menos de 0.1 ppm en la atmósfera). Papel del etileno: aunque por la complejidad de la síntesis y acción del etileno en el proceso de la maduración no sea posible tratar con amplitud el tema en este momento, conviene señalar a titulo esquemático algunas precisiones. El etileno no es el único factor que induce la maduración, aunque juega un papel decisivo, siendo importante la presencia de otros reguladores de crecimiento como las auxinas, citoquininas, giberelinas, etc.

La abundancia de metionina y ACC

(ácido 1-amino propano 1-carboxílico o ácido 1-aminopropanóico) precursores del etileno y la receptividad de las células del fruto al etileno exógeno.

El etileno está presente en los espacios intercelulares a niveles fisiológicamente activos, comprendidos entre el 0,1 y 1 p.pm. (Partes por millón) en la mayoría de los frutos, antes de que se inicie la maduración plena (“ripening”), de forma que este etileno endógeno es el factor hormonal responsable de la inducción del máximo climatérico en la maduración plena y sus cambios asociados. Se ha demostrado que mientras la producción de etileno puede disminuirse sin afectar la evolución de la intensidad respiratoria, si se suspende ésta también se inhibirá la síntesis de etileno. Por otra parte, se ha demostrado que las hortalizas producen menos etileno que los frutos (Tabla 12), si bien la sensibilidad a los efectos nocivos del etileno es muy superior en aquellas que en estos, razón por la cual no deben almacenarse conjuntamente frutas y hortalizas. Tabla 13. Respiración y producción de etileno en frutas

Tabla 14. Clasificación de productos hortofrutícolas según su producción de etileno

Los niveles de producción de etileno varían considerablemente entre distintas especies y se ve influenciada por diferentes factores, como variedad, grado de madurez, temperatura, nivel de CO2, nivel de O2, etileno exógeno y otros hidrocarburos aplicados (propileno, acetileno, etc), y diferentes causas de estrés (lesiones físicas, enfermedades, tratamientos fitosanitarios, etc.)

1.3.3 Consecuencias prácticas de la maduración Como se señaló anteriormente, el término maduración se refiere al proceso por el cual el fruto adquiere su tamaño definitivo. Por otra parte, la maduración se aplica también a los procesos que transforman cualitativamente el fruto fisiológicamente maduro. El estudio de las complejas modificaciones sufridas por los frutos, durante la maduración, ha permitido definir índices eficaces, tanto para conocer la evolución del proceso, como para estudiar la evolución de la calidad durante la conservación. Los cambios generales, asociados con la maduración plena, que incluyen el ablandamiento de la pulpa del fruto, conversiones hidrolíticas de las materias de reserva del fruto y los cambios en los pigmentos y aromas, pueden atribuirse a la energía suministrada por la actividad respiratoria. La canalización de las energías respiratorias en el proceso de maduración plena implica notables cambios en los componentes enzimáticos de los frutos durante dicho proceso. El ablandamiento es uno de los cambios más frecuentes durante la maduración plena de los frutos carnosos, que está provocado por la hidrólisis y degradación progresiva de la protopectina insoluble que se encuentra en la laminilla media recubriendo la membrana celular, la pectina soluble que le confiere mayor movilidad a las células. La solubilización de las sustancias pécticas puede producirse a través de un aumento en las metilaciones de los ácidos galacturónicos o mediante un acortamiento de las cadenas de ácido poligalacturónico. Los cambios hidrolíticos durante la maduración plena conducen normalmente a la formación de azúcares a partir de almidón fundamentalmente, aunque también se ha comprobado ocurre a partir de grasas. Los principales azúcares presentes en los jugos celulares son: sacarosa, fructosa y glucosa, siendo estos dos últimos los azúcares reductores. A veces existe sorbitol, en peras sobretodo, que se transforma en Glucosa. Así, los frutos con el mismo contenido de azúcares totales y de ácidos, pueden ser más o menos dulces según sean sus niveles relativos de sacarosa, glucosa y fructuosa. En cuanto a los cambios en los pigmentos, unos son deseables y otros no en

función del producto. Así la clorofila (color verde) desaparece progresivamente, lo primordial en frutas pero no en hortalizas. Se desarrollan los carotenoides (colores amarillo y naranja) que son necesarios en albaricoque, melocotón, cítricos, etc. El color rojo en los tomates se debe a un carotenoide específico, el licopeno. Se desarrollan las antocianinas (colores rojo y azul) deseables en manzana, cereza, fresa, grosella, uva, etc. Los azúcares pueden acentuar las tendencias a formar los pigmentos. La pérdida de clorofila de los frutos puede estar sincronizada con la maduración plena, como ocurre en el plátano o, puede producirse sólamente en las primeras fases de la maduración, como en la naranja o más raramente suceder después de que se hayan superado otros índices de madurez, como sucede en ciertas variedades de pera. Las modificaciones de las antocianinas y otros compuestos fenólicos (polifenoles o taninos, como el ácido clorogénico, catecol, flavones, leucoantocia-ninas) pueden dar lugar a pardeamientos enzimáticos que son indeseables desde el punto de vista de la calidad. Los taninos están asociados con la astrigencia de los frutos y su pérdida durante la maduración, se produce a causa de modificaciones en su tamaño molecular y en los patrones de hidroxilación. Al seccionar el fruto que no ha llegado a su plena madurez, la pulpa se pardea por efecto de la oxidación de los compuestos fenólicos a quinonas lo que se facilita por la enzima polifenoloxidasa. Las modificaciones en los ácidos orgánicos conducen durante la maduración a su disminución. El ácido málico es el dominante en las frutas de semilla y hueso, el ácido cítrico también está presente, siendo dominante en los agrios, existiendo pequeñas cantidades de otros como ascórbico, succínico, quínico, etc. Los ácidos son importantes en relación con el sabor de los frutos pues influyen en la acidez o el amargor y tienen un efecto indirecto en la percepción del dulzor. Por su parte, la pérdida de ácido ascórbico (vitamina C) es causa de disminución de calidad nutricional. La regresión de los ácidos durante la maduración ha sido muy estudiada. Las A.C. con altos niveles de CO2 retienen considerablemente los ácidos en los frutos, lo que contribuye, por otro lado, a facilitar la hidrólisis de la sacarosa produciendo aumento de azúcares reductores y pérdida de dulzor. Por otra parte, los cambios en el aroma se deben a compuestos volátiles

aromáticos como ésteres, alcoholes, aldehídos y cetonas, que se desarrollan durante la maduración, así como a una serie de hidrocarburos saturados e insaturados. La temperatura juega un papel muy importante en el desarrollo del aroma, facilitándose al pasara temperatura ambiente desde las cámaras de conservación. Por otro lado, las atmósferas enriquecidas en CO2 son desfavorables en la producción de sustancias orgánicas específicas. La senescencia se acompaña de un aumento en la producción de alcoholes libres. También son importantes, por su influencia en la calidad de los frutos, los elementos minerales. Algunos elementos químicos como el nitrógeno, el calcio, el potasio y el Fosfóro, influyen directamente sobre el fruto. Veamos: El mayor contenido en nitrógeno facilita el calibre, acidez y presencia de alteraciones fisiológicas y podredumbres, mientras que reduce el sabor y aroma, los sólidos solubles, las pérdidas de peso y la pigmentación. El calcio está asociado con la estructura de la pared celular y es importante en el ablandamiento del fruto, contribuyendo a aumentar las pérdidas de peso, la acidez y podredumbre pero reduce las alteraciones fisiológicas y el calibre. El potasio reduce, asimismo, el calibre del fruto y contribuye a aumentar la acidez y algunas alteraciones fisiológicas (fisiopatías). El fósforo contribuye a aumentar la pigmentación y a disminuir ciertas fisiopatías.

1.4

Alteraciones fisiológicas ligadas al frío

Se denominan alteraciones fisiológicas de frutas y hortalizas a aquellas que no estando causadas ni por microorganismos ni por daños de origen mecánico ambientales, adversas especialmente a la temperatura o a una deficiencia nutricional durante el crecimiento o desarrollo. La sensibilidad al frío o alteración por frío (Chilling injury) es un desorden fisiológico responsable de las grandes pérdidas durante el almacenamiento y transporte frigorífico de ciertas frutas y hortalizas. En los frutos, las baja temperaturas próximas a su punto de congelación pueden ocasionar graves problemas, ya que no todas las especies pueden adaptarse a tales temperaturas, y provocan alteraciones metabólicas irreversibles

denominadas daños por bajas temperaturas o Chilling injury, en función de su sensibilidad a esta alteración, lo que permite clasificar las hortalizas y frutas en resistentes, poco sensibles y muy sensibles al Chilling injury y como se ve en la Figura 30, la influencia de una misma temperatura es considerable, en función de dicha sensibilidad, en el período de conservación. FIGURA 30. Variación del tiempo de conservación a distintas temperaturas de vegetales no sensibles (A), poco sensibles (B) y muy sensibles al “Chilling Injury”

Existe una temperatura crítica por encima de 0ºC o más o menos alejada del punto de congelación, por debajo de la cual se produce una alteración. Por ello, los productos sensibles deben conservarse a una temperatura superior a la crítica. Se hace necesario elegir la temperatura idónea de conservación en función de la especie y variedad ya que las temperaturas muy altas aceleran todos los procesos fisiológicos y sufren los frutos una senescencia precoz al tener una elevada pérdida de peso. Esta temperatura puede variar de país a país a causa de las condiciones climáticas durante la época de producción de los cultivos.

También se puede producir una alteración por efecto de mantener mucho tiempo los productos a temperaturas normalmente toleradas para su conservación.

TABLA 15. Efecto de la temperatura sobre la conservación de hortalizas

Tambien se puede reconocer que la influencia de la alteración por al frío depende también de las variedades dentro de la especie ; especialmente en las especies sensibles, como los frutos tropicales y subtropicales y con independencia de la variedad. Los frutos maduros son más sensibles a la alteración que los frutos más verdes. Las manifestaciones externas o internas de la alteración por frío varían como puede verse en la Tabla 15 que reúne las más importantes, como picado “pitting’, pardeamientos, descomposición interna, empapado de agua e irregularidades en la maduración. Las modificaciones en la calidad de las frutas y hortalizas afectadas de “chilling” (C.I.), son especialmente drásticas cuando pasan a temperatura ambiente desde la cámara frigorífica, provocando además una elevada sensibilidad al ataque de hongos como Penicillium, Fusarium, Alternaria, etc.,y bacterias como Erwinia y Pseudomonas.

Tabla 16. Síntomas de la alteración por frío (“Chilling injury”) en algunas frutas y hortalizas

El Mecanismo de “chilling injury”: en lo que se refiere al mecanismo de la alteración por frío se han sugerido varias hipótesis. Entre las diferentes teorías suscitadas muy recientemente, se destacan: Cambio de fase de los lípidos de la membrana de las mitocondrias de las células, afectando su fluidez al pasar de estructura cristalina a sólida o gel, lo que ocasiona una contracción de la misma que incluso llegaría en muchos casos a romperse con

la

consiguiente

pérdida

de

permeabilidad

que

produce

profundas

modificaciones metabólicas. La sensibilidad de la membrana mitocondrial a este fenómeno está ligada a la composición de los lípidos en ácidos grasos y precisamente en los insaturados (oléico, palmitoléico, linoléico y linolénico) siendo la sensibilidad a la alteración tanto mayor como menor es el contenido en ácidos grasos insaturados. Para tratar de explicar esta alteración se ha estudiado la actividad oxidativa de las mitocondrias de células en tejidos vegetales resistente y sensible a la alteración por frío y se ha comprobado que las sensibles al frío tienen un carácter lineal. El valor Q10 (cociente de temperatura de Vant Hoff) en el intervalo de temperaturas más altas (10º a 25ºC) es de 2, mientras que por debajo de 10ºC se incrementa en este proceso, un cambio de fase, que modifica la fluidez de la membrana. La coincidencia del cambio de fase en la porción líquida de la membrana mitocondrial a 100C y la aparición de la adulteración por frío en las especies sensibles a estas temperaturas, puede considerarse como una explicación del mecanismo que gobierna esta alteración: los lípidos de las membranas de las mitocondrias de la células de los tejidos vegetales sufren una transición de estructura cristalina a sólida. La alteración por frío se traduciría en una perturbación de las actividades oxidativa y fosforilante (formación de ATP) de las mitocondrias que se acompañarían por una alteración del sistema de transporte de energía y por un aumento de la energía de activación de las enzimas ligadas a las membranas mitocondrias y, en consecuencia, podría originarse una alteración del balance metabólico de los sistemas extramitocondriales no ligados a las membranas.

Si se hace retornar la temperatura del producido a un valor superior a 100C, las membranas mitocondrias recuperan su configuración y fluidez normal, restaurándose el metabolismo en la forma en que se produce habitualmente. Este hecho podría explicar por qué frutas sensibles al frío pueden resistir una exposición corta a bajas temperaturas. Sin embargo esta hipótesis no responde a todas las cuestiones: el tiempo necesario, días o meses en ciertos casos, para que la alteración se haga visible mientras que el cambio de fase es muy rápido; la irreversibilidad la mayoría de las veces o una reversibilidad lenta de la alteración por el frío que contrasta con la reversibilidad prácticamente inmediata de la fluidez de la membrana en el momento en que la temperatura se eleva. En algunas frutas afectadas por chilling injury se originan cambios en el contenido de azúcares, como ocurre con el descenso de azúcares solubles totales en el mango, con la hidrólisis más lenta de almidón en plátano y de la sacarosa en la papaya. En la patata, batata, guisantes y granos de maíz se puede romper el equilibrio en almidón y azúcar (glucosa) por efecto de la baja temperatura, así se empieza a acumular glucosa (endulzamiento) en la patata a 10ºC y en la batata a 15ºC por dificultad en la reconversión de almidón. Una disminución rápida del cociente respiratorio (Q.R.) se ha observado en los productos vegetales sensibles al frío tales como pepinos y tomates. Se ha sugerido que la disminución del Q.R. y su elevación posterior resultaría de la peroxidación de constituyentes provenientes de las membranas alteradas o de oxidaciones alteradas o de oxidaciones consecutivas a la pérdida de compartimientos celulares. Así podría explicarse la disminución del Q.R. de productos vegetales sensibles al frío, tales como el plátano, bajo la acción de temperaturas desfavorables. Por otro lado, un desajuste del metabolismo con disminución de constituyentes esenciales, acumulación de metabolitos tóxicos (acetaldehído, etanol) con cambios en la actividad enzimática podrían ser origen de la alteración. Así por ejemplo, en frutos tales como el limón, la lima, el pomelo la naranja, la manzana y el plátano se origina una acumulación, a partir del ácido pirúvico, de sustancias tóxicas tales como el acetaldehído y el etanol que reducirían la actividad del Ciclo de Krebs por inhibición de la succinato-deshidrogenasa y de la citrato sintetasa, lo que podría llegar a provocar, a la larga, la muerte de la célula.

1.5 Condiciones básicas para el manejo poscosecha de frutas y verduras Indudablemente que uno de los grandes problemas que enfrenta el renglón de la comercialización de vegetales perecederos es el permanente deterioro de la calidad por los mismos durante las operaciones de manejo a que son sometidos. Para cumplir con el propósito de comercialización en condiciones de calidad que permita la observación de las normas existentes dentro de los canales de comercialización internos y de comercio exterior, se hace necesaria la integración de diversos recursos y especialidades que contemplen instalaciones, equipos y maquinarias adecuadas, para someter los productos frescos a las operaciones de tipificación y a las técnicas que conduzcan a la aplicación de la cadena de frío específica. Para ello es necesario disponer de: • Instalaciones de enfriamiento en zonas productoras. • Vehículos “termoking” para transporte. • Lugares de almacenamiento en condiciones favorables de refrigeración y/o congelación en comercios mayoristas y minoristas.

RECUERDE El éxito de un tratamiento de refrigeración depende de: • Producto sano • Frío precoz • Frío continuo

1.6 El PRE-enfriamiento o PRE-refrigeración Es la operación consistente en lograr descender lo más rápidamente posible, la temperatura que tienen las frutas y hortalizas, luego de su recolección, hasta una temperatura conveniente, que dependerá de:

-

La clase y variedad del producto.

-

La duración del almacenamiento y transporte posterior.

-

Características de los vehículos utilizados.

-

Destino final de los productos.

Tratándose de frutas muy perecederas como la ciruela, la frambuesa, la fresa, el melocotón y la pera, se recomienda descender su temperatura hasta valores del orden de +3ºC a –3ºC. En el caso de vegetales no tan perecederos, por ejemplo, la col, el coliflor, el espárrago, la espinaca, la arveja, la habichuela, la lechuga, la manzana, el tomate maduro, la uva y la zanahoria, se recomienda pre-refrigerar hasta temperaturas del orden de 5 a 8ºC. Si se trata de frutas y hortalizas aún menos perecederas como naranjas, limones, mandarinas, alcachofas, pepinos y tomates verdes, entre otros, se recomienda enfriar los productos a temperaturas del orden de 8º a 10ºC. En el caso de frutos muy perecederos, el tiempo transcurrido entre la recolección y el preenfriamiento debe ser de horas; en el caso de productos menos perecederos, el tiempo puede ser de mayor duración. Para todos los frutos, es benéfico un pre-enfriamiento rápido después de su recolección, bajo el punto de vista biológico, ya que este tratamiento frena la intensidad respiratoria de los frutos, disminuye su deshidratación y además, son menores los gastos de conservación y transporte frigorífico posteriores. La conveniencia o no conveniencia de pre-enfriar los frutos, deberá considerarse siempre en función de la duración del transporte o conservación del producto que

se trate. La pre-refrigeración de los productos vegetales frescos produce beneficios tanto en lo biológico como en lo económico, ya que la reducción rápida de la temperatura del campo no solo retrasa la sobremaduración y minimiza los procesos transpiratorios, respiratorios y de deterioro por microorganismos, sino que también reduce el calor por eliminaren las fases subsiguientes de almacenamiento y transporte, lo que permite un ahorro de potencia frigorífica. Por otra parte, las técnicas de PRE-refrigeración, se utilizan principalmente en las frutas y hortalizas con elevado calor de respiración: fresas, frambuesas, duraznos, habichuelas, arvejas, lechugas, etc.; además, las frutas y hortalizas suelen prerefrigerarse después de su embalaje lo que implica, en general, una mayor duración del proceso. La pre-refrigeración antes del embalaje, tanto en el campo como en la central de acopio, requiere del acondicionamiento del aire en las áreas en que están situadas las líneas de selección, clasificación y embalaje para evitar condensaciones y controlar el recalentamiento del producto ya refrigerado. De no procederse así, la mayoría de las ventajas de la prerefrigeración se perderán al no mantener el producto a una temperatura apropiada. Para agilizar el despacho hacia mercados lejanos, la pre-refrigeración puede realizarse antes o después de cargar el producto en el vehículo de transporte. Las ventajas de la pre-refrigeración serán, en general, relativamente mayores en los productos más frágiles y de mayor intensidad respiratoria y está muy recomendada para productos, que una vez cosechados, deben ser transportados a grandes distancias en régimen de frío.

1.7 El enfriamiento Es un fenómeno de transmisión de calor en régimen variable, en el que el calor que tiene el producto se transmite al medio de enfriamiento utilizado en el proceso (aire o agua). En el caso de utilizarse el enfriamiento al vacío, el proceso consiste en la vaporización del agua de constitución del producto de baja presión, provocándose el cambio de estado, absorbiendo calor del propio producto, con lo que éste se enfría.

En el enfriamiento de un producto intervienen numerosos parámetros de los que va a depender la velocidad de enfriamiento en el proceso de transmisión del calor. Dichos parámetros son tanto de naturaleza intrínseca al propio producto, como de naturaleza extrínseca del acondicionamiento de los lotes de producto y del sistema de enfriamiento. Dichos parámetros se pueden agrupar como sigue: - Intrínsecos (propios del producto) • • • • • • •

Temperaturas inicial y final. Dimensiones. Forma. Conductividad térmica (contenido de agua, k= 0.5kcal./h.m.0C)., Calor específico (C) (kcal./kg.0C). Calor de respiración. Difusividad térmica (α) (m2/h).

Estos parámetros vienen dados por el propio producto, con lo que se convierten en factores limitantes del proceso y sobre los cuales difícilmente se puede actuar. La forma y dimensiones definen la uniformidad o no de la conductancia. Si el medio de enfriamiento es el aire o el agua, se condiciona, además, el comportamiento aerodinámico o hidrodinámico del producto respectivamente y, por lo tanto, el valor y distribución del coeficiente de película (h) cuyas unidades son kcal.h-1.m-2.ºC-1. • La conductividad térmica (k) (Kcal.h-1.m-2.ºC-1): es una característica del producto que depende fundamentalmente de su contenido de agua. Dentro del rango de temperaturas de refrigeración y, en productos vegetales, se puede para efectos de cálculo, utilizar un valor medio de 0,5 kcal/h.m.ºC • El calor específico (C) kcal.kg-1ºC-1: es una característica del producto que depende fundamentalmente del contenido de agua en el producto.

• La difusividad térmica (α) m2h-1: representa de forma global las características térmicas del producto: α = k / C.γ y expresa la mayor o menor facilidad del mismo a experimentar cambios de temperatura frente a la influencia de un medio externo. En general, se puede tomar como valor medio α = 6,25x10-4 m2/h. - Extrínsecos (propios del lote de productos-acondicionamiento) • • • • •

Envase y embalaje de los productos (material). Colocación de los productos en los envases (tipo). Colocación de los envases (paletización, apilamiento). Importancia del lote. Dimensiones y espesor del lote.

Las condiciones del embalaje, estiba y densidad de almacenamiento van a ser factores críticos ya que de ellos va a depender la accesibilidad del medio de enfriamiento al producto y, por tanto, se verá afectado el coeficiente de película (h). Una inadecuada distribución de la carga puede provocar gradientes de temperatura y por lo tanto un enfriamiento heterogéneo del producto. Estos factores son especialmente básicos en los vegetales, pues al ser factores fisiológicamente activos, constituyen una fuente de calor, CO2, etileno, volátiles y, por lo tanto, pueden producirse microclimas que alteren la calidad del producto. En el caso de utilizar envolturas, se complica la transmisión de calor teniendo que introducir nuevos parámetros, propios de las mismas: espesor, coeficiente de conductividad térmica y coeficiente de película interior. En resumen, con el lote se disminuye la velocidad de enfriamiento. - Extrínsecos (propios del sistema de enfriamiento) • • • •

Naturaleza del medio de enfriamiento (aire, agua). Sistema de producción de frío (convección, vacío). Velocidad de circulación del medio de enfriamiento. Caudal del medio de enfriamiento.

El medio de enfriamiento, además de tener unas características termofísicas óptimas, debe cumplir con una serie de características físicas y químicas, de forma que no modifique la calidad del producto, ni bajo el punto de vista comercial, ni bajo el punto de vista higiénico. Traigamos a consideración las siguientes observaciones de J. L.de la Plaza: “Si el medio de enfriamiento es el aire o el agua, la velocidad de enfriamiento va a depender de su temperatura (tf) y del coeficiente de película (h)”. Podría pensarse, por tanto que utilizando los valores de tf y h adecuados, podrían conseguirse tiempos de enfriamiento tan cortos como se quisiera; sin embargo, existen fuertes limitaciones en ambos parámetros. Así, una refrigeración por aire, tf no puede ser menor de -10C, por el riesgo de provocar la disminución de la calidad y la velocidad no debe superar los 7 m/s, por razones económicas. Por ello, aunque el enfriamiento de los frutos, puede acelerarse mediante una corriente de aire a gran velocidad, utilizando un túnel, con lo que una parte importante de la corriente de aire, penetra en el interior de los embalajes y se pone en contacto directo con los productos, mejorándose de esta forma el intercambio térmico, hay que tener en cuenta la existencia del factor limitante para aumentar la transmisión de calor mediante el incremento del caudal y velocidad del aire en circulación, ya que estos dos fenómenos, no aumentan en la misma proporción. Por ejemplo para una velocidad de aire V, el intercambio térmico es V0.70-0.6, mientras que el consumo de energía es V3-2.6 es decir, incrementando un 50% el caudal de aire, el intercambio de calor aumentará en un 30% y el consumo de energía será 3,5 veces mayor. Este aumento de la potencia absorbida por los ventiladores, es la razón esencial de la limitación del coeficiente de recirculación de aire y, la pérdida de carga por fricción, aumenta a V2-1.6 En conclusión y, sobre la base de lo descrito, se podrá reducir el tiempo de enfriamiento (aumentar la velocidad de enfriamiento) para un producto cuando: • Menor sea su espesor. • Más elevada su conductividad y menor su calor específico. •

Mayor superficie de contacto con el fluido refrigerante.

•

Mayor la diferencia de temperatura entre el fluido refrigerante y el producto por enfriar.

•

Mayor la velocidad del aire que afecta el coeficiente de transmisión superficial.

Analicemos en este orden de ideas otro concepto importante como la Velocidad de enfriamiento; para medir la velocidad del proceso se define el Tiempo de enfriamiento como el tiempo necesario para reducir a la mitad la diferencia entre la temperatura media del producto y la del medio de enfriamiento. El tiempo de semienfriamiento es independiente tanto de la temperatura inicial del producto como de la temperatura del medio de enfriamiento y permanece constante durante el proceso; por esta razón, este parámetro simplifica la complejidad de la medida de la velocidad del proceso, como usted puede constatar a continuación: Conforme al Segundo Principio de la Termodinámica, la transferencia de calor se realiza en la dirección de temperatura decreciente. La transmisión de calor entre dos cuerpos (producto y fluido de enfriamiento) en el enfriamiento del producto se realiza por tres mecanismos conducción, convección y radiación. Recordemos que la conducción de calor se realiza en el interior del producto, en tanto que la convección se da entre la superficie del producto y el fluido de enfriamiento. La transmisión de calor por radiación puede considerarse despreciable pues tiene muy poca importancia en este caso. Por otra parte, cada uno de estos procesos se puede estudiar en régimen estacionario o transitorio, ya sea que la temperatura en cualquier punto del producto sea independiente del tiempo o variable con él. Usted, al estudiar estos procesos debe, además, conocer la geometría del producto: si ésta es regular (esfera, cilindro, placa), la transmisión de calor se puede considerar como unidimensional, también se debe considerar que el

enfriamiento de los sólidos, así como el de los líquidos es un proceso típico de régimen transitorio. Para el estudio, sobre todo de convección, se suele considerar en muchas relaciones y coeficientes, que se trata de un régimen estacionario para así simplificar los cálculos; en la práctica, simultáneamente, suelen darse dos fenómenos convección y conducción. Rara vez la radiación tiene importancia. Para aclarar estos conceptos, consideremos por ejemplo, el enfriamiento de manzanas en una bodega mediante un proceso de transmisión de calor en la que éste puede efectuarse por radiación, convección y conducción. Ya se anotó que la transmisión de calor por radiación puede despreciarse, pero por el contrario, la transmisión de calor por conducción y convección, juega un papel importante en el enfriamiento de los frutos en la bodega. En primer lugar, se produce un fenómeno de transmisión de calor por conducción, a través de los frutos que están en contacto en el interior de los embalajes; estos constituyen un puente térmico que une el centro del embalaje a las paredes del mismo. A continuación, el calor se transmite a través de las paredes del embalaje por conducción. La convección interviene en el caso de los intercambios superficiales entre dos medios diferentes, uno de los cuales, el aire, está en movimiento. En el caso de los frutos situados en el interior de un embalaje, existe una sucesión de intercambios térmicos por convección. - “Un primer intercambio de calor superficial se produce entre el aire y los frutos que contiene el embalaje”. - “Un segundo intercambio de calor tiene lugar entre el aire y la pared interna de los embalajes” - “Por último, un tercer intercambio de calor se efectúa entre el aire de enfriamiento y la pared externa de los embalajes”

Es preciso tener en cuenta que el aire, en el interior de los embalajes, tiene una velocidad muy pequeña y las diferencias de temperatura entre el aire y los frutos son también pequeñas. Por el contrario, en la parte exterior de los embalajes el aire puede circular a una velocidad del orden de 10 a 15 m/seg., siendo la diferencia de temperatura entre el aire y la pared externa del embalaje, incluso, del orden de 10 a 15ºC RECUERDE La ley básica de transmisión de calor por conducción, está dada por la Ley de Fourier, que establece que la velocidad de transmisión de calor a través de un producto uniforme es proporcional al área de transmisión y a la caída de temperatura a través del producto e inversamente proporcional al espesor del producto. dQ/dθ = kA (dt/dx); k = conductividad térmica (kcal.h-1m2.0C-1)

En cuanto a la transmisión de calor por convección, al haber movimiento de un fluido, cuando se trata de la convección natural, se crea por gradientes de densidad durante el enfriamiento del fluido. La convección forzada es la que se realiza en el enfriamiento por aire, existiendo una fuente externa de energía (ventilador, bomba, etc.). Ejercitémonos un poco en el cálculo de la velocidad de enfriamiento, en el caso general de enfriamiento de productos agroalimentarios; la conductancia por unidad de superficie h, es alta con respecto a la conductividad térmica K, por lo que se presentan cambios de temperatura en la superficie, más rápidamente, que en el interior y entonces se produce un gradiente de temperatura. Estas son condiciones opuestas a las requeridas en el modelo de Newton, bajo las cuales debe enfriarse el producto, para que la resistencia al flujo de calor pueda considerarse debida exclusivamente a la resistencia superficial del producto, y que son las siguientes: - La conductividad térmica K, es alta comparada con la conductancia por unidad de superficie, h, de forma que Bi (número adimensional de Biot) = hr/K es menor que 0,2 aproximadamente.

- El gradiente de temperatura dentro del objeto es despreciable. - La temperatura en la superficie en ningún momento es apreciablemente diferente a la temperatura media interna. Realmente si la primera condición existe, las otras dos condiciones se mantendrán. De tal forma que un producto a una temperatura inicial ti se enfría, la resolución del problema de enfriamiento se hará según el modelo de Newton o de Fourier, dependiendo del establecimiento de ciertas condiciones en cada caso, basadas en la magnitud del número adimensional de Biot: Bi = hr/K ; en que r (radio) es la distancia del centro de un cilindro o de una esfera, que se asemeje al producto. Considere que Para valores de Bi<0.2, la temperatura del producto se considera uniforme, es decir, se supone que la conductividad térmica es casi infinita, y en este caso la resolución del problema se haría por la ley newtoniana de enfriamiento donde la razón de las temperaturas (t − t a ) (t i − t a ) es función del tiempo y tiempo constante, como se puede deducir por cálculo, llamado “cooling rate” (CR) o velocidad de enfriamiento, siendo: t = temperatura del producto en cualquier punto y en cualquier instante ta = temperatura del fluido ti= temperatura inicial del producto y que está expresado por:

ln CR =

t1 − t a ti − t a

θ

, θ = tiempo de enfriamiento

Con el significado físico de grados de diferencia de temperatura por grados de

diferencia de temperatura inicial por hora. Si el número de Biot es Bi > 10, las diferencias de temperatura entre la superficie y el medio que le rodea son despreciables, correspondiendo las diferencias máximas desde la superficie al centro del producto. En este caso la relación de temperaturas (t − t a ) (t i − t a ) es función del número de Fourier, Fo=(αθ/r2) y de la razón de las distancias r/rm; siendo:

α = difusividad térmica θ = tiempo r = distancia al centro r m = radio medio del cilindro Si el número de Biot es tal que 0,2 < Bi <10, no son despreciables las diferencias de temperatura entre la superficie y el medio de enfriamiento y superficie y el centro del producto. En este caso la razón (t − t a ) (t i − t a ) es función no sólamente del número de Fourier y razón de distancias, sino también del número de Biot. La velocidad de enfriamiento instantáneo sería: V = dt /dθ, con t = temperatura y θ = tiempo Esta velocidad se puede medir en grados por hora. Pero la Ley de Evolución de la Temperatura t = f(θ) en función del tiempo es muy compleja y la velocidad de enfriamiento no es constante. Bajo estas condiciones, el flujo de calor puede ser dado por la Ley de Enfriamiento Newtoniano como sigue:

dQ = -h.A (t-tf) dθ Siendo:

(1)

h.A : la conductancia superficial t : la temperatura en cualquier parte del producto tf : la temperatura del medio fluido que rodea al producto Por tanto la ecuación C = Q/(wV) ∆T de calor específico, en la que: C = calor específico (cal/g.ºC) w = peso específico V = volumen

∆T = variación de temperaturas al suministrar calor Q Podrá escribirse así: CwV =

dt = - h.A.(t – t1) dθ

(2)

Ya que CwV∆T = Q

dQ dQ = CwV = = - h.A.(t – t1) dθ dθ En el enfriamiento con temperatura ambiente del medio de enfriamiento constante, tf = ta para los límites de tiempo de 0 a θ y temperatura ti a t = temperatura en cualquier punto, la ecuación (2) puede escribirse así:

CwV =

dt = -h.A.(t – tf) dθ

dt h. A =− dθ CwV (t − t f ) t

ti

θ

dt h. A =− dθ (t − t f ) CwV 0

Cuya solución de esta ecuación diferencial sería:

ln

ti − t a h. A = θ t − ta CwV ti − t a = e −( h. A / CwV )θ t − ta

Lo que bajo condiciones de enfriamiento o calentamiento newtoniano, la temperatura del producto sube o baja exponencialmente con el tiempo. Más concretamente, esa ecuación exponencial demuestra que en el intervalo de tiempo requerido para que el producto experimente un cambio dado de temperatura es directamente proporcional a su resistencia térmica superficial (1/hA), a su calor específico (C), a su peso específico (w) y a su relación volumen-superficie (V/A). La ecuación (3) también sugiere que dicho intervalo tomará su valor infinito para alcanzar la condición estacionaria de estar en equilibrio térmico con su ambiente a medida que t se aproxima a ta Esta es una necesidad matemática sólamente, porque así se ha asumido una alta conductividad y entonces la diferencia entre t y ta será extremadamente pequeña al cabo de sólo un corto intervalo de tiempo. La velocidad de enfriamiento llamada a veces coeficiente de enfriamiento, es igual al parámetro h.A/CwV , de la ecuación (3). Es por tanto, una medida de las características de un sistema de enfriamiento a través de la conductancia por unidad de superficie h, y propiedades físicas del producto que se enfría tales como área A, calor específico C, peso específico w y su volumen V. A partir de la observación de los datos de temperatura y tiempo existen varios métodos para determinar la velocidad de enfriamiento. Cuando se conoce la velocidad de enfriamiento para una condición dada, se puede utilizar para determinar el tiempo, para alcanzar una temperatura dada o la temperatura que se alcanzará en un tiempo dado. Consideremos tres métodos o formas para el cálculo de la velocidad de enfriamiento, que seguramente usted podrá utilizar frecuentemente según sus necesidades.

El primer método para determinar la velocidad de enfriamiento es utilizar la pendiente de la curva de enfriamiento si la relación ti - ta se representa sobre el eje vertical en escala logarítmica y el tiempo θ en el eje horizontal en escala aritmética de un papel semilogarítmico. La pendiente será: hA/CwV = CR

ln CR =

ti − t a t − ta

θ

(4)

ó

ln − CR =

t − ta ti − t a

θ

t − ta = e −CR (θ ) , en que el signo (-) de CR indica la pendiente negativa, por lo que ti − t a

en la práctica ln

t − ta ti − t a

se representa contrario para dar una pendiente de la línea

de enfriamiento descendente a la derecha. Las unidades de CR, serán de 0C.0C1

.h-1, que establece como grados de diferencia de temperatura inicial y por hora de

enfriamiento. El segundo método para el cálculo de la velocidad de enfriamiento utiliza la diferencia de temperatura media logarítmica entre el producto y el ambiente. Una expresión media logarítmica para CR se puede obtener escribiendo la ecuación (4) así:

ti − t CR =

θ

(t i − ta ) − (t − ta ) ln

(5)

ti − t a t − ta

El significado físico de esta ecuación, que se conoce como velocidad específica de Plank-Pentzer, se ve mejor, expresándola como:

CR =

Reducción de temperatura / Periodo de enfriamiento Diferencia de Temperatura media logarítmica del producto y el ambiente

o de otra forma CR =

TR / θ ITD - FTD ln(ITD/FTD)

Donde: TR = reducción de temperatura ITD = diferencia inicial de temperatura entre el producto y el medio FTD = diferencia final entre la temperatura del producto y el medio Puede demostrarse que, en un enfriamiento exponencial de la forma

tθ − t a = Ae − Bθ t1 − t a Si la temperatura ambiente ta es constante, la diferencia entre la temperatura media del producto y el ambiente es igual a la diferencia de la temperatura media logarítmica entre el producto y el medio de enfriamiento. Para probar esto, consideremos la diferencia de temperatura media, Ave TD, (Average

Temperature Difference), dada por la siguiente integral: θ2

(tθ − t a ) Aθ

Ave TD =

θ1

θ 2 −θ1

que representa el área bajo la curva tiempo-temperatura dividido por la duración del enfriamiento para una temperatura ambiente constante. De la ecuación exponencial dada antes:

(tθ − t a ) = (ti − t a ) Ae − Bθ sustituyendo en la integral e integrando se obtiene:

A(ti − t a )e − Bθ 1 − A(ti − t a )e − Bθ 2 Ave TD = A(ti − t a )e − Bθ 1 ln A(ti − t a )e − Bθ 2 O sea: Ave TD =

ITD − FTD ITD ln FTD

Por tanto bajo tales condiciones de enfriamiento exponencial y temperatura ambiente constante, una diferencia de temperatura media logarítmica puede ser igual a la diferencia de temperatura media: CR =

TR / θ (t − t a ) Ave

(6)

en que TR es la reducción de temperatura durante el tiempo θ y (t – ta) Ave es la diferencia de temperatura media para el periodo θ. Esta cantidad puede obtenerse dividiendo el área bajo la curva tiempo-temperatura por el correspondiente tiempo de enfriamiento.

La ecuación (6) se puede considerar como el tercer método para obtener la velocidad de enfriamiento. A medida que el producto se enfría, la diferencia de temperatura entre el producto y el ambiente decrece, de tal forma que hay diferencias de temperatura entre el producto y el ambiente durante cualquier punto del proceso de enfriamiento. Antes de introducirnos en el desarrollo de las técnicas de enfriamiento, analicemos el concepto de Tiempo de semienfriamiento, el cual por definición es el tiempo en que la diferencia de temperatura entre el producto y el agente refrigerante que lo rodea, se hace igual a la mitad de la diferencia de la temperatura inicial. Llamando Z al tiempo de semienfriamiento, bajo las condiciones de enfriamiento newtoniano ,la sustitución en la ecuación (4) de θ = Z y a (t - ta) = ½ (ti - ta) nos produce:

ln

(t i − t a ) = CR ( Z ) 1 (t − t ) 2 i a

ln 2 = CR ( Z ) Entonces.

Z=

ln 2 CR

(7)

Este método de estimar el tiempo de semienfriamiento es más preciso (conociendo CR) que inspeccionando la curva de datos de enfriamiento. Para determinar la diferencia de temperatura (t–ta) al doble del tiempo de semienfriamiento, θ = 2Z puede ser sustituida por la siguiente ecuación derivada sustituyendo CR de (4) en (7):

Z = ln

2 (ln 2)(θ ) = CR ln(t i − t a ) /(t − t a )

esta sustitución muestra que al cabo de 2 Z horas, la diferencia de temperatura es

1/4 de la diferencia inicial de temperatura:

Z == ln Donde:

(ln 2).2( Z ) ln(ti − t a ) /(t − t a )

(ti − t a ) = 2(ln 2) = ln 2 2 (t − t a )

(ti − t a ) = 4(t − ta ); (t − t a ) =

1

4

(ti − t a )

θ = 3Z ..... t − t a = 1 / 8(t i − t a )

Para

θ = 34 ..... t − t a = 1 / 16(t i − t a )

y en general:

t - ta = (1 / 2) n ti - ta

Donde n son los múltiplos de los tiempos de semienfriamiento 1,2,3... etc. Observemos en la figura 15 la ilustración de este concepto: Figura 30. Múltiplos de enfriamiento requeridos para disipar varias fracciones de calor de campo inicial desde el producto

Abordaremos a continuación el desarrollo teórico de algunas Técnicas de enfriamiento, basadas en condiciones de regulación de variables y utilización de

diversos métodos y equipos. La pre-refrigeración puede llevarse a cabo antes o después del acondicionamiento del producto en el envase, utilizando como agentes de enfriamiento el aire o el agua o una combinación de ambos, según las diferentes técnicas enunciadas en la Tabla 17. Si bien son diversos los sistemas utilizables, tanto en los centros de acopio de frutas como los medios de transporte de las mismas, los más usados se reducen a tres, basados fundamentalmente en el sistema de eliminación de calor del producto. Como se anotó, se utilizan el aire o el agua, como fluidos intermedios entre la fuente de frío (evaporador, serpentín, hielo) y el producto por enfriar, o, bien, vacío como medio para evaporar el agua a baja temperatura y por tanto extraer el calor del producto. En general la curva de enfriamiento es del tipo exponencial y tiende siempre a ser asintótica cuanto más se aproxima la temperatura del producto a la del medio de enfriamiento por lo que los tiempos reales de enfriamiento no son de utilidad práctica por resultar extremadamente largos. Por esta razón se introduce el concepto de tiempo de semienfriamiento (Z) ya definido, para que en el interior del producto se logre una temperatura intermedia entre la inicial del mismo y la del agente refrigerante. El tiempo medio de enfriamiento está ligado a diferentes parámetros, anotados anteriormente. En la figura 42 se da un ejemplo de los tiempos de enfriamiento en función de la capacidad de intercambio térmico que se efectúa de acuerdo con la técnica utilizada.

TABLA 17. Las técnicas de enfriamiento de productos vegetales

Estudiaremos a continuación el sistema más utilizado denominado enfriamiento por aire frío. Este requiere de tiempos muy largos para llevar la temperatura del producto desde el momento de la recolección hasta la temperatura óptima durante el embalaje; este largo tiempo es el resultado del intercambio de calor que se realiza principalmente por convección entre la superficie del envase y el aire circulante y, en mínima parte, por conducción en el interior del acondicionamiento. Por esta razón, en algunos métodos de enfriamiento por aire, se provee a los embalajes de suficientes aperturas para facilitar el paso del aire. Con este sistema, se logran pérdidas que varían entre el 0,5 y 1,0%. En la tabla 18, se representa la relación de influencia entre el tipo de envase, la forma de efectuar la estiba y la velocidad del aire sobre el tiempo de enfriamiento. A continuación se exponen las principales características de las más conocidas técnicas de pre-refrigeración por aire: Pre-refrigeración por aire en cámara, para su ejecución pueden utilizarse cámaras convencionales de conservación adaptadas para la prerefrigeración en una primera etapa o realizarse en cámaras especialmente diseñadas para este propósito; estudiaremos los dos equipos y sus características de manejo más comunes: Cámara convencional: inicialmente es necesario dimensionar la cámara de acuerdo con su potencia frigorífica y su capacidad de refrigeración fraccionable de tal forma que permita el paso sin problemas al régimen de conservación tradicional. Se debe conseguir en 20 y máximo 24 horas disminuir la temperatura desde su valor ambiente hasta los 0ºC, en por lo menos el 50% de los productos almacenados en la cámara. La velocidad del aire debe ser inferior a 1,0 m/seg. y el coeficiente de recirculación comprendido entre 30 y 50.

Tabla 18. Relación entre el sistema de acondicionamiento en el envase y embalaje y el tiempo de semienfriamlento

Cuando los tiempos de enfriamiento se tornen muy largos es importante tener en cuenta los siguientes parámetros: • A la entrada del calor, debido al ingreso continuo de productos calientes y el aire exterior, debe proveerse la instalación de una antecámara refrigerada. • A la estiba irracional ocasionada por motivos comerciales, el operador de la carretilla que ingrese en diferentes ocasiones, deberá respetar los espacios vacíos por los que tiende a circular el aire sin atravesar en ellos parte de la carga. • Se debe impedir igualmente la entrada al mismo tiempo de productos contenidos en diversos envases ya que estos impiden una homogénea distribución del aire. Cámaras de diseño exclusivo para la pre-refrigeración: éstas son generalmente de pequeña capacidad, la cual fluctúa entre las 15 y 20 toneladas por operación, en ellas se busca descender la temperatura de 30º a 5ºC en un tiempo aproximado de 16 horas. Las características específicas de este tipo de cámaras, pueden sintetizarse así: • Circulación muy activa de aire y coeficiente de circulación cercano a 100. • Alta potencia frigorífica instalada entre 150 y 200 kcal./h por cada metro cúbico de cámara. • Altura reducida puesto que permite manipular los lotes mecánicamente con la mayor rapidez. Dicha altura varía generalmente entre 1,7 y 3,5 m. • Ventilación horizontal así la potencia de los motores de los ventiladores representa el 40% de la potencia instalada. IMPORTANTE Cuando se utilizan envases de cartón corrugado, deben tener al menos un 5% de orificio respecto a su superficie total, pues así se reduce el tiempo de enfriamiento en un 25%.

Aunque velocidades de enfriamiento de 20C/h pueden ser necesarios para productos muy perecederos o con temperatura inicial muy elevada como es el caso de Colombia, en sus regiones cálidas, la experiencia ha demostrado que un enfriamiento de 0,5 0C/h en el centro del producto resulta satisfactorio. La humedad relativa debe mantenerse entre 87 y 96 % para evitar la excesiva deshidratación del producto y la densidad de estiba no debe superar los 150 kg./m3. Una segunda técnica poco utilizada es la pre-refrigeración en túnel: en esta el principio de funcionamiento es idéntico al de las cámaras de prerefrigeración, pero las características son en este caso, más acentuadas. Son de sección rectangular. La circulación del aire es más activa, con un coeficiente de recirculación que puede llegar a valores de 200 y una velocidad del aire próxima a 5 m/seg.; la potencia de los motores de los ventiladores de los frigorígenos puede representar del 50% al 100% de la potencia instalada. Como se anotó, la utilización de esta técnica de pre-enfriamiento, no está muy extendida debido a su elevado costo en la instalación y consumo de energía, el cual llega a ser hasta tres veces el de una cámara convencional, esto sin contar con los costos adicionales de manipulación. Para este equipo, la densidad de carga es muy alta con espacios muy pequeños entre los embalajes. Los túneles utilizados pueden ser continuos o discontinuos. En los primeros, o sea los continuos, los productos pasan sobre una cinta transportadora perforada con varios tramos de aire a temperatura cada vez más reducida logrando así uniformizarse el salto térmico aire-producto, equilibrando la carga térmica y obteniendo un rendimiento satisfactorio de la instalación frigorífica. Los segundos, o sea los discontinuos y de mayor uso, están integrados por tres celdas en las que se introducen las unidades de carga de forma perpendicular a la corriente de aire que atraviesa los evaporadores, ello permite un enfriamiento previo del aire procedente de la carga anterior. En la Figura 30 se ilustra un túnel discontinuo de tres celdas.

Figura 31. Túnel discontinuo de tres celdas*

En la tabla 18a se presentan algunos tiempos de enfriamiento y pérdidas de peso para un equipo de túnel en frutas y hortalizas. La tercera técnica más conocida se denomina pre-refrigeración por aire forzado: ésta es la más utilizada en el pre-enfriamiento de productos preenvasados de todo tipo. Para ésta en el túnel de pre-enfriamiento se causan fuertes turbulencias de aire que originen permanentes disipaciones de energía. En 1956 en experimentos realizados en la Universidad de Davis, California, se encontró un método más sencillo y económico que el del túnel, utilizando aire forzado, en presión de una parte, y, en depresión de otra; este sistema ha sido muy utilizado en el enfriamiento de cítricos, uvas, fresas, tomates, melocotones y pepinos, entre otros. Con este equipo, el enfriamiento se efectúa haciendo pasar a través del producto estibado en caja o embalajes con aperturas en el fondo y sobre la tapa, una corriente de aire previamente enfriado con hielo o por refrigeración mecánica. Así se busca favorecer el intercambio de calor entre el aire y el producto mediante la reducción de la turbulencia y de los espacios existentes entre los embalajes. *

Tomado de L. Lamúa et. Al (1986)

Tabla 18 a. Pérdidas de enfriamiento y pérdidas de peso en el túnel de aire.

Dos versiones existen de este equipo: en la versión de pre-refrigeración por aire forzado en sobrepresión el aire a baja velocidad a menos de 1,0 m/seg. ya una presión estática de hasta 50 mm de Hg; en condiciones normales se le fuerza, mediante ventiladores a dirigirse al producto lo cual permite solucionar diversos problemas del enfriamiento de frutas y hortalizas al suministrar aire frío a través de los envases y no a su alrededor; ello da lugar a un rápido enfriamiento ya que entre una y dos horas entran en contacto directo el aire frío y el fruto caliente. Con los túneles continuos de aire forzado se estableció el concepto de aire forzado polietápico aplicado muy frecuentemente a los cítricos para su comercialización. Una segunda versión de estos equipos se basa en la depresión, ésta surge en función de las necesidades específicas de algunas industrias y se pueden concebir en diversos diseños, su principio es el de convertir espacios existentes de cámaras frigoríficas en enfriadores de aire forzado mediante depresión. Estos equipos son sencillos de construir y de bajo costo, entre ellos podemos citar: • Túnel de aire forzado en depresión. • Pared fría. • Enfriamiento en serpentín. Analicemos rápidamente cada uno de ellos: El túnel de aire forzado en depresión es el más tradicional de los sistemas de aire forzado. En esencia se construye el túnel utilizando dos hileras del pilar de cajas dentro de la propia cámara de conservación a fin de que actúen cada una como pared lateral de los dos lados de un aspirador. El espacio central se cubre con una lona o lámina de polietileno, tanto en la parte superior como en la parte posterior, ello a fin de dejar un conducto interior para el aire aspirado por el ventilador. De esta manera se forma una presión negativa de aire el cual circula a través de las aberturas existentes entre los envases hacia la zona de presión negativa. El extractor utilizado puede ser una unidad portátil ubicada de tal forma

que conduzca el aire caliente extraído hacia el retorno de aire de la cámara. En las Para estos equipos la velocidad de enfriamiento medio del producto está en relación directa con la cantidad de aire en movimiento. Mencionaremos tres ventajas del túnel de aire forzado en depresión: • El costo es muy reducido, pues se aprovecha como fuente de frío el mismo aire frío existente en la cámara y sólo se requiere de un ventilador. • Utiliza un mínimo espacio en el interior de la cámara. • Al concluir la pre-refrigeración se mantienen los productos en la cámara de conservación. Figura 32 Unidad portátil de enfriamiento en cámara frigorífica por aire forzado en depresión

Figura 33.. Unidad permanente de túnel de aire forzado en depresión, en el interior de una cámara frigorífica*

El sistema de pared fría es de construcción permanente. Se debe diseñar hacia un extremo de la cámara o contra una pared de ésta; el extractor utilizado debe ubicarse igualmente. En la pared de la cámara deben ejecutarse escotaduras contra las que se deben cargar las cajas o envases. Cuando se ha conseguido el enfriamiento para evitar la desecación del producto deben retirarse los envases ubicados sobre la pared. El sistema de serpentín nos permite apreciar el patrón de flujo de aire. Es apropiado para enfriar frutos en cajas de campo mediante ventiladores que fuerzan al aire a pasar verticalmente a través de las cajas que contienen los frutos. *

Tomado de Tonini (1985)

De esta forma se constituye una forma de circulación de aire en serpentín. Para finalizar este aparte nos detendremos un poco en estudiar el preenfriamiento por chorros de aire frío. Este procedimiento consiste en proyectar verticalmente chorros de aire frío a una alta velocidad de aproximadamente 15 m/seg. sobre los envases que contienen los frutos siempre y cuando se dejen las tapas abiertas. Introducido en 1955 por los Estados Unidos este procedimiento no se ha extendido a causa del elevado consumo de energía utilizada para lograr las elevadas velocidades de enfriamiento que se necesitan. La Figura 33 nos muestra este sistema y el enfriamiento de flujo horizontal que se logra al forzar el aire mediante chorros de aire frío. Figura 34. Sistema de enfriamiento por flujo horizontal de aire, mediante chorros de aire frío (“Blas Cooling”), con los envases abiertos lateralmente

Otro sistema también conocido es el de enfriamiento por agua el cual utiliza un gran tanque de agua fría con bomba para su circulación lo que permite la activación de un sistema de aspersión a través de una cinta transportadora sobre la cual se trasladan los productos que sufren un baño de agua fría a 0ºC. El “hydrocooling”como tradicionalmente se le conoce parece ser la técnica de mayor utilidad en el enfriamiento de frutos como el melocotón, la pera y la

ciruela y de hortalizas como la lechuga, el apio, los espárragos, las coles, la alcachofa y el coliflor entre otros. El contacto del producto con el agua fría se puede lograr por inmersión, por inundación o por aspersión y su circulación se logra, como se anotó a través de una cinta transportadora que lo puede llevar ya sea a granel o en envases desprovistos de tapa. En las Figuras 35, y 36 se pueden observar las diversas formas de operación de este sistema.

Figura 35. Instalación de “Hidrocooling” con prerrefigerador continuo*

1-Válvula de expansión termostática con igualación de presión externa 2- Válvula solenoide 3- Filtro deshidratador 4- Visor de liquido 5- Grupo motocompresor con unidad condensadora por aire 6- Presóstato combinado de alta y baja presión 7- Termostato 8- Válvula de flotación; Alimentación de enfriamiento de agua, con serpentín enfriador sumergido 10- Bomba de recirculación de agua 11- Prerrefrigerador Continuo por rociado de agua

Figura 36. Esquema de tipo inundado de ‘Hidrocooler” (Flood-Cooler)

IMPORTANTE El agua se filtra, se recircula al tanque de enfriamiento y normalmente se le adiciona un fungicida o bactericida el cual debe estar autorizado por la legislación del país importador, en el caso de tratarse de productos para la exportación.

Vale la pena anotar que el agua como medio de transmisión de calor posee mejores características termo físicas que el aire en cuanto al coeficiente de conductibilidad térmica, al calor específico y a la viscosidad las cuales como usted lo sabe influyen de forma importante en la determinación del coeficiente global de transmisión de calor. Como se puede ver en la Figura 37, el tiempo de semienfriamiento se reduce en 1/24 con respecto a la cámara de refrigeración y en 1/4 con respecto al túnel de enfriamiento de aire forzado. El caudal de agua (L/min.) influye enormemente en el tiempo de sobreenfriamiento. Otra ventaja atribuida al sistema es la de poder integrar el ‘hydrocooling” en una línea continua de manipulación, desde la zona de recepción a la sala de acondicionamiento, con alimentación continua de producto ya enfriado

y lavado, permitiendo iniciar la comercialización a las dos horas de recolectado, en los casos en que no se persigue una conservación posterior. Como inconveniente se presenta el de excesiva absorción de agua favoreciendo las podredumbres durante la conservación, si no se procede de forma inmediata a estibarla en cámaras. Además se ha apreciado lixiviación excesiva con pérdida de los constituyentes solubles en agua, como azúcares o de sabor característico en alcachofa o espárragos, tras la cocción. El envase, si no se enfría a granel, debe ser resistente al agua. Figura 37 *Tiempo de semienfriamineto de melón en función del caudal de agua

En la Tabla 19 se dan diferentes ejemplos de aplicación del “hydrocooling”. Un tercer sistema importante de señalar es el conocido como enfriamiento bajo vacio (“vacuum cooling’), esta técnica consiste en colocar el producto en un recinto estanco y someterlo a una presión reducida, suficientemente baja, mediante una bomba de vacío, para que el agua hierva y se evapore a baja *

Tomado de Tonini (1985)

temperatura. A una presión de 4,6 mm de Hg., el agua hierve a 00C. El calor que se necesita para que el agua del producto por enfriar se evapore se extrae del propio producto por lo que éste se enfría; el calor necesario para evaporar un 1% de agua permite que la temperatura del producto descienda 50C aproximadamente; de esta forma con una pérdida de peso del 4% puede reducirse la temperatura en 200C. Este sistema es costoso y su amortización en un plazo razonable exige tratar grandes cantidades de productos anualmente, de 10 a 30 ton./h durante 500 a 1.500 h/año, lo que unido a su aplicación está limitada a pocos productos, especialmente hortalizas foliáceas con elevado contenido de agua y gran superficie por unidad de masa tales como la lechuga, apio, espinaca, etc. Es rentable allí donde se trabaja específicamente con dichas hortalizas durante todo el año.

Tabla 19 Datos térmicos de la aplicación del “hydrocooling” a los productos hortofrutícolas

Figura 38. Comportamiento de hortalizas en el “Vacuum -Cooling’, siendo las mismas condiciones del tratamiento frigorífico*

Cuando la presión en el interior del recinto es suficientemente baja para que el agua hierva a la temperatura a la que se encuentra el producto, se produce una evaporación rápida y un enfriamiento: es el punto relámpago o “flash point”. Como una definición de “flash point” tenemos: punto en que la presión del aire en el recinto cae por debajo de la tensión de vapor de agua a la temperatura inicial del producto, por ejemplo hojas de lechuga.

*

Tomada USDA (1963)

Figura 39 Ejemplo práctico de enfriamiento bajo vacío*

En las Figura 40 se ve la influencia de la velocidad de evacuación al “flash point” sobre la temperatura de la lechuga. Durante esta fase, la temperatura del producto disminuye al no haber cambio de estado. Posteriormente se hace descender la presión de vapor a un valor máximo de 4,6 mm de Hg que corresponde a una temperatura de equilibrio de 00C. Si se utilizan presiones inferiores existe peligro de congelación parcial del producto, en función del punto de congelación de éste.

*

Tomado de Anónimo (1985)

Figura 40 . EJ. Efecto de la velocidad de evacuación para alcanzar el “FIashpoint”, sobre la temperatura del producto (Lechuga)**

Cuando ocurre una drástica subida en la temperatura de bulbo húmedo y este “flash” ocasiona una rápida cesión de humedad desde la lechuga, la presión de vapor del aire en el recinto cae por debajo de la humedad de las hojas. Este cambio extrae calor de la lechuga y aumenta la humedad relativa del aire, subiendo así por tanto la temperatura del bulbo húmedo. Continuando la operación de la bomba y del condensador, se extrae suficiente vapor del aire para promover mayor evaporación de humedad desde la lechuga y mayor enfriamiento. La lechuga se enfría después del “flash point”. RECUERDE La duración de la pre-refrigeración depende de la bomba de vacío y de la rapidez a la que el agua es cedida por los productos, siendo generalmente de 30 minutos y variable entre 5 y 50 minutos. Se permite embalar antes de la prerefrigeración a condición de que los envases faciliten la salida del vapor de agua de los productos.

El vacío se obtiene por eyectores de vapor de alta presión, con condensadores barométricos o por medio de bombas rotativas. El consumo de energía es importante, pues se precisa producir grandes cantidades de vapor por condensar rápidamente. La potencia de las bombas de vacío y de los condensadores es alta. La gran ventaja de este procedimiento reside en la rapidez, además de que el costo de la mano de obra de acondicionamiento es reducido. La humidificación previa compensa más o menos el agua evaporada y puede reducir las pérdidas de masa. En la Figura 41 se representa la pérdida de peso en relación con el descenso de temperatura y en la tabla 20 aparecen los datos térmicos de su aplicación a diferentes hortalizas. Figura 41.Pérdida de peso en relación con el descenso de temperatura, en el enfriamiento bajo vacío ( lechuga*)

** *

Tomado de USDA (1961) Tomado de USDA (1961)

Otro sistema importante de señalar es el pre-enfriamiento por hielo hídrico (“bodyicing” o “contac-icing” y “top-icing”), el cual consiste en mezclar hielo troceado, directamente con el producto (“body-icing”). Con un recubrimiento de cobertura (“top-icing”), que se realiza mediante una manguera, una vez que las cajas han sido cargadas en el vehículo. El enfriamiento de los productos es rápido; la humedad mantiene la turgencia, sin embargo, presenta el grave inconveniente de la evacuación del agua procedente de la fusión del hielo.

Tabla 20 Datos térmicos de la aplicación del “Vacuum cooling” a hortalizas

Tomado de J. Luis de la Plaza 1987

En las Figuras 42 y 43 se pueden apreciar las aplicaciones del sistema de “bodyicing”. En nuestro medio, en muy contadas ocasiones, se utiliza en el transporte de aguacates el “top-icing’ ; por tanto este sistema se realiza, integrado al medio de transporte. Para finalizar mencionaremos el sistema de pre-enfriamiento por agua pulverizada

y aire frío (“hydrair cooling”), este procedimiento viene a ser una combinación de los anteriores (pre-refrigeración por aire y agua fría). El aire frío que lleva en suspensión gotas muy finas de agua se insufla, sobre el producto que se está humidificando, en forma continua, por aspersión de agua fría. Figura 42. Perspectiva de un “Box-Icer”, para aplicación sistema Body-Icing de enfriamiento del producto en cajas sin paletizar

Figura 43. Perspectiva de un “Pallet-icer”. Aplicación sistema “Body-Icing” en carga paletizada

Para finalizar mencionaremos el sistema de pre-enfriamiento por agua pulverizada y aire frío (“hydrair cooling”), este procedimiento viene a ser una combinación de los anteriores (pre-refrigeración por aire y agua fría). El aire frío que lleva en suspensión gotas muy finas de agua se insufla, sobre el producto que se está humidificando, en forma continua, por aspersión de agua fría. En la Figura 44 se observa este sistema en el cual se introduce aire frío y húmedo en la cámara, que se refrigera y humedece por contacto intensivo en el agua.

Figura 44. Sistema de enfriamiento por agua enfriada pulverizada y aire frío (“Hydrair Cooling)

Desde luego este es un sistema húmedo. El ambiente dentro de la cámara tiene una humedad relativa muy alta, la cual no es extraída del producto sino generada por el sistema mismo. Debe asegurarse mantener una temperatura constante que no baje por ningún motivo de +10C. Temperaturas más altas son posibles, pero no aconsejables, además nunca deben ser menores. Tampoco hay pérdidas de humedad y no se llega a la condensación. En este sistema se reduce el enfriamiento que normalmente se obtiene entre 9 y 10 horas a 2 ó 3 horas evitando la consecuente deshidratación.

En la Figura 45 se puede observar un dispositivo muy efectivo que mantiene altos niveles de humedad relativa en el aire, es el tipo torre de enfriamiento de aire, descrito por M. Lamúa et al. El aire se enfría al atravesar el relleno de la torre, se refrigera mediante un evaporador sumergido en el tanque de alimentación de agua. La temperatura y humedad del aire tratado dependen de la temperatura del agua y de la relación entre los caudales másicos del agua y el aire para un tipo de torre determinada (sección de paso, clase y altura del relleno, etc.). La diferencia de la temperatura del bulbo seco del aire a la salida de la torre y el agua a la entrada, puede ser próxima a 0,30C. La temperatura de rocío del aire a la salida es igual a la temperatura del agua a la entrada. Con un buen diseño se consigue regular fácilmente la temperatura del aire controlando la temperatura del agua. Las ventajas fundamentales de este sistema de enfriamiento del aire en contraposición a un evaporador convencional son: niveles de humedad del orden de 98 por 100, se evita la congelación superficial del producto (pues la temperatura del aire no puede descender por debajo del punto de congelación), no son necesarios descarches prolongados y las pérdidas de presión de aire por fricción al atravesar la torre son menores. Todos los sistemas descritos se realizan antes de la carga de un vehículo de transporte o de la carga de una cámara de conservación. A continuación se presentan algunos criterios básicos, que pueden apoyarle a la hora de elegirla técnica de refrigeración más apropiada a sus propósitos, cuando se trate del manejo de frutas y hortalizas. Es de importancia crítica la elección del sistema óptimo para satisfacer tanto las necesidades del producto como de las estructuras comerciales de los mercados correspondientes. Para que dicha elección sea acertada, deben haberse respetado previamente los requisitos exigidos por los productos desde su recolección como son: •

Recolectar en la horas más frescas de la jornada.

•

Disponer de lugares protegidos contra el sol en la plantación donde se

recolecta la cosecha. •

Reducir al mínimo el tiempo de traslado a los lugares de acopio o procesamiento.

•

Utilizar cubiertas protectoras durante el transporte previo al enfriamiento.

Figura 45. Sistema de obtención de aire frío de elevada humedad, mediante una torre de enfriamiento de aire*

Con estas premisas y una vez aplicado el enfriamiento por el sistema más adecuado, se obtendrán las ventajas de la pre-refrigeración, que se pueden resumir así: • Latentización de los procesos metabólicos (degradación de la protopectina en pectinas solubles con ablandamiento de la pulpa, senescencia (sobremaduración) y degradación de la clorofila). • Reducción de la transpiración (pérdidas de peso). *

Tomado de Lamúa et. al. (1987)

• Reducción de la incidencia y desarrollo de alteraciones fúngicas (retraso en la aparición de podredumbres (Botrytis sp., Penicillíum sp, Molinia sp, Alternaria sp, Mucor piriformis, etc. y bloqueo total de los microorganismos termófilos (Rhizopus nigricans, Trichotkecium roseum, etc.). • Recolección de los productos en grado de madurez ligeramente más avanzado (mejor aroma, contenido de azúcares y vitaminas, color, etc. que afectan su calidad y mayor producción unitaria) teniendo presente que el incremento de peso de la mayor parte de los hortofrutícolas se requiere en la proximidad de la recolección en grado óptimo de madurez. • Descenso de la temperatura de los productos hasta valores próximos a los de transporte o de conservación. Es indispensable, además de necesario, para poder mantener la temperatura del recinto de transporte o de conservación que no están concebidos técnicamente para enfriamiento rápido: en los casos de mercancías destinadas a transporte hermético o isotermo, productos confeccionados con embalajes escasamente ventilados (cajas de cartón), productos protegidos por forros o recubrimientos plásticos que limitan la circulación del aire. En la Tabla 21 se indica la importancia del sistema elegido para un producto concreto, en relación con el tiempo de semienfriamiento. La adaptación de los diferentes productos a las distintas técnicas de enfriamiento se recogen en las tablas No. 22 y 23.

Tabla 21. Pre-refrigeración de productos vegetales1

* R = Coeficiente de recirculación de aire

1

(Tomado de Packing stations for fruits and vegetables. IIR. eds. París. 1973)

Tabla 22 Adaptación de los productos vegetales a la pre-refrigeración2

(*) + = favorable; ++ = recomendado; desfavorable

2

Tomado de P. Moras, (1986)

0 = sin efecto o poco interesante; – =

Tabla 23. Recomendaciones generales para la pre-refrigeración3

A manera de información se presentan a continuación algunas consideraciones sobre el particular para productos vegetales de cierta representatividad. *AP = altamente perecederos (10 -15 días), pre-refrigeración necesaria MP = muy perecederos (2-4 Semanas), pre-refrigeración aconsejable mP = medianamente perecederos (1-2 meses), pre-refrigeración opcional

3

Tomado de Alique et. al. (1983)

1.8 Las atmósferas controladas y modificadas Esta es una tecnología adicional a la del frío. Se utiliza siempre con temperatura de refrigeración porque ambas son complementarias para la conservación. Siempre se tiene un control de oxigeno y de anhídrido carbónico, que debe estudiarse para cada caso, ya que no todas las frutas y hortalizas son susceptibles de ser utilizadas en esta técnica. En condiciones normales y como promedio, el aire contiene 78.08% de nitrógeno, 20.96% de oxigeno, 0.92 % de argon y 0.04 % de anhídrido carbónico. Los términos de “atmósfera modificada y atmósfera controlada” se utilizan a veces indistintamente para denominar a la atmósfera en que los componentes del aire se cambian intencionalmente. La diferencia radica en que mientras que en la atmósfera modificada (AM) no se intenta ni se pretende controlar la proporción de los diferentes componentes, en la atmósfera controlada (AC) si se regulan las concentraciones de los distintos gases manteniéndolos dentro de valores prefijados o recomendados. La conservación de frutas y hortalizas en AC permite, en términos generales, respecto a la conservación en refrigeración en atmósfera normal, una extensión del periodo de almacenamiento y una mejor retención de los atributos de calidad de los productos. Veamos algunas razones: - Los procesos metabólicos, especialmente la respiración, y los fenómenos de maduración se reducen o retrasan por un incremento en la concentración de CO2 y/o un descenso en la concentración de O2 en la atmósfera de conservación. - La producción de etileno y otras sustancias volátiles, nocivas si su concentración en la atmósfera se eleva sensiblemente, se reduce. - La retención de clorofila, de la textura y de ciertos componentes del sabor, en particular la acidez, es mejor

- El aspecto general de los frutos, al fin del almacenamiento, es mejor debido al efecto residual de la elevada concentración de CO2 y la reducida concentración de oxigeno en los tejidos lo cual les permite madurar más lentamente, a la salida de la camara que los frutos conservados en atmósfera normal. - Si las condiciones de conservación en AC no son adecuadas para el producto pueden producirse efectos indeseables, ya que la distorsión del metabolismo puede provocar alteraciones fisiológicas, reducir la resistencia de los tejidos a los ataques por microorganismos y alterar el sabor.

Capitulo 2. Aplicación y efectos del de frio en productos de origen animal

Introducción En este capitulo nos detendremos a considerar las principales características de los productos de origen animal (carnes) sometidas a la acción de las bajas temperaturas para su conservación y transporte. Estudiaremos entre otros aspectos, la acción del frío sobre las reacciones químicas y bioquímicas de las carnes así como sobre la flora microbiana y los parásitos que ésta pueda contener. Más adelante expondremos las condiciones que conllevan pérdidas de masa durante la congelación, el almacenamiento y la descongelación de carnes de vacunos, porcinos y caprinos especialmente. Para finalizar se efectúa una breve descripción de las cualidades organolépticas y nutricionales de las carnes congeladas. Con la información suministrada, igualmente pretendemos, que usted tenga la posibilidad de extrapolar a situaciones cotidianas, los conceptos y planteamientos desarrollados. Vale la pena anotar, además, que el repaso de algunos elementos conceptuales, por usted ya seguramente estudiados en otras asignaturas, no tiene otro propósito que el de integrar en una aplicación directa a las prácticas con uso de bajas temperaturas, los conceptos básicos antes aprendidos. Los ejercicios de aplicación y transferencia que aparecen en éste como en los anteriores apartes de este material deben ser discutidos con su tutor y enriquecidos con sus aportes en cuanto a variación de cantidades y condiciones de proceso diversos. Continuemos entonces:

Las carnes congeladas en buenas condiciones pueden ser conservadas varios meses en cuartos fríos cuya temperatura no debe ser superiora -100C, aunque temperaturas de - 180C o inferiores son siempre preferibles. Recuerde que después de los 6 y hasta los 24 meses en función de la naturaleza del producto, se estima que hay una disminución de sus cualidades organolépticas. Además, el almacenaje en congelación resulta costoso; por eso se necesita organizar una buena rotación de las existencias. Veamos en qué consiste la acción de frío sobre las reacciones químicas y bioquímicas. 2.1 Acción del frio sobre las reacciones quimicas y bioquimicas. Cinética El descenso de la temperatura del músculo tiene por consecuencia un retraso en las reacciones bioquímicas. Por el contrario, el modo de acción del cambio de estado agua-hielo no es tan evidente. Es así que el efecto concentrador de la cristalización, aumentando en particular la concentración de los reactantes, puede acelerar en ciertas reacciones, pero este efecto actúa igualmente sobre los inhibidores, de allí que un retraso en otras reacciones del medio, debido a la cristalización del agua, hace difícil el contacto entre los reactantes, lo anterior hace más lentas las reacciones correspondientes. Para las temperaturas normales de almacenamiento de productos congelados (-18ºC) las reacciones químicas son más lentas, por ello no es raro entonces encontrar una actividad enzimática. Así mismo las fosfatasas y las lipasas siguen activas a temperaturas entre –10ºC y –20ºC. La ruptura de las membranas de ciertos organelos celulares ricos en enzimas: lisosomas y mitocondrias, permiten la liberación de éstas en el citoplasma, así llegan rápidamente al contacto con sus sustratos respectivos generándose una actividad enzimática en la célula, especialmente durante el almacenamiento y sobre todo después de la descongelación del producto.

2.1.1 Degradación de las proteínas Las proteínas musculares sufren durante el almacenaje en congelación, modificaciones ligadas de una parte, a condiciones físicas (temperatura baja, cristalización del agua) y, por otra parte, a consecuencias directas del tratamiento como la variación del pH y la concentración de sales entre otras. Las proteínas del tejido conjuntivo parecen poco alteradas; sin embargo, a nivel del colágeno se nota un aumento progresivo, durante la conservación a -200C, de la cantidad de ligazones termorresistentes a pH ácido (Valín y Al 1974), lo que provoca un incremento de la insolubilidad. Esta evolución del colágeno parece ir paralela con la disminución progresiva de la blandura de la carne que acompaña largos periodos de conservación al estado congelado. Recuerde que la solubilidad de las proteínas sarcoplásmicas, que es función de su grado de polimerización, varía muy poco sí el pH no disminuye su valor. Por lo tanto, durante el almacenaje prolongado se nota una disminución de su solubilidad así como de su actividad enzimática. Así la catepsina D, que no parece manifestar actividad alguna durante el almacenaje en congelación, sufre una desnaturalización que disminuye su actividad total, aproximadamente en un 35%. Por el contrario, la β-glucoromidasa que es realmente una enzima lisosomal, pero muy estrechamente ligada al lysozima, no sufre aparentemente desnaturalización alguna, inclusive después de 20 meses de iniciada la conservación. Las proteínas miofibrilares (actina, miosina, tropomiosina) sufren alteraciones importantes, lo que provoca una desorganización de la estructura del músculo, trayendo como consecuencia, una disminución de la capacidad de retención del agua. Las reacciones responsables de estas alteraciones no están aún bien definidas: desnaturalización, formación de nuevas relaciones entre moléculas de actina y miosina o reacciones de disociación del complejo actomiosina.

La velocidad de congelación interviene sobre la degradación de las proteínas en la medida que ésta determina la talla de los cristales, su repartición y la localización de las zonas donde hay concentración de sales. Es así como ciertos autores piensan que la velocidad de congelación rápida provocaría seguramente la formación de cristales entre los miofilamentos y sería razonable pensar que las cadenas proteínicas sean directamente desenrolladas por el hielo. Por el contrario, los cristales gruesos formados a velocidades de congelación más débiles, que se desarrollan entre las fibras musculares sin dañar los filamentos, no tendrían efecto desnaturalizante. Sin embargo, sobre el tema en particular los investigadores presentan algunas discrepancias y por lo tanto los problemas referentes a velocidad quedan por estudiar. Por otra parte, las fluctuaciones de la temperatura durante el almacenaje son muy favorables a la desnaturalización de proteínas. Se observa una máxima desnaturalización para temperaturas comprendidas entre -100C y - 50C. Ciertas sustancias químicas tienen propiedades crioprotectoras; es el caso de los ácidos aminados (aspártico, cistina, alanina, glutamina) y de compuestos glucídicos (manitol, sacarosa, glucosa, fructosa...). Utilizados experimentalmente, por separado o, simultáneamente, estos compuestos permiten limitar las reacciones de desnaturalización de las proteínas musculares y en particular de las proteínas de los complejos lipoproteínicos del sarcolema (congelación de células revivifiables: espermatozoides...). 2.1.2 Degradación de los lípidos Se analizará el fenómeno de la oxidación y de la hidrólisis, veamos: - La oxidación: de las grasas constituye un factor limitante para la conservación de todos los alimentos y particularmente de las carnes en estado congelado,

especialmente en la carne de cerdo ya que: • La formación de compuestos carbonilos a partir de ácidos grasos hace aparecer sabores desagradables (rancidez):

• Las grasas son más sensibles a la oxidación cuando contienen más ácidos grasos insaturados. Para reducir estos fenómenos se deben tomar la siguientes precauciones: - Durante la matanza, vigilar que el animal sangre lo más posible pues la hemoglobina es uno de los mejores catalizadores de oxidación. - Una refrigeración de duración prolongada antes de la congelación favorece las reacciones de oxidación, en la práctica no se debe exceder de las 72 horas. - Todo incremento de temperatura durante el almacenaje favorece la oxidación de grasas. En resumen, la oxidación puede inhibirse limitando la cantidad de oxígeno que llega al contacto de la carne (embalaje al vacío, glaseado). - Hidrólisis: como se analizó anteriormente, las lipasas responsables de la

liberación de ácidos grasos quedan activas a temperaturas de congelación, de tal forma que la cantidad de ácidos grasos liberados depende de la temperatura de almacenaje: cuanto más baja sea la temperatura, la actividad de estas enzimas es más reducida. A temperaturas inferiores a –25ºC parece que la hidrólisis de los lípidos se inhibe por desnaturalización de las enzimas (lecitinasas, fosfolipasas)

2.1.3

Degradación de nucleótidos

La degradación del A.T.P. a I.M.P., hipoxantina y ribosa es función de la temperatura y del almacenaje en congelación. A –20ºC la concentración de A.T.P. disminuye lentamente cuando el almacenaje se prolonga, pero a temperaturas inferiores de -300C, la concentración de A.T.P. queda prácticamente constante; desafortunadamente, la carne no se almacena a temperaturas tan bajas, generalmente se encuentra entre –10ºC y –18ºC. Si la presencia de Inosina-5-monofosfato exalta el aroma de la carne cocida, una degradación más acelerada de A.T.P. con la liberación de hipoxantina, otorga a esta carne un gusto amargo muy desagradable: es así como se hace necesario mantener una temperatura bastante baja para evitar la aparición de este compuesto. Además, en el caso de las carnes congeladas en pre-rigor, se temen ¡os accidentes que surgirán a la descongelación (“Taw rigor”), de tal forma que las condiciones de almacenaje son muy importantes (duración-temperatura) por la intensidad de la hidrólisis del A.T.P. residual. Así, un almacenaje muy prolongado lleva una disminución que puede provocar la desaparición del A.T.P., lo que significaría una reducción o ausencia de las contracciones a la descongelación y accidentes asociados como la exhudación y durezas disminuidas. Si la congelación disminuye, la mayoría de las reacciones químicas y enzimáticas

no son suprimidas totalmente, así este modo de conservación está limitado con el tiempo. La autooxidación de grasas, la hidrólisis de lípidos y nucleótidos prosigue durante el almacenamiento. Además, la degradación de proteínas en contacto directo con el procedimiento de conservación (cambio de estado agua-hielo) puede disminuir la calidad de los alimentos congelados. Por el contrario, el hecho de que el tratamiento no detenga completamente las reacciones bioquímicas dentro del músculo, permite la maduración de las carnes durante el almacenaje. Si éste es realizado en buenas condiciones (duración, temperatura, humedad relativa) se deben obtener productos cuyas calidades organolépticas sean aceptables. Ahora veremos la acción del frío sobre la flora microbiana y sobre los parásitos de la carne. 2.2

Microbiología de la carne congelada

Como estructuras celulares, los microorganismos sufren alteraciones que son parecidas en cierta medida, a las de las células musculares. Es muy importante determinar la influencia de estas lesiones sobre las posibilidades de sobrevivir y de la multiplicación de microorganismos que han sufrido la congelación dentro de la carne. Origen de las lesiones musculares - Choque térmico: el simple descenso de las temperaturas alrededor de 0ºC basta para destruir ciertas bacterias (E. aerogenes, E. Coli) se habla entonces de choque térmico. Este fenómeno no es específico de la congelación, pero se observa a todos los niveles y está ligado a la rapidez de descenso de la temperatura (el paso rápido de

-300C a -200C es igualmente letal). El mecanismo que produce esta destrucción queda todavía en duda ¿Será acaso, se preguntan los especialistas, un bloqueo enzimático? Seguramente las investigaciones que hoy se adelantan sobre el particular responderán a este interrogante. - Alteraciones: por otra parte, el cambio de estado líquido-sólido altera las estructuras microbianas tanto por sus efectos mecánicos como fisicoquímicos. Una cristalización intracelular (congelación ultra-rápida) conduce a menudo a la destrucción de células por las lesiones de origen mecánico, generando aumento de volumen, ruptura de membranas celulares y alteraciones de organeros intracelulares. Señalemos, sin embargo, que la congelación ultra-rápida de microbios es excepcional, ya que protegidos por los alimentos, su congelación se hace más lenta. Por el contrario, una congelación extra-celular, observada en una congelación menos rápida, contrariamente a lo que se ha pensado por mucho tiempo, actúa por vía fisicoquímica con la deshidratación de las células y el aumento de concentración salina, acciones particularmente importantes durante un almacenaje prolongado. Conservados suficientemente por largo tiempo a temperaturas comprendidas entre - 200C y - 400C, los microorganismos ven su viabilidad reducida a un 10% y hasta un 1% sin ser jamás anulada. Una congelación lenta, aumentando el tiempo de exposición de las células a fuertes concentraciones, mientras que la temperatura es cercana al punto de congelación, tiene un efecto más nefasto que una congelación rápida, de donde se concluye que una buena congelación de géneros alimenticios debe respetar el tejido y sus microorganismos.

Naturaleza de las lesiones

Una de las manifestaciones (la más aparente de la acción de la congelación sobre los microorganismos) es la ruptura de las membranas celulares. Esta ruptura tiene dos orígenes: - Mecánico: es la perforación de las membranas por los cristales intracelulares. - Fisicoquímico: ligado a la desnaturalización de las proteínas membranarias (membrana hialoplásmica, de mitocondrias y otros organelos celulares). Estas lesiones llevan entre otras a un aumento de la permeabilidad de la membrana

celular

dejando

pasar

al

interior,

compuestos

intracelulares

característicos como los ácidos nucléicos. La pérdida de sus soluciones se traduce, para las células bacterianas, en una disminución de su viabilidad. Moss y Spech han demostrado que la inactivación de la E. coIi está asociada a la desaparición de ciertos péptidos. Otros estudios sobre las levaduras establecen que las pérdidas de solutos (potasio, fosfatos, glúcidos, nucleósidos y ácidos) son proporcionales a la disminución de la viabilidad. La congelación actúa igualmente sobre el metabolismo de los microorganismos. Es así como las actividades metabólicas de ciertas células microbianas se reducen después de un ciclo de congelación-descongelación. Algunos no son capaces de desarrollarse en medios selectivos ya que exigen medios muy nutritivos para multiplicarse. La mayoría de las bacterias Gram negativas, cuando están dañadas por una congelación, pierden su aptitud al utilizar nitrógeno inorgánico (nitrato-nitrito). Su crecimiento exige la presencia de péptidos; los ácidos mismos no son utilizables. Esto correspondería no a una mutación de microorganismos como había sido enunciado inicialmente, sino a la pérdida de la

actividad de ciertas enzimas responsables de síntesis. Sensibilidad de los microorganismos a la congelación La sensibilidad de los microorganismos varía con:

-

La naturaleza del microorganismo.

-

El estado fisiológico y las condiciones del cultivo.

-

La capacidad de adaptación del metabolismo.

-

La velocidad de congelación y descongelación.

-

La temperatura y la duración del almacenaje.

Las bacterias esporuladas y algunas formas vegetativas sobreviven a la congelación, cualquiera que sean las condiciones en las cuales es realizada, como el Micrococcus, Streptococcus y Statilococcus; otras especies tienen una sobrevida que depende de las condiciones de congelación, cualquiera que sean las modalidades del tratamiento, como: E. coIi,, E. aerogenes, Pseudomonas Pyocanea, Salmonellas, Serratia marcescens. Aparece pues que las bacterias Gram (-) son mucho más sensibles que las bacterias Gram (+), ya que la resistencia de estas últimas estaría en relación con la

naturaleza

de

la

membrana

hialoplásmica

que

contiene

complejos

mucoproteínicos y del ácido diaminopimélico, de tal manera que la congelación realiza una selección de especies mejor adaptadas para resistir al frío y a la deshidratación. Por otra parte, los microorganismos son más sensibles cuando están en una fase exponencial o de crecimiento que cuando están en una fase de latencia o estacionaria. La concentración celular, la temperatura y la composición del medio de cultivo tienen igualmente influencia, aunque no están determinadas todavía con

exactitud. La velocidad y la temperatura de congelación intervienen en la medida en que condicionan la distribución de los cristales de hielo así como el tiempo durante el cual las células están en contacto con las soluciones de fuerza iónica elevada, mientras que la temperatura es cercana al punto de congelación. El efecto de la velocidad de congelación está estrechamente ligado a la naturaleza del microorganismo. Así, una velocidad muy lenta es considerada como más desfavorable para las bacterias mientras se observa el fenómeno inverso en el caso de las levaduras. Se encuentran las mismas dificultades cuando se intenta determinar la velocidad de congelación óptima para la supervivencia de los microorganismos. La influencia de la temperatura de almacenamiento (Figura 45) es muy controvertida porque intervienen numerosos factores. En cuanto a la duración del almacenaje, la mayor parte de los autores está de acuerdo en decir que la destrucción de los microorganismos, independientemente de otras influencias posibles (temperatura, naturaleza del microorganismo, etc.), es más importante cuando el almacenaje es más largo. Resulta pues de lo anteriormente dicho, que, aunque se reduzca la población microbiana inicial, la congelación no es un tratamiento bactericida, como el recurso de la elevación de la temperatura (autoclavaje, apertización), que permite estabilizar esta población, por lo menos si ella no es importante; aquí se encuentra el principio fundamental según el cual solo hay que congelar alimentos de buena calidad bacteriológica (primer principio frigorífico). No hay que olvidar que ciertos microorganismos tienen la posibilidad de multiplicarse a temperaturas negativas. La temperatura de multiplicación es de: •

-10ºC para las bacterias

•

-12ºC para el moho

•

-18ºC para las levaduras

Además, tiene una importancia capital desde el punto de vista higiénico en la medida en que el exhudado abundante favorece el desarrollo de gérmenes que han resistido a la congelación y al almacenaje. Figura 45. Influencia de la congelación y del almacenamiento sobre una población microbiana

A, congelación, B + C. almacenamiento , B. Fase de destrucción, C. Fase estacionaria (después de un largo periodo de almacenamiento al estado de congelación, la población microbiana no sufre ni destrucción) Además, tiene una importancia capital desde el punto de vista higiénico en la medida en que el exhudado abundante favorece el desarrollo de gérmenes que han resistido a la congelación y al almacenaje. Se estima a primera vista que para las bacterias, la población es reducida:

• En una potencia de 10 por la congelación. • En una potencia de 10 durante el almacenamiento. Se debe tener especial cuidado para limitar la exhudación evitando conservar los alimentos descongelados largo tiempo y a una temperatura elevada.

Carnes parasitadas. Carnes con cisticercos La congelación permite sanear ciertas carnes infectadas matando los parásitos responsables de esta infección: los cisticercos de Taenia saginata y de Taenia solium que se pueden encontrar respectivamente en la res y el cerdo, mueren por congelación. Las condiciones de tratamiento han sido objeto de recomendaciones por el Comité Mixto FAO-OMS sobre la higiene de la carne (1962) y de los reglamentos de U.S.A. (1959), en Alemania (1960), en Francia (Circular Ministerial No. 171 del 16 de enero de 1964). Sobre la carne de vacuno: “Una carne discretamente infectada es aceptada si ha quedado durante por lo menos 10 días a una temperatura igual o inferior a -100C”. El reglamento británico sobre Taenia saginata prescribe una temperatura inferior o igual a –7ºC durante tres semanas o una temperatura igual o inferior a -10ºC durante dos semanas. En Alemania, H. Bertels y K. Tandler estudian desde hace varios años la acción del frío sobre los cisticercos y señalan su destrucción en las carnes mantenidas después de 24 horas a 0ºC, +2ºC, o sea –10ºC durante 144 horas ó –18ºC durante 72 horas – 35´ºC durante 48 horas. Carnes triquinadas También las larvas de triquina (Triquina spiralis) en el cerdo pueden ser destruidas por almacenamiento a baja temperatura. Los reglamentos franceses (1964) e italianos permiten importar cerdo de países donde existe riesgo de triquinosis, a condición de que las canales hayan sido sometidas a uno de los tratamientos contemplados en la tabla Tabla 25. En algunos países, la sola presencia de quistes de Trichinella spiralis es motivo para el rechazo de estas carnes (España)

Tabla 25¨. Tratamientos para permitir la importación de carne da cerdo de países. donde existe riesgo detriquinosis Francia e Italia

2.3 Perdidas de peso durante la congelación, almacenamiento y la descongelación. Las pérdidas de masa de productos congelados corresponden a: - Una pérdida de agua por evaporación, sublimación, exudación. - Una pérdida de sustancias disueltas en el exhudado. Estas pérdidas varían de acuerdo con el tratamiento aplicado, es decir, en función del método de refrigeración antes de la congelación en sí, de las condiciones de almacenamiento y descongelación. 2.3.1

Influencia del modo de congelación

En el caso de una congelación por aire frío, las pérdidas de peso varían con la temperatura y la velocidad del aire.

Tabla 26. Pérdidas de masa por evaporación durante la congelación (Según J. CLEMENSEN y P. ZAUTHEN)

(Carnes de cerdo no embaladas) Haciendo variar correctamente estos parámetros (temperatura y velocidad) durante la congelación, se pueden reducir considerablemente las pérdidas (congelación modulada). La congelación por doble contacto (armarios-plato, Birdseye) anula prácticamente las pérdidas por evaporación. La utilización del procedimiento por evaporación del nitrógeno líquido permite una congelación muy rápida y reduce las pérdidas de masa, tomemos como ejemplo los filetes de pescado: TRATAMIENTO

PERDIDAS %

- Congelación clásica

4–6

- nitrógeno líquido

0.5

De lo anterior se puede concluir que cuanto más elevada sea la temperatura y cuanto más lenta sea la velocidad de congelación, las pérdidas por evaporación serán más importantes. Cuantitativamente, se ha probado que en la zona de temperaturas entre –20ºC y –30ºC, un aumento de 2ºC provoca un aumento en las pérdidas de 0,1% en carnes almacenadas, mientras que a una temperatura cercana a –10ºC se obtiene el mismo aumento en las pérdidas con sólamente un aumento de 0,5ºC. 2.3.2 Influencia del almacenamiento Es durante el almacenamiento que tienen lugar las más importantes pérdidas de masa, este eslabón de la cadena de frío es generalmente el más largo. - Duración del almacenamiento.

Las medidas tomadas sobre las carnes

almacenadas, al estado congelado demuestran que las pérdidas de masa aumentan de manera continua cuando se prolonga el almacenaje, contrariamente a lo que podríamos pensar lógicamente. En efecto, el mecanismo de las pérdidas de agua es el de una sublimación a presión atmosférica. En teoría, la velocidad de difusión de vapor de agua a través de una capa liofilizada disminuye con el crecimiento de esta capa. En condiciones de temperatura, ventilación y humedad relativa del aire estables, la pérdida de agua debía disminuir y finalmente desaparecer en función del tiempo de almacenaje. De hecho, la pérdida, siendo pequeña, no se puede poner en evidencia una reducción notable de la velocidad de difusión en el caso de estructuras celulares. En contrapartida, en el caso de las sustancias homogéneas, por las cuales el coeficiente de evaporación es importante, se puede observar esta reducción. En las Tablas 27 y 28 muestran este fenómeno.

Tabla 27. Pérdidas de masa durante el embalaje (según GRAF)

TABLA 28.Pérdidas de masa (según Kallert Fleischmann)

Temperatura. Todos los autores son unánimes en reconocer que las pérdidas de masa son más importantes cuando la temperatura de la cámara de almacenaje es más elevada, como se observa en la Figura 46 para una muestra de hamburguesas almacenadas en cajas de cartón. Figura 46 Pérdidas de masa para diferentes temperaturas de almacenamiento*

Sin embargo hay que precisar si la disminución de las pérdidas de masa permite compensar un gasto suplementario que represente un mejor aislamiento o una consolidación de la potencia de instalación. Como en el caso de una conservación por refrigeración, la variación de la temperatura es muy desfavorable para las pérdidas de masa como lo indica la Tabla 29. Las variaciones de temperatura actuarán por medio de las satisfacciones histológicas que arrastran las fusiones y recristalizaciones sucesivas de una parte del agua de los tejidos y alteran cada vez más las estructuras celulares; de aquí una capacidad de retención de agua reducida y una pérdida de agua aumentada para el músculo.

Tabla 29. Pérdidas a la congelación (Según C.L. Cutting y R. Malton . M.R.I., abril 1974)

Humedad relativa y ventilación. Las pérdidas por sublimación del hielo pueden ser reducidas aumentando la humedad relativa de la cámara de almacenaje (90-95%): de otra parte, toda llegada de calor del exterior tiene por consecuencia inmediata una disminución de la humedad relativa de la cámara. El método mas evidente para limitar esta llegada de calor consiste en utilizar un buen aislamiento como lo podemos ver en la Tabla 30. Otras posibilidades son: recubrir las planchas de nieve pura; la sublimación de esta nieve se incrementa con el flujo de calor que llega del exterior. En ciertas instalaciones la creación de una capa de aire frío alrededor de la cámara de conservación ha permitido reducir las pérdidas de masa a la mitad. La aplicación del principio de aislamiento dinámico da igualmente buenos resultados. Una corriente de aire frío que pasa debido a un exceso de presión a través de las *

Tomada de G. Londhal y T. Nilsson

mallas de aislamiento absorbe una fuerte proporción del calor penetrante en la cámara. Es

igualmente

muy

importante cargar lo

más

posible

los

locales

de

almacenamiento. Tabla 30. Pérdidas durante el almacenamiento (Según C.L. Cutting y R. Malton . M.R.I., abril 1974)

Una reducción de la ventilación permite disminuir las pérdidas de masa durante el almacenamiento; este factor parece más importante que el nivel de temperatura. Las pérdidas de masa registradas a –20ºC con ventilación son más grandes que las observadas a una temperatura de –16ºC. Si paramos la ventilación a pesar de todo, la puesta en marcha de 100 ventiladores asegura una mejor repartición de las temperaturas (remueve el aire de la cámara fría). 2.7.5 Embalaje - condicionamiento - Diferentes embalajes. El embalaje es muy importante en lo que concierne a las pérdidas que sufre en el curso de la congelación propiamente dicha y el almacenaje. Los canales de cordero, los cuartos de res y cerdo son a menudo los más envueltos en los almacenajes o condicionados bajo una película de polietileno. Las carnes deshuesadas están frecuentemente puestas en cartones paralelepípedos para facilitar las manipulaciones (forma regular, apilamiento fácil). Todos los embalajes tienen la misma eficacia. La hoja de plástico estrechamente

aplicada al alimento revela ser un excelente agente de protección (películas retráctiles aconsejadas para las piezas de carne); asociada a un embalaje de cartón reduce en un 0,06 % después de 13 meses a –20ºC y a 0,1 % después de 15 meses a –20ºC. El hermetismo a la humedad del plástico explica su eficacia. Sin embargo, cuando esta película no se pega al pedazo de carne, hay a menudo formación de escarcha al interior del paquete o sea pérdida de masa y disminución de las cualidades organolépticas. Mecanismo de formación de escarcha - La temperatura ambiental de la cámara fría disminuye; la temperatura en la parte inferior del embalaje se vuelve inferior a la del producto. El hielo de las capas superficiales de los alimentos se sublima. El vapor de agua que resulta se condensa sobre el embalaje, como escarcha. - Cuando la temperatura ambiental de la cámara fría aumenta, el fenómeno inverso se produce: la temperatura del alimento se vuelve inferior a la de la parte interior del embalaje, la escarcha se sublima y el vapor producido se sublima sobre el alimento. Pero esta agua (hielo) queda preferencialmente en la superficie de la carne y no recupera su posición inicial en las estructuras celulares del producto. - Mientras que se repiten estas variaciones de temperatura, la masa de escarcha acumulada aumenta y puede representar una pérdida de masa relativamente importante. El empleo de un embalaje hermético no dispensa las precauciones generales necesarias para la disminución de las pérdidas de masa entre las cuales el mantenimiento constante de una temperatura de almacenaje baja es indispensable.

Influencia del modo de descongelación La utilización en fabricación de canales: desprese, conservas, platos preparados, exige una descongelación previa. Si el modo de congelación interviene sobre las pérdidas de agua por evaporación en el momento de la congelación, si las condiciones de almacenaje influencian la importancia de pérdidas por sublimación, estos factores influyen igualmente sobre las pérdidas, por exhudación en el momento de la descongelación. La relativa lentitud de la congelación, utilizada tradicionalmente para las carnes en canales, medios y piezas gruesas (duración de congelación pudiendo alcanzar hasta 80 horas para una canal de vacuno) es una de las razones de un exhudado importante a la descongelación. Los ensayos han demostrado que las canales de vacunos congelados por una corriente de aire frío exhudan menos a la descongelación si la congelación a fondo es obtenida en 18 a 24 horas en la práctica comercial actual. Además, hay un parámetro esencial que interviene sobre la importancia del exhudado: es el modo de descongelación y, sobretodo, la velocidad de la misma. La descongelación de canales se hace tradicionalmente, o bien en las cámaras frías a temperaturas próximas a + 40C, o en túneles de aire ventilado. La descongelación a temperatura ambiental está prohibida por sus riesgos de proliferación bacteriana (cf. Ley deI 26 de Junio de 1974 J. O. del 31 de Julio de 1974). Parece ser que una descongelación muy rápida en una corriente de aire saturado (14 a 15ºC, velocidad 2m/s, humedad relativa 95 a 98%) permite limitarlas pérdidas de masa, en ciertos casos hasta se podrá registrar un aumento de peso, esto en razón a la fuerte humedad del aire. - Procedimiento CEGP: Este modo de descongelación en túnel climatizado trae consigo problemas de tipo microbiológico ligados a la temperatura ya la humedad relativa elevada. Parece ser que la corta duración del procedimiento de descongelación permite limitar las proliferaciones microbianas a valores aceptables. Una descongelación en agua (estancada o corriente) mejorando los traspasos de

calor, reduce la duración de la descongelación y las pérdidas de masa. Se observa a menudo, un aumento del peso, pero este tratamiento cuando es aplicado a productos no embalados, tiene el inconveniente de arrastrar un cierto número de compuestos sensibles al agua (sales, vitaminas) y presenta riesgos importantes desde el punto de vista microbiológico. La utilización de altas frecuencias, procedimiento difícilmente aplicable a la descongelación de las canales, puede reducir las pérdidas de masa durante la descongelación de beff-steacks, hamburguesas, etc.

2.4 Caracteristicas organolépticas y nutricionales de las carnes congeladas Parece ser que la congelación conserva en los alimentos las cualidades organolépticas convenientes. El proceso de congelación no tiene ningún efecto visible en sí sobre el color, el sabor, el olor y la jugosidad de la carne una vez guisada. Por el contrario, el almacenaje al estado congelado tiene por consecuencia una disminución de las cualidades organolépticas; ello en función del modo de congelación utilizado, del condicionamiento y de la temperatura de almacenaje. Como regla general, tomando ciertas precauciones, se puede alcanzar una conservación por varios meses (embalaje hermético, temperatura inferior a – 18ºC). El color El aspecto exterior del producto que llega al consumidor y, en particular su color, son muy importantes porque determinan su elección. Las carnes vacunas conservan, después de la descongelación, el color de la carne fresca si llegamos a evitar los fenómenos de quemaduras por el frío. A pesar de todo, la mioglobina puede oxidarse si se prolonga el almacenamiento;

la sensibilidad de esta molécula varia con la especie animal y con su edad. En particular, la mioglobina de vacunos adultos resiste mejor a la congelación que la de novillos. Para estos últimos, el deterioro rápido de las características del color puede constituirse en un factor limitante de la duración de conservación al estado congelado. No es menos cierto que las bajas temperaturas rebajan mucho las reacciones de oxidación, así como los desarrollos microbianos, que pueden ser responsables de ciertas variaciones de color en la superficie de las canales. Las aves congeladas dan dos tipos de problemas en el dominio del color: - Ennegrecimiento de los huesos. Se observa frecuentemente, en el momento de cocer aves jóvenes congeladas, un oscurecimiento de los huesos y de las carnes próximas. La mayoría de los autores ha establecido la siguiente hipótesis para justificar este fenómeno. Parece ser que este oscurecimiento está ligado a la formación de metahemoglobina de color oscuro, a partir de hemoglobina que se encuentra en gran cantidad en la médula de los huesos largos de las aves jóvenes (fémur, tibia). El ciclo de congelación-descongelación, hemolizando los eritrocitos, permite la liberación de hemoglobina capaz de atravesar el tejido huesudo poco calcificado de las aves jóvenes. Después de la descongelación, en presencia del aire, hay oxidación de la hemoglobina durante el guisado. Parece ser que las condiciones de matanza, así como las de congelación y almacenaje no intervienen en el fenómeno. En cualquier procedimiento utilizado, la congelación provoca un fenómeno latente que requiere un revelador para manifestarse: es el papel de la descongelación y del guiso. Este oscurecimiento de los huesos se evita guisando directamente el ave congelada (aves PAC- listas para guisar). - Aspecto y coloración de la piel. El segundo problema que tienen las aves congeladas es el siguiente: es indispensable presentar al consumidor un producto

congelado de aspecto agradable, sin mucha diferencia con el producto fresco. Esto supone la congelación de aves evisceradas y su mantenimiento durante el almacenaje a una temperatura rigurosamente constante. Toda fluctuación de temperatura, permitiendo la descongelación parcial de los canales puede traducirse, en el momento del guiso, por un oscurecimiento de los huesos y de las carnes adyacentes (difusión de la hemoglobina). Esta descongelación puede también influenciar el aspecto exterior de las aves. La coloración de las aves congeladas está muy estrechamente ligada a la velocidad de congelación, pues es función de la talla de los cristales de hielo formados en la piel. • Aves blancas (congelación en túnel a – 40ºC o por inmersión entre –15º y 30ºC, América del Norte): los pequeños cristales formados reflejan la luz y dan a la canal un aspecto blanco. • Aves rojas (congelación a –30ºC, Inglaterra): la formación de cristales gruesos que dejan pasar la luz y permiten ver los músculos subyacentes, asegura así a las aves un color más rojo que es consecuencia de una congelación lenta. • Aves rosas (congelación en túnel a –35ºC, Europa y Francia): este procedimiento produce una gama de rosas muy parecidos al color de la carne fresca. La congelación por inmersión en nitrógeno líquido es un procedimiento violento que da a menudo a la piel un aspecto arrugado y perjudica las cualidades organolépticas del producto. Se prefiere utilizar el método de aspersión. Quemaduras por el frío Hemos visto antes que el mantenimiento de la coloración de las carnes vacunas durante el almacenamiento en congelación, es relativamente cómodo si se elimina el fenómeno de las quemaduras por el frío que se manifiesta por la aparición de zonas secas-blanquecinas en la superficie de las canales. Estas alteraciones

parecen más frecuentes cuando la temperatura de almacenamiento es más baja; se observan después de un almacenaje a –20ºC raramente después de un almacenaje a -500C. Se ha demostrado que cuanto más rápida sea la congelación de las canales, más pronto aparecen las huellas de las quemaduras. Un almacenaje de una semana a –20ºC es suficiente para hacer aparecer tales huellas en la superficie de las canales congeladas en nitrógeno líquido, mientras que hay que esperar 8 meses para observar este fenómeno sobre las canales congeladas en un túnel a –30ºC y depositadas en las mismas condiciones (-20ºC) Mecanismo. Una congelación rápida tiene, por consecuencia, una reducción de pérdidas de masa por evaporación. Por el contrario una congelación lenta se acompaña de una deshidratación importante de las capas superficiales de las canales. Como los tejidos, parcialmente congelados, son todavía flexibles, esta pérdida de agua va seguida de un remoldeado de las estructuras; se forma una capa

superficial

esponjosa

que

tendrá

un

papel

protector

durante

el

almacenamiento. En el caso de una congelación rápida, hay una recristalización inmediata del agua de las capas superficiales y los tejidos se vuelven rápidamente rígidos. Como durante el almacenaje, la presión de vapor del aire ambiente queda la mayoría del tiempo interior a la presión de vapor de los tejidos, hay sublimación de los cristales de hielo superficiales del tejido. Esta sublimación provoca la formación de cavidades superficiales que no pueden ser reabsorbidas por la llegada del agua profunda, pues los tejidos congelados quedan rígidos, contrariamente a lo que pasa con el músculo, todavía flexible, pierde su agua por evaporación durante la congelación lenta. Es la formación tardía de estas cavidades la responsable de la aparición, en la superficie de ciertas carnes, de zonas blanquecinas cualificadas como quemaduras por el frío: Estas lesiones son perjudiciales para la calidad final de la carne, pues son irreversibles. Después de la descongelación, las zonas quemadas guardan su aspecto, no recogen el agua perdida, además son duras e insípidas (desnaturalización definitiva). Se debe evitar al máximo este fenómeno.

En el caso de músculos congelados lentamente, la presencia de la capa esponjosa previamente formada, reduce los fenómenos de sublimación durante el almacenaje. El gradiente de presión entre la presión de vapor del aire y la presión de vapor de las capas superficiales es mas débil; la sublimación es reducida. Cuando, sin embargo, se observan pérdidas por sublimación a consecuencia de una congelación lenta, esto se manifiesta a menudo, por el aumento de la capa protectora. La formación de esta capa en el momento del procedimiento de congelación, ha hecho aparecer tensiones internas en los tejidos. La sublimación de cristales de hielo situados bajo la capa esponjosa, permite la formación de cavidades. Estos espacios libres permiten un remoldeado de las estructuras con la supresión de las fuerzas internas. En ningún caso se observa la aparición de cavidades en la superficie de tales carnes; algunas veces, bajo la capa esponjosa. A menudo, el almacenaje de éstas se acompaña de un aumento del espesor de la capa protectora. El desarrollo de esta capa esponjosa está favorecido por la presencia de cristales gruesos que son debidos a una congelación lenta e igualmente a temperaturas de almacenaje relativamente elevadas, lo que disminuye la rigidez de los tejidos (–10ºC a –4ºC). Como el fenómeno de quemadura por el frío corresponde a una deshidratación de carnes congeladas, se puede reducir esta deshidratación así: - Situándolas en cámaras de almacenamiento donde la presión de vapor de aire sea igual a la de vapor saturante del hielo (Jacketed rooms, de A. GAC). - Almacenando en aras de limitar la circulación del aire (peligro de las cámaras parcialmente llenas). -Almacenando a baja temperatura y evitando toda subida de ésta.

- Embalando la carne completamente cada vez que sea posible. Refiriéndose a la utilización experimental de soluciones protectoras tales como las soluciones de glicerol al 30% o de NaCl al 20%, su eficiencia varía mucho con la naturaleza de la muestra y la orientación del corte. Vale la pena anotar que el presalado en seco para refrigeración utiliza proporciones de NaCl entre el 1,8 y el 3,0%. El aroma y sabor El aroma de la carne depende de numerosos factores que escapan a los frigoristas: raza, sexo, edad, modo de crianza y de matar, naturaleza del músculo, proporción de grasa, etc. Pero el papel de este último es el de mantener el sabor de la carne lo más parecido a la fresca; esto después de haberla congelado y almacenado durante un tiempo más o menos largo. Las alteraciones del sabor van estrechamente ligadas a las modificaciones de los compuestos químicos y bioquímicos durante el almacenaje. Las glicoproteínas, el ácido inisínico (producto de la degradación del ATP) son los responsables del sabor agradable de una carne cocida. Estas estructuras, solubles en agua, pueden ser debidas a un exhudado muy importante durante la congelación. Por el contrario la liberación de hipoxantina durante el almacenaje realizado en malas condiciones o muy largo, dan a la carne un gusto amargo muy desagradable. Los lípidos son responsables del sabor específico de la carne. El almacenamiento debe permitir el aminorar las reacciones de hidrólisis y la oxidación, pues son la sede de ellas. Por otra parte, la liberación de ácidos grasos proteínicos pueden favorecer la desnaturalización de ciertos compuestos proteínicos. Así mismo, las reacciones de oxidación de grasas son responsables del fenómeno de enranciamiento que constituye un factor limitante para la conservación en estado congelado de ciertas carnes más grasas como la de cerdo. En fin, la congelación

aminora la liberación de compuestos proteínicos nauseabundos que se evidencian rápidamente en carnes expuestas a temperatura ambiente. Estos compuestos provienen de la degradación de las proteínas bajo la acción de microorganismos que encuentran en la carne un excelente medio para desarrollarse. La blandura Dos observaciones sobre la contractura por el frío y la rigidez de descongelación deben ser hechas de antemano: - La contractura por el frío (“cold shortening)”. Sobre la blandura de la carne congelada, al lado de la influencia del tratamiento aplicado, se encuentra un parámetro importante que es el estado del músculo en el momento del enfriamiento previo a la congelación. Así pues, cualquiera que sea el procedimiento de congelación escogido (velocidad, temperatura de congelación, condiciones de almacenaje, condiciones de descongelación) si las canales están enfriadas muy rápidamente antes de la instalación de la rigor mortis, el fenómeno de acortamiento por el frío impedirá obtener carnes blandas después de la cocción.

-

Rigidez de descongelación (“Thaw rigor”). Si la congelación en si ha sucedido antes de la rigidez cadavérica, ciertas precauciones han de ser tomadas para evitar la rigidez de descongelación que trae exhudado y dureza.

Cuando se suprimen las causas posibles de dureza, en unión con el grado de congelación del músculo, se puede preguntar si la congelación en sí y el almacenaje a baja temperatura por sus efectos sobre las estructuras y los prótidos celulares, modifican o no la blandura de la carne. Los resultados obtenidos por jurados de degustación y por la medida a la resistencia del corte con cizalla, permiten afirmar que después del almacenamiento en congelación, hay un aumento de la blandura. Si el almacenamiento se prosigue, hay una disminución

de la blandura. El aumento primero de la blandura estaría seguramente ligado al hecho de que la congelación parece acelerar los procedimientos de maduración, esto naturalmente en el caso de que el tratamiento maduración-almacenaje sea aplicado a un músculo en rigor. La ruptura de lisosomas ricos en catepsinas hidrolizantes en el momento del cambio de estado agua-hielo permitirá un mejor contacto entre las enzimas liberadas y las estructuras de los tejidos, estos mismos más o menos lesionados. Por el contrario, el aumento ulterior de la dureza de la carne, durante un prolongado almacenaje a baja temperatura, en el caso de una congelación aplicada a la carne madura, debe ser atribuido a una desnaturalización más importante de proteínas miofibrilares mientras se prolonga la acción del frío: Además, como hemos visto antes, parece ser que el colágeno sufre algunas modificaciones contribuyendo al aumento de la dureza de la carne después de una conservación prolongada en congelación. Es muy difícil concluir en cuanto a la influencia real de la congelación sobre la blandura de la carne. Numerosos factores influyen, tales como la naturaleza del músculo, la importancia del tejido conjuntivo, el grado de jaspeado (marmolado), etc. La interpretación de los resultados experimentales es muy difícil. Con la correspondiente resistencia al corte con cizalla, la blandura real no está siempre bien establecida, de allí pues, las dificultades suplementarias para la estimación del papel de la congelación sobre la blandura son discutibles. Jugosidad-Pérdidas durante la cocción La suculencia o la jugosidad de una carne está ligada a la cantidad de agua que ha conservado hasta el momento de su consumo. Hemos estudiado las pérdidas de agua por evaporación durante la congelación, por sublimación durante el

almacenaje, por exhudación durante la descongelación. A estas pérdidas se añaden la liberación del jugo en el momento de la cocción. El volumen de este jugo está igualmente ligado a las lesiones de las estructuras celulares, a la desnaturalización de las proteínas miofibrilares; desnaturalización acentuada por calentamiento y responsable de la disminución de la capacidad de retención de agua de la carne. Dos factores influencian la importancia de las pérdidas durante la cocción: el tratamiento aplicado y el estado del músculo en el momento de la congelación. - Influencia del tratamiento aplicado Las medidas de pérdidas durante la cocción han sido efectuadas para diferentes modos de congelación y descongelación. Los resultados presentan una diferencia significativa, como lo muestra la Tabla 31. Tabla 31 Pérdidas de masa media durante la cocción después de un almacenamiento de 12 meses. (Estimados en % del peso)

Estos resultados demuestran que, a pesar de todo, el tratamiento C.L.-D.R. (congelación lenta-descongelación rápida) no es aconsejable puesto que aumenta las pérdidas durante la cocción comparado con otros tratamientos. Experimentos de congelación con nitrógeno líquido han dado los siguientes resultados (en comparación con un tratamiento clásico): • Las pérdidas de masa durante la congelación aumentan. • El exhudado durante la descongelación es el mismo. • Las pérdidas durante la cocción son más elevadas. • Las pérdidas globales son idénticas.

- Influenciado la naturaleza del estado del músculo en el momento de la congelación Si los distintos tratamientos son aproximadamente equivalentes en lo que se refiere a las pérdidas durante la cocción, por el contrario, la naturaleza y el estado del músculo en el momento de la congelación modifican la importancia de estas pérdidas. La congelación de un músculo en pre-rigor aumenta las pérdidas durante la cocción,

como

también

durante

la

descongelación:

la

rigor-mortis

de

descongelación va siempre acompañada de un exhudado importante. Un pH reduce las pérdidas durante la cocción: cuanto más nos alejamos del punto isoeléctrico de las proteínas miofibrilares, más elevada es la capacidad de retención de agua de estas proteínas. Un pH de 6,7 - 6,9 durante la cocción en un tercio o en un quinto de las de una carne más ácida (pH = 5,4 - 5,6).

Actividad vitamínica Si los fenómenos de exhudación durante la descongelación, pérdidas durante la cocción, etc, perjudican las cualidades organolépticas de la carne (blandura, jugosidad), pueden reducir también el valor nutricional de este alimento, en la medida en que el jugo arrastra principios nutritivos solubles en el agua, tales como azúcares,

compuestos

proteínicos

(excepto

las

lipoproteínas),

elementos

minerales y vitaminas hidrosolubles. Un ejemplo se presenta en la Tabla 32: porcentaje de vitaminas del complejo B que pasan al exhudado en el momento de la descongelación en el caso de la carne de res. Tabla. 32. Vitaminas del complejo B que pasan al exudado en el momento de descongelar carne de res

Se ha demostrado experimentalmente que la velocidad de congelación tenía poca influencia en la conservación de la actividad de las vitaminas del grupo B en las carnes de cerdo y res. Por el contrario, Nestrov et. al. (1969) demostraron que la congelación de carne de cerdo y res, al reducir las reacciones de oxidación de grasas, favorecía la conservación de las vitaminas liposolubles, A y E. (Aquí se aplicó la medición en carnes congeladas lentamente). En cuanto a la influencia del modo de descongelación, parece que es mínima, según lo muestra la Tabla 33.

Tabla. 33 Concentración en vitaminas en la carne y en el jugo de cocción

La concentración de todas las vitaminas, expresada en µg/g, es aparentemente mayor después de la cocción, esto está ligado al hecho de que este tratamiento va acompañado de la evaporación de una parte del agua contenida en la carne. En conclusión, podemos decir que la conservación de la carne en estado congelado no parece reducir las concentraciones vitamínicas en proporciones importantes, en la medida en que el exhudado de la descongelación es limitado. La descongelación en agua corriente, aunque permite acelerar el proceso y reducir el exhudado, tiene el inconveniente de arrastrar un porcentaje importante de vitaminas cuando el producto no está protegido por un embalaje hermético. Este procedimiento sólo se aplica excepcionalmente.

Ejercicios de aplicación 1. ¿Qué relación tiene el déficit de presión de vapor de agua con la humedad relativa? ¿Cómo podría expresar esta relación teniendo en cuenta que la humedad relativa es aquella donde el producto no cede ni gana agua?

RESPUESTA A medida que aumenta la humedad relativa disminuye el déficit de presión de vapor de agua, por lo tanto se da la siguiente relación: DPVA

1

α

HR

Con respecto a la humedad relativa de equilibrio, se puede decir que ésta depende de la humedad relativa del aire, por lo tanto y en general se da la siguiente relación: DPVA =HRequilibrio - HRreal 2. Es claro que el contenido de agua de casi la mayoría de frutas y hortalizas oscila entre un 85 - 95 % y que su pérdida, está influenciada por la temperatura. De acuerdo con esto responda: a. Si una fruta tiene un contenido de humedad del 75% y la tenemos almacenada en una atmósfera con una HR= 80% y a una temperatura de 10ºC. ¿Qué le sucede a la fruta desde el punto de vista físico y microbiológico? b. Si se tiene almacenada con HA = 80% pero una temperatura de 2ºC. c. Si se almacena con HR = 60% y a una temperatura de 100C. d. Si se almacena con HR = 60% y temperatura de 2ºC.

RESPUESTA a. Va a ganar humedad y favorece el desarrollo de microorganismos ocasionando un deterioro rápido de la fruta. b. La fruta va a ganar humedad y se favorece el desarrollo de microorganismos por la temperatura de almacenamiento. c. La fruta pierde humedad y se favorece el desarrollo de microorganismos. d.La fruta no pierde casi humedad por la temperatura de almacenamiento, además no favorece el desarrollo de microorganismos.

3. Analice cada una de las respuestas que reportó anteriormente y saque una conclusión. RESPUESTA Las condiciones de almacenamiento de frutas y verduras dependen básicamente de la humedad relativa y temperatura de almacenamiento; además, a medida que disminuye la temperatura de la cámara, la pérdida de humedad de los productos contenidos en ella son menores. 4. Se tienen almacenados 100 kg. de manzanas en una cámara de atmósfera controlada, la cual tiene una humedad relativa del aire de 85% y una temperatura de 100C. Con ayuda de la carta psicrométrica y las tablas de propiedades termodinámicas, calcular: a. La humedad absoluta de almacenamiento b. El DPVA

c. La capacidad calorífica (Cpmanzana = 3.091 J/kg. 0K) 1 bar = 105Pascal RESPUESTA a. Por la carta psicrométrica a una temperatura de 100C y una HR = 85% tenemos: H absoluta = 0,009

Lb vapor de agua Lb aire seco

b. Por las tablas de propiedades termodinámicas a una temperatura de 100C la PVA = 0,012271 bar.

10 5 pascal =12.271 pascal 0,01 2271 bar 1bar DPVA =

PVA (100 - H R ) 12.721pascal (100 - 85) = 100 100

DPVA = 1840,65 pascal c. Capacidad calorífica CC = m.Cp . CC = (1.000 kg) ( 3.091 J/kg.0K) CC =3’091.000 joules 5. Tres toneladas de verduras frescas se van a almacenar en una cámara de refrigeración con atmósfera controlada. Como es bien sabido, la pérdida de agua por transpiración de estas hortalizas es mayor debido al área superficial de cada una; por lo tanto se debe tener muy en cuenta la humedad relativa y la temperatura de almacenamiento. Con el fin de controlar estas variables se llevarán a cabo varios ensayos con el objeto de conocer finalmente la mejor manera de almacenarlos.

Con los siguientes datos, calcule los diferentes déficits de presión de vapor de agua y seleccione la mejor condición de almacenamiento de acuerdo con los datos obtenidos justificando su respuesta. NOTA: calcule el DPVA en atmósferas sabiendo que: 1 bar = 105pascal 1 bar = 0,9862 atm.

a. b. c. d.

HR(%)

T(ºC)

80 80 70 80

6 16 6 10

PVA(bare PVA (atm.) s) 0,009346 9,224x 10-3 0018170 0,0179 0,009346 9.224x10-3 0,012271 0.0121

RESPUESTA Por las tablas de propiedades termodinámicas del agua encontramos de acuerdo con la temperatura de saturación, la presión de vapor para cada caso. a. DPVA =

PVA (100 - H R ) 9.224x10-3 atm (100 - 80) = = 1.84 ×10 −3 atm 100 100

b. DPVA =

PVA (100 - H R ) 0.0179atm (100 - 70) = = 5.37 × 10 −3 atm 100 100

c. DPVA =

PVA (100 - H R ) 9.224x10-3 atm (100 - 70) = = 2.76 ×10 −3 atm 100 100

d. DPVA =

PVA (100 - H R ) 0.0121atm (100 - 80) = = 2.42 ×10 −3 atm 100 100

Con los cálculos efectuados anteriormente se puede predecir como en el caso (a, c) si se mantiene constante la temperatura y variable la humedad relativa. El déficit de presión de vapor de agua no va a ser tan alto como sucede en los casos (b, d) donde se mantiene constante la HR y variable la temperatura.

La mejor condición de almacenamiento se da con una HR del 80% y una temperatura de 6ºC debido a que bajo estas condiciones el valor de DPVA es mínimo.

6. Se van a refrigerar 500 kg. de fresas a una temperatura de 0ºC. Si la HR óptima para que se conserven estas frutas es del 88% y las frutas entran al congelador a una temperatura interna de 5ºC, calcular: a. La presión de vapor del agua en el interior del fruto, en Pascals. b. La presión de vapor de agua en la cámara. c. De acuerdo con los datos anteriores, calcule la intensidad de transpiración y diga si es o no un producto climatérico perecedero y ¿por qué?.

RESPUESTA m = 500 kg. T = 0ºC HR = 88% Temp. interna de la fruta = 5ºC a. Por las tablas termodinámicas encontramos la presión de vapor de agua pero no a la temperatura de 5ºC entonces interpolamos: Y2 - Y1 Y´2 -Y´1 = X 2 - X1 X´2 -X´1 Donde: Y2 -Y1 ,Y`2 -Y`1 = corresponden a los diferentes PVA y X2 -X1, X`2 - X`1 = son los intervalos de temperatura Y`1 = PVA en el interior de la fruta Entocnes:

0.009346 - 0.0081 29 0.009346 - Y´1 = 6−4 6−5 0.009346 - Y´1 6.085 × 10 −4 = 1 10 5 Pascal Y´1 = 0.00874 Bar = 8.740 Pascal Bar

b. Por las tablas termodinámicas la PVA de la atmósfera será 0.006107 Bar. 10 5 Pascal = 6107 Pascal Bar c. Intensidad de transpiración = PVAint - PVAext.

0.006107 Bar .

IT = 8.740 Pascal - 6107 Pascal = 2633 N/m2 El valor de la intensidad de transpiración es alto lo cual nos indica que la fruta pierde gran cantidad de agua de evaporación, esto nos indica que directamente la tasa de respiración es bastante elevada, por lo tanto se puede afirmar que es un producto climatérico muy perecedero. 7. Se tiene en una cámara de atmósfera controlada un alto porcentaje de espinacas, estas llevan 3 días dentro del refrigerador y poseen una HR del 70%; se quiere saber cuál será el valor de la humedad absoluta de la atmósfera si la cámara se encuentra a una temperatura de 15,5ºC. Calcule además el DPVA y diga más o menos que tiempo de vida media le queda a estas hortalizas. RESPUESTA Por la carta psicrométrica con una H.R del 70% y una temperatura de 15,5ºC (60ºF), la humedad absoluta será de 0,0065 libras de vapor agua por libra de aire. El valor de PVA por las tablas de vapor saturado e interpolando será:

0.018170 - 0.015974 0.018170 - Y´1 = 16 − 2 16 − 15.5 0.018170 - Y´1 PVA = 5.49 ×10 −4 0.5 10 5 Pascal Y´1 = 0.0178955 Bar = 17.895.5 Pascal Bar PVA =

DPVA =

17.895.5Pascal (100 - 70) = 5.368.65 Pascal = 0.00536 Bar 100

Es difícil saber con exactitud el tiempo de vida media de estas hortalizas, pero bajo estas condiciones de almacenamiento y aunque la tasa de respiración y transpiración sea alta se puede suponer que el tiempo de duración máximo es de 2 a 6 semanas. 8. ¿Cuál será el cociente de respiración de unas verduras que contienen un alto porcentaje de ácido málico? a) Plantee y balancee la ecuación de degradación de este ácido. b) ¿Qué concluye con respecto a este cociente? RESPUESTA a) CHOHCH2(COOH)2 + 3O2 Cociente de respiración =

4CO2+ 3H2O 4 moles de CO 2 = 1,33 3 moles de O 2

b) El valor del cociente de respiración es mayor que 1 por lo tanto el sustrato respiratorio corresponde a un ácido orgánico, lo que indica que se necesita menos cantidad de O2 para la alta producción de CO2. 9. Hallar la respiración de un producto a las siguientes temperaturas:

a. 2.0ºC b. 35ºC c. 4,0ºC d. 6,0ºC e. 8,0ºC f. 12,0ºC g. 18,0ºC Si se sabe que a 0ºC tiene una respiración de 3,0. h. Grafique la respiración vs temperatura y saque una conclusión con respecto a este resultado. RESPUESTA a. T = 2,0ºC log Yt = logY0 + ac log Yt = log3,0 + 0,0376 (2,0) = 0,55 Yt = 3,57 b.

log Yt = log 3 + 0,0376 (3,5) = 0,61 Yt = 4,06

c.

log Yt = log 3 + 0,0376 (4.0) = 0.63 Yt = 4.24

d.

log Yt = log 3 + 0,0376 (6.0) = 0.70 Yt = 5.00

e.

log Yt = log 3 + 0,0376 (8.0) = 0.78 Yt = 6.00

f.

log Yt = log 3 + 0,0376 (12.0) = 0.93 Yt = 8.48

g.

log Yt = log 3 + 0,0376 (18.0) = 1.15 Yt = 14.25

Como se puede ver en la gráfica adjunta, la cantidad de oxígeno absorbido y de CO2 desprendido dependen directamente de la temperatura, es decir se da una relación directa, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la tasa de respiración del producto, entonces: Respiración α temperatura GRAFICA Coeficiente de respiración vs temperatura

10.a) ¿Cuál será la cantidad de O2 presente después de 10 horas de almacenamiento de 6kg. de tomates los cuales están resguardados en una atmósfera controlada a una temperatura de 3ºC., y se encuentran empacados en bolsas de polietileno ocupando 8 litros el producto y 2L de aire? NOTA:

QR=1 CO2 producido por hora = 1,318 x 10-4g-mol O2

b) Exprese este valor en porcentaje y de una conclusión con respecto a la intensidad respiratoria y calidad de estos tomates.

RESPUESTA PV = nRT n=

PV 1atm(2 L) = = 0.0833moles _ de _ aire RT 0.082(276º K )

Cantidad de O2 contenido 0.0833moles _ de _ aire

0.21molesO2 = 0.01855 moles de O2 iniciales 1mol (aire)

10 horas 0.0833moles _ de _ aire CO2/h

1.384 × 10 −4 g − molCO2 / hora = 1.318 ×10 −3 g-mol de 1hora

Cantidad de O2 presente 0,01855 moles O2 iniciales - 1,318 x 10-3 g-mol O2 = 0,01 744 moles de O2 restantes b) 0,01 744 moles de O2 finales

100% = 94% 0.01855 moles 0 2 iniciales

CONCLUSION: La intensidad respiratoria es muy alta, pues en 10 horas, el producto perdió el 6% de oxígeno. Estos frutos almacenados bajo estas condiciones ambientales presentan un tiempo de vida media poco elástico y su calidad final se encontrará en un nivel poco óptimo. 11. Se van a almacenar 5 kg. de manzanas en una cámara de atmósfera controlada a una temperatura de 5ºC. Calcular el calor de respiración de estas frutas en 24 horas a partir de la labia 13.

RESPUESTA Por la Tabla 13 Temperatura = 5ºC QR manzana = 0,015 w/kg. 0,015 w/kg. (5kg) = 0,075w 0,075 w

0.680 kcal./h = 0,051 kcal./h 1w

0,051 kcal./h (24 h) = 1,224 kcal. en 24 horas. 12. En una planta procesadora de frutas se obtienen pulpas para comercializar; cada caja contiene 1 kg. de pulpa y las dimensiones son 7cm. de espesor por 40 cm. de área. a) Calcular la cantidad de calor transmitido por unidad de superficie si la conductividad térmica del material envolvente es de 0,083 cal/s.cm2.0C y las temperaturas exterior e interior son 25ºC y 5ºC respectivamente. b) ¿Usted considera que la cantidad de calor transmitido será la misma que la obtenida en el numeral a, si las pulpas estuviesen envasadas en empaques del mismo material pero su forma fuera cilíndrica? Justifique su respuesta. RESPUESTA a)

m = 1 kg. x = 7 cm. A = 40 cm2 K = 0,08 cal./s.cm2.0C

dQ = - KA

dt dx

Integrando obtenemos:

Q=

− KA(T2 − T1 ) − 0.083cal − cm / cm.s.º C (40cm 2 )(20 − 5)º C = x 7cm

Q = 7.11 cal./s b) La cantidad de calor transmitido no sería la misma puesto que el área superficial expuesta a la transferencia de calor es totalmente diferente, por lo tanto se debería hallar primero que todo el área de la superficie cilíndrica teniendo en cuenta sus características y con base en ello calcular la cantidad de calor transmitido. 13.

Se pretende refrigerar una pulpa concentrada de guanábana que está a 5ºC

hasta una temperatura final uniforme de 3ºC; la pulpa está almacenada en canecas de forma cilíndrica como se observa en la figura, las cuales tienen las siguientes medidas: r = 50 cm. h = 95cm Calcular: a) El flujo de calor si la conductancia superficial del material de la caneca es de 0,30cal.cm./s.cm2 ºC y la temperatura del refrigerador es de 3ºC, con un número de Biot: 0,2< Bi < 10. b) Determinar el volumen de cada una de estas canecas para saber qué cantidad de pulpa se puede almacenar. c) Si la densidad de la pulpa es de 1 ,01 8 g/cm3, determinar la cantidad de ésta en kilogramos que debe refrigerarse en cada caneca. RESPUESTA a)

A = 2πh = 2 π (50 cm)(95 cm) = 29.845 cm2

Si 0,2 < Bi < 10 entonces: Q Q = - h.A(t-tf) Q = - 30 cal.cm./s.cm2. 0C (29,845 cm2) (5-3)ºC Q = 17,907 calorías. cm/s b) Volumen V = πr2h V π. (50 cm)2 (95 cm) = 746.128,25 cm3 c) ρ = m/V

m = 1,0l8gr./cm3 (746.128,25cm3)

m = 759.558,56 g m = 759,56 kg.

14. a) Determinar la velocidad de enfriamiento y construir la gráfica de una pasta de tomate, si sobre ésta se llevan a cabo una serie de ensayos utilizando como variable principal la temperatura así: Q (tiempo. mm) 10 12 14 16 18

Relación ti – ty , 50 40 30 25 20

b) ¿Qué concluye con respecto a esta velocidad de enfriamiento? RESPUESTA GRAFICA Relación 1, . ti – ty vs Q tiempo (min)

a) Cr =

ln (40 - 25) 12 - 16

= -0,670C

b) A medida que el producto se va enfriando, la velocidad de enfriamiento es mayor, en conclusión sería muy benéfico para minimizar los costos de una industria, realizar un preenfriamiento a los productos con el objeto de aumentar por un lado el tiempo de vida media y por el otro disminuir el consumo de energía. 15.

Se van a enfriar 30 kg. de pulpa de fruta concentrada, las cuales están

empacadas en cajas de cartón de 50cm2 de área por 10cm. de longitud (ver figura). Si la temperatura del refrigerador es de 3ºC, la temperatura superficial del envase es de 5ºC y la del interior es de 4,5ºC. a)

¿Cuál será la cantidad total de calor transmitido en cada caja si la

temperatura fue de 100C? b) ¿Cuál será la cantidad de calor transmitido por las 10 cajas en 1 hora?

RESPUESTA a) Calor transmitido por convección entre la superficie del envase y el aire circundante. ∆T = (5-3)0C = 20C

Q = h. A. ∆T Q = 0,0015 cal./s.cm2.ºC (50 cm2)(2ºC) Q = 0,15 cal./s.

- Calor transmitido por conducción en el interior de la caja: t2 = 5 0C t1 = 4,50C Q = KA (t2 - t1) L Q = (0.0018 cal .cm/s. cm2 ºC)(50 cm2) (5 - 4) 0C 10cm

Q = 0,0045 cal./s. b)

QT = 0,1545

cal 3600s ⋅ =556,2 cal./h. s 1hora

556,2 cal./h. (10 cajas) = 5562 cal./h. en las 10 cajas. 16. Cuando un vacuno se sacrifica contiene un porcentaje de canal del 50%, piel 9,5%, despojos 18%, desperdicios 18% y sangre 4,5%; si se va a despalmar un novillo que pesa 800 kg. con un área superficial de 1,45 m2 y tiene una conductancia superficial de 0,40 kcal./m.h.0C a una temperatura de 30C. y el canal entra al congelador a esta temperatura, el cual tiene una temperatura de -10 0C, determine: a) La velocidad de enfriamiento de este canal. b) Considera usted que la temperatura en el canal va en algún momento a ser homogénea? ¿Por qué? RESPU ESTA a) Porcentaje de canal = 50% 800 kg. (0,5) = 400 kg. de canal A = 1 ,45 m2 t = 0 0C tf = -10 0C h = 0,40 kcal./m.h.0C Q = h. A. (t - tf) Q = 0,40 kcal./m.h.ºC (1,45m2)(0 –(10))ºC Q = 5,8 kcal./h ó 5800 cal./h. b) La temperatura del canal nunca va a ser homogénea por las siguientes razones:

• El canal está compuesto por carne, hueso y grasa, los cuales tienen temperatura de congelación diferentes, además las conductividades térmicas individuales también lo son. • El espesor del canal es muy heterogéneo, por lo tanto el centro térmico de éste nunca alcanzará una igualdad con la temperatura superficial. 17. Para el caso del problema anterior, suponga que se han separado las diferentes partes que componen el canal, de la siguiente manera: 65% de carne, 25% de hueso y 10% de grasa. Determine: a) La masa de cada una de estas partes. b) La velocidad de enfriamiento si: -

La temperatura del producto es -100C

-

La temperatura del fluido es --150C

-

La velocidad de estas partes a la entrada del congelador fueron:

• carne: 50 min/kg. • hueso: 70 min./Kg. • grasa: 40 min./Kg. RESPUESTA a)

(400) 0,65 = 260 kg. de carne magra (400) 0,25 = 100 kg. de hueso (400) 0,10 = 40 kg. de grasa

b)

t = -100C ta = -150C ti = 00C

ln

CR1=

ln

CR2=

ln CR3 =

0 − (−15º C ) − 10 − (−15º C ) = 0,022 0C/min. 50 min 0 − (−15º C ) − 10 − (−15º C ) = 0,016 0C/min. 70 min

0 − (−15º C ) − 10 − (−15º C ) = 0,027 0C/min. 40 min

18. ¿Cuál es el coeficiente de calor en kcal./h.m2.0C de una carne, la cual al ser expuesta al congelador, adquirió una temperatura final de

-150C? Si la

temperatura de la cámara es de -200C y el área de la carne expuesta es de 73 cm2 y el calor extraído es de 48,8 kcal. RESPUESTA Q = h. A. ∆T 48,8 kcal. (1000 cal/ 1 kcal) = 48.800 cal. 48.800 cal.= h. 73 cm2 (-0 - (-1 5))0C h = 48.800 cal / 73 cm2 (-50C) = 133,7 cal./cm2.h.0C 19. a) ¿ Qué cantidad de calor habrá que extraer por encima o por debajo del punto de congelación a 100kg. de carne para bajar su temperatura de 18,8ºC a 4,4ºC, si su punto de congelación se encuentra a -20C y su calor específico por encima del punto de congelación es de 0,84 kcal./kg.0C. y por debajo del punto de congelación es de 0,4 kcal./kg.0C. b)

¿Por qué la cantidad de calor trasmitido por debajo del punto de congelación

es menor?

RESPUESTA

a) Por encima del punto de congelación Q = m.Cp.∆T Q = 100 kg. 0,81 kcal./kg.0C (18,3 - (-2))ºC Q = 1705,2 kcal. Por debajo del punto de congelación Q = 100 kg. 0,4 kcal./kg.0C (- 2 – (- 4,4 ))0C Q = 96 kcal. b)

Porque el producto ha bajado su temperatura tanto externa como

internamente, por lo tanto se acerca más al equilibrio térmico y las diferencias de temperatura no son tan considerables.

AUTOEVALUACION 1. Enumere cuatro de los principales factores por los cuales puede estar influenciado el déficit de presión de vapor de agua. 2. Mencione cuatro de los factores más importantes que influyen en el almacenamiento de frutas y verduras frescas. 3.Se van a almacenar frutas frescas climatéricas a una temperatura de 380C durante dos días. La humedad absoluta del aire es de 0,03 lb. de vapor de agua/lb. de aire seco; como es lógico de suponer, la temperatura de almacenamiento es muy alta por lo que se desea conocer a qué humedad relativa y a qué valor de entalpía debe mantenerse la atmósfera para que dichas frutas no sufran altos deterioros. 4. ¿Cuál será la fuerza motriz en Nw./m2 cuando se tienen almacenadas 2 toneladas de verduras frescas a una temperatura de 20ºC si se sabe que la humedad relativa de la superficie es del 85 % y la humedad absoluta es de 0,018 lb. vapor de agua/lb. aire seco? Si las verduras entraron al refrigerador con una temperatura de 24ºC y el calor específico es de 5.097 Joules/kg.ºC calcule además la capacidad calorífica de estas hortalizas. 5. Usted como futuro ingeniero no deberá olvidar tener en cuenta siempre todas las variables que intervengan dentro de un proceso; imagínese que a partir de mañana empezará a trabajar en la reconocida empresa colombiana de Colfrigos Ltda. y una de sus funciones consiste en seleccionar el tipo de atmósfera para almacenar los productos de una industria dedicada al procesamiento de frutas y hortalizas, si existen tres cámaras de almacenamiento que funcionan bajo las siguientes condiciones:

Tº = -1ºC HR = 70% CAMARA 1

Tº = 0ºC HR = 90% CAMARA 2

Tº = 4-10ºC HR = 85% CAMARA3

Determine bajo estos parámetros en que cámara debe ser almacenado cada uno de los productos listados a continuación y de una justificación genérica con respecto a dicha selección.

6.. Se van a almacenar uvas para efectuar la producción de vinos, se desea saber cuál es el cociente de respiración de estas frutas y sobre esta respuesta concluir con respecto al tiempo de vida media de este producto. 7. Inicialmente para obtener la respiración, a cualquier temperatura tomando como base la respiración a 0ºC, se aplica la ecuación de Berthelot: logYt = logY0 + at a) Determine cómo esta relación viene a coincidir matemáticamente con el Q10 de V’ant Hoff Q10=1010a b)

¿Qué conclusión obtiene del resultado de esta relación?

8. Se tienen 500 g. de lechuga almacenados en una bolsa impermeable al aire de 4 litros de volumen; el producto ocupa 3,2 litros siendo la diferencia ocupada por el aire 0,80 litros. Si el producto se mantiene a temperatura constante de 4ºC, determine el tiempo en el cual el contenido de oxígeno disminuye a 2,5%. Tenga en cuenta para este problema que el coeficiente de respiración se debe asumir como 1 (uno) y que el CO2 producido por el producto es de 1,318x10-4 g./mol de CO2 por hora. 9. a) Hallar la intensidad respiratoria de un producto que a 0ºC tiene un valor para esta variable de 3,0 mg. CO2 /kg.hr. b) Calcule además la intensidad respiratoria en BlU/ día y c) de acuerdo con la tabla 14 calcule la intensidad respiratoria del mango y la papaya para su máximo climaterio. 10. Se va a mantener pulpa refrigerada a una temperatura inicial de 5ºC, si esta al ser almacenada presentó una temperatura inicial de 25ºC. y el tiempo de enfriamiento es de 45 minutos por kilogramo de pulpa, manteniendo la temperatura final de 8ºC. Determinar: a)

La velocidad de enfriamiento de esta pulpa si Bi <0,2.

b)

¿Usted cree que influye la temperatura inicial del producto en la velocidad de

enfriamiento? 11. Se tiene en almacenamiento 1 kg. de jugo de fruta concentrado, el cual ha alcanzado una temperatura final de 2ºC. (Tf = Ta) ocupando un volumen de 3 litros. La pulpa ha cedido 500 calorías para su enfriamiento y la variación de temperaturas ha sido de 5ºC. Determine: a)

El calor específico de esta pulpa si la ρ = 1,089 g./cm3.

b) ¿Cuál es el coeficiente de enfriamiento de esta pulpa si la conductancia del material del envase donde se encuentra el jugo es de 0,33cal./s.cm2.ºC y el área del envase es de 45 cm2. 12. ¿Cuál sería la velocidad de enfriamiento en ºC/h de 1 tonelada de frutas las cuales poseen una temperatura inicial de 200C y al cabo de 24 horas de

exposición en un refrigerador a una temperatura de 8ºC adquieren una temperatura final uniforme de 10ºC?

CAPITULO 3 Manejo y transporte de productos Perecederos Introduccion En este capitulo se presenta un resumen de los principales aspectos aplicados a nuestro medio sobre los “metodos para el Cuidado de Alimentos Perecederos Durante el Transporte por Camiones” del Departmento de Agricultura de los Estados Unidos, extractado de un manual de agricultura y mercadeo (Manual de Agricultura No. 669 del año 1995) Siendo repetitivos recordemos cque el objetivo fundamental de refrigerar los productos alimenticios es mantener la calidad y prolongar el tiempo de vida útil antes de la venta, manteniendo la temperatura del producto en un punto donde el deterioro metabólico y microbiológico sea mínimo. Mantener la temperatura deseada o ideal es un factor crucial para proteger los alimentos perecederos de la pérdida de calidad durante su almacenamiento y distribución. La pérdida de calidad es un asunto tanto del tiempo, como del mal uso de la temperatura. El mal uso dela temperatura es un agravante más y aun cuando sea porperíodos cortos durante la carga, transporte y descarga,puede que cuando el producto llegue a su destino haya sufrido una pérdida en calidad. considerable El mal uso de la temperatura puede ocurrir por que sea muy alta o muy baja. Por ejemplo, las altas temperaturas pueden causar pérdida de vitamina C en los espárragos, y disminución en el azúcar o sacarosa del maíz tierno Las bajas temperaturas pueden causar daños de refrigeración a frutas y vegetales frescos. Puede que esto no sea evidente hasta que el producto esté en la tienda o en la mesa del consumidor, al mostrar que no ha madurado adecuadamente, o ha disminuido su sabor, o sufrido decoloración, o tenga picaduras o muestre cualquier otra señal de calidad inadecuada. 3.1 Refrigeración durante el transporte y distribución de productos perecederos. La refrigeración elimina el exceso de calor y provee un control de temperatura para los productos alimenticios mientras son transportados en vehículos.

El calor es una forma positiva y medible de energía que siempre irradia o fluye hacia la fuente de frío o refrigeración. Un sistema de camión refrigerado debe tener capacidad suficiente para eliminar el calor generado por las fuentes descritas a continuación: Calor residual del aire que está dentro del contenedor, y el calor del aislamiento y forro interior del contenedor. Calor exterior conducido a través del piso, paredes y techo. Este depende de la temperatura equivalente a la diferencia entre el aire interior y exterior, tipo y grosor del aislamiento y el área de las superficies conductoras. La radiación solar aumentará la temperatura de las superficies exteriores donde el cuerpo del remolcador está expuesto al sol. Calor de infiltración del aire tibio exterior a través de pequeños orificios, fisuras y sellos de la puerta. Esto aumenta los requerimientos de refrigeración. Calor excesivo en la mercancía

por encima de la temperatura de tránsito

deseada. Calor de respiración generado por todas las frutas y vegetales frescos. Algunos productos, como los espárragos, maíz y fresas, respiran a un ritmo mas alto que otros productos, como son manzanas, naranjas y papas. El ritmo al cual el calor de respiración se genera varia también de acuerdo a la temperatura del producto. Es considerablemente menor, a temperaturas cerca del punto de congelación que a la temperatura normal de cosecha. La Tabla I.1 en el apéndice I muestra la cantidad de calor producido por diferentes frutas y vegetales a temperaturas dadas. 3.1.1 Métodos de Refrigeración En el pasado, se utilizaron varios métodos para refrigerar camiones. Estos incluyen el hielo, hielo y sal, hielo seco, sistemas de mantenimiento sobre placas, sistemas criogénicos y refrigeración mecánica. Hoy día, predomina la refrigeración mecánica.

Los

remolcadores

refrigerados

con

refrigerantes

criogénicos,

normalmente dióxido líquido de carbón (CO2) o nitrógeno (N2) han sido utilizados

hasta cierto punto durante las últimas tres décadas, pero no son tan populares como los remolcadores refrigerados mecánicamente. Refrigeración Mecánica La refrigeración mecánica opera absorbiendo el calor en un punto y liberándolo en otro. Esto se logra haciendo circular un refrigerante entre dos puntos. El refrigerante recoge el calor a través de un serpentín (evaporizador) dentro del área de carga y lo descarga a través de otro serpentín (condensador) en el exterior. El refrigerante circula a través del sistema por un compresor, el cual es movido por gasolina, gasoil o un motor eléctrico. En contenedores que transitan las carreteras la mayoría de las unidades de refrigeración mecánica son “instaladas en la nariz” con el motor, condensador y otros accesorios en la parte exterior frontal del remolcador, y el serpentín del evaporizador y abanicos directamente dentro. Los contenedores refrigerados fabricados para dar servicio entre modelos tienen retrasado el flujo del motor del compresor y del serpentín del condensador con las superficies exteriores en la parte frontal del contenedor. Esto permite a los contenedores ser cargados de manera pareja en rieles de carga o cargueros portacontenedores. Las unidades de refrigeración mecánica se clasifican de acuerdo a su capacidad de eliminar o producir calor. La capacidad de enfriamiento de una unidad se expresa en el número de Btu por hora que una unidad puedd eliminar a 100ºF (38ºC) afuera y a 35ºF (1.7ºC), 0ºF (-18ºC), y –20ºF (-29ºC) dentro de la temperatura del remolcador. La capacidad de calentamiento de la unidad se mide en Btu’s por hora, mientras que las temperaturas dentro del remolcador son 65ºF (18ºC) ó 35ºF (1ºC) bajo 0ºF (-18ºC) ambiente. (El procedimiento de clasificación se basa en el Estándar 1110 del Instituto de Aire Acondicionado y Refrigeración (ARI, según sus siglas en Inglés). La capacidad de refrigeración necesaria para una carga particular depende de la temperatura deseada para el producto, el aislamiento del vehículo, la temperatura ambiental, la temperatura del producto a cargar, la cantidad de calor por respiración del producto y la capacidad

adicional (reserva) deseada. Hoy día, las unidades de refrigeración están equipadas con microprocesadores programados para controlar la operación de la unidad de modo que, tanto la refrigeración como la eficiencia del combustible, se maximicen. La temperatura del aire se supervisa en los puntos de descarga y retorno, y se ajusta a la demanda de refrigeración del punto indicado en el termostato. Esto reduce la difusiòn de la temperatura alrededor del punto indicado en el termostato, lo cual reduce la deshidratación y mantiene la calidad del producto. Los microprocesadores también pueden ser programados para realizar pruebas diagnósticas y corren automáticamente a través de una modalidad de previaje. Algunos de los microprocesadores están equipados con radio y pueden establecerse contacto vía satélite para supervisar el funcionamiento de la unidad de refrigeración, indicar la ubicación geográfica del remolcador, supervisar la temperatura del producto y realizar otras funciones. 3.1.2 Diseño y Construcción de Contenedores Aislamiento Los vehículos que se utilizan para transportar productos alimenticios perecederos deben tener buen aislamiento a fin de retardar el flujo del calor a través de sus paredes. La cualidad aisladora es mesurable, y la norma de la industria es el Factor U (coeficiente de transferencia del calor a través del cuerpo de un remolque). Mientras más bajo el factor U, mejor el aislamiento. Las espumas plásticas son el material predominante utilizado en el aislamiento de los vehículos refrigerados puesto que ofrecen un factor U bajo, son livianas, a prueba de agua y no corrosivas. Se obtienen ventajas adicionales de aislamiento cuando el plástico es “espumado en el lugar” durante la fabricación. Este procedimiento llena las grietas e intersticios que de otra manera permitirían la filtración del aire.

Se aumenta aún más la calidad del aislamiento usando una superficie exterior de acero o aluminio pulido que refleje los rayos del calor del sol o de las superficies del camino.También existen pinturas reflexivas para los vehículos refrigerados. El efecto reflexivo de cualquier material disminuye, sin embargo, si no se mantiene limpio el exterior del vehículo. El aislamiento de alta calidad será de poco valor si hay filtración por los sellos de las puertas. Los sellos de la puerta deben estar correctamente colocados y en buena condición. Sistemas de Circulación del Aire La circulación del aire es uno de los factores más importantes para la protección de los cargamentos refrigerados de alimentos perecederos. Las capacidades de refrigeración no tienen sentido si el aire refrigerado no circula correctamente para mantener la temperatura del producto. La circulación del aire transfiere el calor del producto y el calor que penetra las paredes, pisos y techo del remolque hasta la unidad de refrigeración, donde puede ser eliminado. Se puede circular aire caliente para prevenir el daño causado por enfriamiento o congelación de las hortalizas frescas. La circulación del aire también es importante para asegurar uniformidad en las temperaturas durante todo el proceso de carga. Existen dos métodos principales para hacer circular el aire en los vehículos refrigerados. El método convencional es el que se realiza por la parte superior o desde arriba [“top-air delivery’]. El segundo método es el de la parte inferior o desde abajo [“bottom-air delivery”], que ha sido ampliamente utilizado durante varias décadas en los contenedores marítimos, pero de manera limitada en los contenedores terrestres. 3.1.3 Daños Causados por Congelación y Enfriamiento Los camiones que transportan los productos perecederos a través de áreas con temperaturas exteriores muy por debajo de 0º C (32º F) quizá tengan que ser calentados y no refrigerados para evitar daños causados por congelación o enfriamiento.

La congelación de productos puede suceder también si el termostato está ajustado muy bajo, sobre todo en la capa superior donde el aire sale del conducto de descarga de la unidad refrigeradora. La congelación de carnes frescas oscurece su color y aumenta la precipitación al descongelar. Al congelar los huevos estos pueden agrietarse e inducir cambios físicos irreversibles. La congelación hace cambiar la textura de algunos quesos. Las pérdidas por congelación son las más comunes en las frutas y vegetales, tales como manzanas, apio y lechuga, las cuales son generalmente movilizadas a temperaturas cerca de su punto de congelación. El grado del daño varía según las características del producto y la gravedad de la congelación. Por ejemplo, las remolachas y el repollo soportan la congelación y descongelación liviana varias veces sin que esto les cause daño permanente. Otros productos tales como las papas y los tomates se dañan permanentemente con una sola congelación liviana. 3.1.4 Atmósferas Controladas y Modificadas Se va aumentando la práctica de utilizar las atmósferas controladas o modificadas como suplemento a la refrigeración. Se logran estas atmósferas alterando la atmósfera normal dentro del vehículo con concentraciones variadas de uno o más gases, usualmente oxígeno (O2), bióxido de carbóno (CO2) y nitrógeno (N2). Se logra una atmósfera controlada (AC) cuando la concentración de los gases que conforman la atmósfera dentro de un vehículo se repone constantemente para mantener niveles predeterminados. En las atmósferas modificadas (AM), las concentraciones de gases se modifican inicialmente para satisfacer criterios específicos del producto, pero no se reponen consistentemente durante el transporte para mantener los niveles iniciales. Casi todos los productos, y a veces cada variedad, tienen una combinación distinta de gases en los que se mantienen mejor durante almacenamiento. Una atmósfera que mejora las cualidades preservadoras de un producto tal vez surta un efecto adverso sobre otro. La temperatura y la humedad modifican los efectos de las atmósferas controladas.

3.1.5 Lista de Verificación Antes de Cargar A continuación una lista de cosas que deben hacerse antes de cargar: ( ) ¿Está funcionando bien la unidad de refrigeración? ( ) ¿Está calibrado el termostato? ( ) ¿Están instalados y funcionando correctamente los conductos y sumideros de refrigeración? ( ) ¿Están en buenas condiciones los sellos de las puertas? ( ) ¿Están selladas herméticamente las puertas cuando están cerradas? ( ) ¿Están las paredes libres de grietas o huecos? ( ) ¿Está instalado el mamparo frontal? ( ) ¿Están abiertos los drenajes del piso? ( ) ¿Está limpio y libre de olores el interior del vehículo? ( ) ¿Están libres de desperdicios las ranuras del piso? ( ) ¿Es adecuada la longitud, altura y anchura interior para la carga? ( ) ¿Tienen disponible cerraduras para la carga u otros dispositivos para asegurar bien la carga? ( ) ¿Está el contenedor preenfriado o precalentado? El embalaje, manejo y contenedores para los alimentos perecederos varían mucho, y esto le hace más difícil a los camioneros tomar decisiones. Considere los siguientes factores, conjuntamente con el tipo de equipo disponible, al planificar la carga. Tipo de Entrega Aérea En la actualidad existen dos tipos de sistemas de entrega aérea para los contenedores y furgones refrigerados. Cada sistema requiere un procedimiento distinto para la carga, tanto para las cargas colocadas a mano como sobre paletas, para maximizar la eficiencia del enfriamiento y mantener el control de la temperatura.

Sistema Aire con Salida Hacia Arriba es el sistema convencional que se utiliza en los contenedores refrigerados (véase la figura 2). Con este sistema, de alta velocidad pero baja presión, el aire sale de la unidad de refrigeración por el techo de la parte frontal, se mueve encima de la carga, hacia abajo entre el final de la carga y las puertas traseras, así como por debajo y a través de la carga para volver a la unidad de refrigeración en la parte delantera del vehículo.

Al cargar un vehículo de circulación desde arriba, mantenga abiertos los caminos para el flujo de aire de vuelta a la unidad de refrigeración. Para los productos que respiran, se necesitan además espacios para que el aire pueda pasar por la parte interna de la carga y así eliminar el calor de respiración. Sistema Aire con Salida desde abajo, se utilizan principalmente en los furgones intermodales para fines de exportación. En los sistemas de aire desde abajo, el aire refrigerado es forzado hacia abajo por el mamparo delantero y debajo de la carga a través de un piso de rieles-T, y luego verticalmente hacia arriba a través de la carga como lo ilustra la figura.. Se mantiene una presión estática alta debajo de la carga para asegurar un movimiento a poca velocidad pero constante del aire por los espacios pequeños de la carga. Al cargar un vehículo de sistema de aire desde abajo es necesario que la carga quede bien ajustada al piso, y cubrir cualquier espacio que quede abierto en el mismo que no esté cubierto por la carga, para mantener la presión del aire debajo de la carga.

3.1. 6 Tipos de Contenedores Maritímos Cargue los contenedores maritímos de manera que se pueda sacar la mayor ventaja de su fuerza inherente. Los distintos tipos de contenedores se cargan y manejan de diferentes maneras dependiendo de su diseño, la manera en que se empaquen, y el material de construcción del mismo. La mayoría de los contenedores están diseñados para soportar más presión o peso en un lado o área sin colapsar y sin dañar al contenido. Ciertos tipos de “empaques” tienden a no tener una forma homogénea en una o más de sus caras. De ser posible, no deben cargarse los contenedores que contengan este tipo de empaque con presión sobre los lados en que estos se encuentran.. Las cajas de madera, envases con agarraderas o argollas y cajones amarrados con alambre están diseñados para soportar peso solamente en los extremos. Las cuatro caras del envase, generalmente están hechas de tablillas finas que sólo sirven para mantener el producto dentro del mismo. Apile estos envases uno encima del otro para que el peso de arriba sea soportado por los extremos de la caja, sino el contenido puede ser seriamente magullado o machucado. Las cajas de conglomerado ondulada están diseñadas para soportar el peso vertical desde arriba por sus cuatro lados. Cargue las cajas de conglomerado boca arriba sobre sus fondos y apílelas en forma pareja, una encima de la otra. Las cuatro esquinas son los puntos de mayor

fuerza. Evite el apilamiento cruzado cuando la presión excesiva puesta sobre el punto medio de las cajas puede ocasionar daños al producto. Generalmente, las cajas pueden apilarse cruzadas en la capa superior. Las canastas y cestos de madera están diseñados para soportar el peso desde arriba soportando el peso verticalmente sobre sus tapas o fondos. Asegure las tapas firmemente en todos los puntos de amarre para que las mismas se arqueen ligeramente. Este arco distribuye el peso desde arriba de forma pareja hacia los lados de la canasta en vez de dejar que caiga directamente sobre el producto debajo de la tapa. Los productos en bultos y sacos son muy susceptibles de ser dañados por el peso de la carga de arriba, especialmente cuando estos son colocados sobre pisos acanalados o ásperos. Los materiales acojinados comerciales, tales como rellenos de papel y espuma plástica proveen cierto nivel de protección para los productos. También se pueden utilizar las planchas de conglomerado para acolchar el piso. Cualquier material acojinado debe perforarse para que circule el aire. No deben utilizarse materiales, tales como paja, que pueden bloquear la circulación del aire debajo de la carga. Durante el tiempo frío, el material acojinado del piso también sirve como aislamiento para evitar daños causados por congelación en el punto en que existen más probabilidades de que ocurra. Sin embargo, la manera más efectiva de evitar la congelación del producto a nivel del piso es circulando aire caliente debajo de la carga. En los vehículos que no están equipados con pisos que permiten el flujo de aire alto, eleve la carga colocándola sobre paletas o portacargas de piso para permitir una circulación adecuada de aire debajo de la carga. 3. 1.7 Productos Congelados o No Congelados Coloque los alimentos congelados que han sido enfriados a la temperatura de tránsito deseada de –18º C (0º F) o menos, de una manera diferente a los productos frescos que respiran. Coloque las cajas de alimentos congelados lo más pegadas posible y con tan poco contacto con el piso y las paredes del vehículo como sea posible.

El objetivo es tener circulando el aire frío alrededor del perímetro de la carga para interceptar el calor que irradia a través del cuerpo del contenedor antes de que llegue hasta la carga congelada. 3.1.8 Compatibilidad de Cargas Mixtas Muchos envíos por camión contienen dos o más productos alimenticios diferentes. Se deben tomar en consideración cinco factores importantes al determinar la compatibilidad de los productos en las cargas mixtas: (1) temperatura requerida para el producto, (2) humedad relativa requerida, (3) emisión de gases fisiológicamente activos tales como etileno, (4) características para absorber olores, y (5) requisitos de la atmósfera modificada. Las temperaturas de tránsito deseadas para los productos transportados juntos deben ser razonablemente similares. Por ejemplo, los tomates maduros verdes que requieren una temperatura de transportación de 13º C (55º F) no deben transportarse conjuntamente con la lechuga que necesita una temperatura de tránsito de 0º C (32º F). Los requisitos de humedad relativa de los productos mixtos deben ser razonablemente similares. Algunos productos pueden transportarse en contacto con el hielo y saturados por el agua de descongelación. Otros productos pueden ser dañados por el contacto con el hielo o por saturación de agua. Ciertas frutas y vegetales producen el gas etileno durante la respiración. El etileno puede ocasionar la maduración prematura o puede dañar las zanahorias, lechuga, la mayoría de las flores, y algunos productos de vivero. Las frutas y vegetales que producen cantidades significativas de etileno son: manzanas, aguacates, bananas, melones cantalupes, melones gota de miel, melocotones, peras, ciruelas y tomates. Los productos que deben retener su color verde durante el tránsito, tales como el banano, pepinos y ajíes, no deben transportarse conjuntamente con los

productos con alto contenido de etileno.

La producción de etileno es menos

pronunciada a temperaturas cerca de los niveles de congelación que a temperaturas más altas. Al cambiar periódicamente el aire del contenedor abriendo las puertas respiradoras se ayuda a reducir la acumulación de etileno. Además, hay limpiadores de etileno disponibles comercialmente. Es necesario evitar que se mezclen los productos que despiden olores con los que los absorben. Los olores despedidos por las manzanas, cítricos, cebollas, piñas y pescados son absorbidos fácilmente por los productos lácteos, huevos, carnes y nueces. Algunos productos, tales como las manzanas, son capaces tanto de generar como de recibir olores. Las combinaciones que deben evitarse son manzanas o peras con apio, repollo, zanahorias, papas o cebollas; apio con cebollas o zanahorias; y frutas cítricas con cualquier vegetal de mucho olor. Las manzanas y peras pueden adquirir un sabor y olor a tierra al ser transportados conjuntamente con papas. 3.1.9 Duración del Período de Tránsito El tiempo durante el cual un producto estará en tránsito afectará las decisiones respecto a la carga. Por ejemplo, se puede utilizar un patrón de carga más densa para una carga de noche, que una que vaya a durar varios días en el calor del dia En el transporte marítimo con períodos de tránsito de dos semanas o más, es esencial cumplir con todos los requisitos de tránsito recomendados para cada producto para asegurar que el mismo tenga el máximo tiempo de durabilidad antes de ser vendido. 3.2 Requerimientos de refrigeracion Individuales de Cada Producto 3.2.1 Frutas y Vegetales Frescos La calidad y tiempo de durabilidad antes de que se venda el producto en el destino depende en gran parte de que se proporcionen las condiciones recomendadas para el transporte. Tome las decisiones relacionadas con los ajustes de termostato sobre la base de cada carga, tomando en cuenta las características de operación de los

contenedores individuales, la temperatura al cargar el producto, y la temperatura de tránsito deseada para el producto cargado. Es esencial tener mucho cuidado al determinar el punto de ajuste del termostato para los productos frescos o enfriados que son transportados a temperaturas cerca de su punto de congelación. Podría ocasionarse mucho daño por congelación o enfriamiento, sobre todo en la capa superior de la carga. Esto se debe a que el aire que sale de la unidad de refrigeración puede tener una temperatura varios grados por debajo del punto de ajuste del termostato para mantener un diferencial de enfriamiento respecto al aire de retorno. Por ejemplo, si la temperatura de transporte deseada de un producto es 0º C (32º F) y el punto de congelación es –0.1º C (31.8º F), entonces es probable que el ajuste del termostato oscile entre 1.1º a 2.2º C para evitar que el producto se congele. 3.2.2.Productos Lácteos Mantequilla y Margarina Temperatura de tránsito deseada: Mantequilla (fresca), 4ºC Mantequilla (congelada), –23ºC Margarina, 2ºC Humedad relativa deseada: Mantequilla, 75-85 % Margarina, 60 a 70 % La mantequilla y la margarina generalmente se transportan desde un almácen frío y en el momento de cargar están a la temperatura de tránsito deseada. Se empacan en cajas de conglomerado que ofrecen algún tipo de aislamiento y permiten que el producto sea expuesto a temperaturas ambientales durante períodos cortos durante la carga y descarga, sin el riesgo de sufrir daños graves. Sin embargo, durante el transporte los productos deben ser refrigerados para evitar que se ablanden y deteriore la calidad.Tanto la mantequilla como la margarina absorben los olores muy fácilmente. Los camiones o contenedores que hayan sido utilizados para transportar productos olorosos, tales como pescado, repollo o cebollas, deben limpiarse y ventilarse bien antes de ser colocada la carga de mantequilla o margarina.

Métodos de carga recomendados: Cajas de conglomerado—Las cajas se colocan transversalmente o a lo largo con los fondos de cara a las paletas o al piso del camión. Si los productos están a la temperatura de tránsito deseada al momento de ser cargados, las cajas se apilan lo más ajustadamente posible para retener la temperatura. En climas calurosos, es importante evitar que el calor que pasa por las paredes y el piso derrita el producto. Paraevitar esto, es necesario tener espacio para que el aire refrigerado circule alrededor del perímetro de la carga. Algunos vehículos están equipados con pisos de canales profundos, y con paredes con costillas precisamente para ésto. Si este no es el caso, se deben adherir separadores verticalmente a las paredes internas para tener un espacio entre el producto y las paredes. Para las cargas apiladas a mano se coloca la paleta sobre el piso con los soportes a lo largo, para permitir que el aire circule por debajo de la carga. Quesos Temperatura de tránsito deseada: 2 a 4ºC Humedad relativa deseada del 65 al 70 % Punto de congelación más alto: Varía según variedad. Además, la congelación puede ocasionar cambios en la textura. Hay que proteger los quesos tanto del calor como del frio. La mayoría de los quesos tienden a sudar el aceite a temperaturas de 20ºC (68ºF) o más. Durante el proceso la grasa se escapa del cuerpo y el queso se pone rancio. Por otro lado, hay algunos quesos que al ser colocados a temperaturas de congelación sufren cambios en la textura que quizás no acepten los consumidores. Como norma general, no se debe almacenar el queso a temperaturas por debajo de –1ºC o por encima de 10ºC . Helados Condiciones de transporte recomendadas: Temperatura de tránsito deseada: -29º a -26ºC (-20º a -15ºF) Para mantener una calidad óptima, los helados deben mantenerse a la temperatura de tránsito deseada o de almacenamiento.

Además es muy importante que se mantenga constante la temperatura de los helados durante la carga y descarga. Las temperaturas que fluctúan hacen que los cristales de hielo en el helado aumenten en tamaño. Si la temperatura fluctúa con frecuencia, el tamaño de los cristales aumentará a tal nivel, que el producto ya no será aceptable al consumidor. Los camiones que se utilizan para transportar helados deben ser construidos específicamente para esos fines, o bien cumplir con los requisitos para equipos combinados de congelación rápida. 3.2.3 Carne Fresca y Curada y Mariscos Frescos Los productos cárnicos son altamente perecederos, y una de las causas principales del deterioro es el desarrollo de microorganismos inherentes en la mayoría de los canales. Es preciso contar con una refrigeración adecuada para retardar el crecimiento de estos microorganismos y conservar la apariencia física fresca de los productos. La deshidratación también afecta la apariencia y la posibilidad de comercializar la carne fresca. La Tabla que se presenta, muestra “ las temperaturas y humedades recomendadas para transportar algunas carnes y mariscos frescos, así como carnes procesadas”. Las carnes frescas absorben fácilmente los olores y por tanto no deben ser transportadas en vehículos que retengan olores fuertes de los residuos de otros productos. La carne no debe transportarse en cargas mixtas, conjuntamente con productos que produzcan olores fuertes, tales como pescados, manzanas o cebollas. Carnes en Cajas En los Estados Unidos casi todos los canales se parten en cortes adecuados para la venta al por mayor o al detalle, empacados en películas plásticas, y colocados en cajas de conglomerado antes de ser transportados. La mayoría de los cortes de res para la venta al por mayor se empacan al vacío en películas plásticas. Si no se empacan al vacío,casi siempre los cortes se envuelven individualmente antes de

ser colocados en cajas con un forro plástico en forma de bolsa que se coloca dentro de las mismas. Los materiales de empaque reducen en gran medida la posibilidad de contaminación por microbios y la deshidratación de la carne durante el transporte. Sin embargo, el efecto aislador de las cajas y de la película plástica del empaque requiere que la carne se mantenga a la temperatura de tránsito deseada en el momento de empaque y carga. Es difícil que el sistema de refrigeración del camión elimine el calor que le queda a la carne como producto del aislamiento del empaque. Los materiales de empaque reducen en gran medida la posibilidad de contaminación por microbios y la deshidratación de la carne durante el transporte. Sin embargo, el efecto aislador de las cajas y de la película plástica del empaque requiere que la carne se mantenga a la temperatura de tránsito deseada en el momento de empaque y carga. Es difícil que el sistema de refrigeración del camión elimine el calor que le queda a la carne como producto del aislamiento del empaque. Métodos de carga recomendados: Cajas de conglomerado—Debido a que la carne no produce calor por respiración, las cajas se apilan en forma ajustada siempre y cuando la carne esté a la temperatura de tránsito correcta al ser cargada. En este caso se aplica el mismo principio que en el caso de los alimentos congelados. Se debe mantener una capa de aire frío circulando alrededor de la carga para absorber el calor que penetra por las paredes y el piso del contenedor. Si el contenedor no tiene paredes con costillas, en climas calurosos se deben colocar las cajas siguiendo el patrón cruzado para balancear la carga, para reducir el contacto de la carga con las paredes. Se debe utilizar un contenedor con pisos que tengan canales profundos, o tener paletas o rejillas colocadas sobre el piso con un espacio de 5 cm. o más para que el aire circule debajo de la carga.

En los camiones con sistemas de aire desde arriba, se deja un espacio de 10 cm entre la carga y las puertas traseras para garantizar una circulación de aire adecuada. Las cajas paletizadas se colocan en el centro Temperaturas y Humedades Recomendadas para la Protección de una Selección de Carnes Frescas, Curadas y Procesadas y Productos Mariscos Durantel Tránsito. (del Manual ASHRAE - Refrigeration)

Canal Entero Quizás los canales no están protegidos con envolturas en cuyo caso se deben tomar precauciones adicionales para proteger los canales de cualquier contaminación adicional causada por la manipulación y falta de higiene, sucio y olores fuertes. El interior del contenedor debe estar construido o revestido de materiales previamente aprobados por la autoridad competente. Todas las areas internas del camión tienen que mantenerse en buenas condiciones. Cualquier ruptura en las paredes o en el piso puede alojar sucio y además son difíciles de mantener limpios. Se debe reemplazar cualquier junta de las puertas o cualquier rejilla de desague que esté dañada para evitar que el contenedor absorba sucio mientras estéen tránsido. Los ganchos y rieles deben mantenerse limpios y libres de cualquier óxido que podría entrar en contacto con los canales. Antes de colocar la carga, es necesario limpiar e inspeccionar los contenedores, las paletas y los ganchos donde se colocan los canales para ser transportados. El agua que se utiliza para lavar debe tener una temperatura de por lo menos 82ºC para reducir la cantidad de microorganismos presentes y disolver las partículas de grasa que se adhieren a las superficies internas. En climas calurosos es necesario preenfriar los camiones que transportan los canales antes de colocar los mismos para evitar que la humedad se condense sobre los canales fríos ya que éstos vienen de un almácen frío. La condensación crea condiciones favorables para que se desarrollen microorganismos que forman líquidos viscosos en la carne. En climas calurosos la humedad también tiende a condensarse sobre los canales fríos cuando se abren las puertas para hacer entregas en ruta. Si es posible, sólo se debe cargar y descarga en áreas refrigeradas. Métodos de carga recomendados: Hay muchos métodos para colocar los canales en los camiones. Generalmente los trozos de cuartos de res se cuelgan con ganchos de metal en rieles elevados.

Los delanteros se cuelgan con ganchos largos insertados por la parte interna de la cavidad de las costillas, generalmente entre la cuarta y quinta costillas alrededor de 11 pulgadas de la espina dorsal, de manera que los trozos de cuartos se equilibren y cuelguen derecho. El cuarto trasero se cuelga con ganchos cortos, insertándose el gancho por la abertura en el jarrete de la espinilla. La figura muestra una carga de canales colgando.

Algunas veces, los canales tanto frescos como congelados se cargan apilados como leña, sobre el piso del camión o sobre paletas que a su vez son colocadas en el camión. En este caso se coloca papel de envoltura limpio o películas plásticas aprobadas entre el piso del camión o la base de la paleta y la carne, y también entre la carne y las paredes del camión. Alimentos Congelados Los alimentos congelados deben mantenerse a temperaturas de -18ºC (0ºF) o menor desde el momento en que se congelan hasta que estén listos para el consumo. Las temperaturas fluctuantes durante la distribución disminuyen la calidad comercial de los alimentoscongelados. Si se vuelven a enfriar los alimentos congelados al punto de ajuste del termostato después de haber aumentado la temperatura, aunque sea mínimamente, la humedad saldrá del producto hacia las áreas más frías de los materiales de empaque.

Esto causa la deshidratación del producto y la acumulación indeseable de escarcha dentro de los paquetes. Los niveles de pérdida en la calidad del producto aumentará dependiendo del nivel de la temperatura y las veces que se tiene que volver a enfriar. Los alimentos congelados se descongelan en temperaturas de –9º y 0ºC (15º y 32ºF). Aunque los cambios no se reconocen tan fácilmente, incluso a temperaturas tan bajas como -18ºC (0ºF), los alimentos congelados se deterioran por oxidación de grasa y cambios enzimáticos. Ciertos

microorganismos

también

pueden

aparecer

a

temperaturas

de

aproximadamente –7ºC (20ÄF) y más, aumentando el nivel de deterioro y contaminación del alimento. Mientras más alta la temperatura, mayor el nivel de deterioro.Es importante asegurar que los camiones que transportan los alimentos congelados estén · limpios y libres de cualquier sucio, desperdicio, olores o cualquier substancia que pueda contaminar los alimentos; construidos, equipados y con aislamiento, así como una capacidad de refrigeración adecuada y un sistema de entrega de aire que permita mantener continuamente la temperatura del producto a –18ºC (0ºF) o menos. En climas calurosos es necesario programar el tiempo adecuado para el preenfriamiento. Las cajas de alimentos congelados se colocan en bloques sólidos, para evitar que entren en contacto con las paredes. Es necesario que el aire refrigerado a temperatura de menos de –18ºC . circule alrededor de toda la carga para evitar que el calor pase del contenedor a los productos congelados. Si hay canales en los pisos, rejillas colocados sobre el piso o paletas con una profundidad de aproximadamente 6 cm. el aire puede circular mejor debajo de la carga.Debe haber un espacio de por lo menos 4 pulgadas (10 cm.) entre la carga y las puertas traseras para permitir que el aire circule libremente detrás de la carga. En el caso de contenedores que no tienen paredes con costillas, se colocan tiras verticales (de 1 pulgada o más de espesor) en las paredes laterales para facilitar la circulación del aire entre las paredes y la carga. Se deja un espacio de por lo

menos 25 cm entre el techo y la parte superior de la carga para que el aire pueda circular por encima de la carga sin ningún tipo de obstrucción. Muchos alimentos congelados se transportan sobre paletas o protectores. La carga paletizada se coloca en el centro La carga debe estar apuntalada o en forma de bloque para que el producto no se caiga contra las paredes. En caso de requerir refrigeración suplementaria o de emergencia para una carga de alimentos congelados, se debe colocar bióxido de carbóno sólido (CO2) sobre la carga, en forma de hielo seco o nieve. Se deben mantener los ventiladores funcionando a una velocidad baja paradistribuir el aire de forma uniforme alrededor de la carga. 3.2.4 Aves y Huevos . Condiciones de transporte recomendadas: Temperaturas de tránsito deseadas: Enfriamiento, 0º a 1ºC (32º a 34ºF) Enfriamiento rápido, -2º a –1 ÄC Humedad relativa deseada: 90 a 95 % Punto de congelación promedio: -3ºC Hay dos métodos que se utilizan para transportar las aves frescas: enfriamiento y enfriamiento rápido. Después de preparar las aves, se enfrían a temperaturas de 4ºC (40ºF) o menos. Luego pueden ser colocadas en recipientes, cajones o cajas plasticas, con o sin hielo, para ser transportadas, para cualquier procesamiento adicional, o para la venta inmediata al detal. Las aves enfriadas tienen un período de durabilidad antes de la venta relativamente corta, de más o menos una semana, como máximo. Con el sistema de enfriamiento rápido, las aves tienen un período de duración antes de ser comercializadas de varias semanas si se colocan en temperaturas por debajo de 0ºc (32ºF) al poco rato de ser sacrificadas. Las temperaturas bajas garantizan una contracción de células y sale menos líquido de los tejidos. Con el sistema de enfriamiento rápido, la mayoría de las aves se dividen en cortes para la venta al detal y son empacadas en bandejas de espuma cubiertas con películas plásticas a prueba de vapores.

Si las aves están inicialmente en buenas condiciones, se puede aumentar el período de duración antes de ser comercializadas mediante el empaque al vacío y chorros de gas. Métodos de carga recomendados: Paletas—La mayoría de las aves se empacan en cajas de conglomerado que son colocadas sobre paletas para el transporte. Al momento de colocar la ave, ésta debe estar a temperatura deseada. Las cajas deben estar bien sujetadas a las paletas con correas o películas plásticas para evitar que tambaleen. Las paletas se colocan en el centro alejadas de las paredes. Huevos con Cáscaras Condiciones de transporte recomendadas: Temperatura de tránsito deseada: 4º a 7ºC Humedad relativa deseada del 80 al 85 % Punto de congelación más alto: -0.2ºC Los huevos con cáscaras son frágiles y altamente perecederos. Aunque no se aprecia desde afuera, la calidad de los huevos se deteriora rápidamente cuando están en condiciones ambientales inadecuadas. El camión o contenedor debe estar totalmente limpio y preenfriado a una temperatura de por lo menos 7ºC antes de colocar los huevos. Debido a que los huevos absorben los olores, es necesario asegurar que el vehículo esté libre de cualquier olor residual. Los huevos no se deben transportar en cargas mixtas, especialmente si son cítricos, cebollas o papas. Debido a que son tan perecederos y por el efecto de aislamiento que tienen las cajas y cartones de conglomerado en los cuales se transportan, es necesario preenfriar los huevos a la temperatura de tránsito deseada antes de colocarlos en la carga.Además, debido a que las cajas se apilan de forma ajustada y pueden estar sujetadas sobre las paletas con películas plásticas o correas existe muy poco o básicamente ninguna circulación de aire frio en la carga. Hay una ley pendiente que obligará a que los huevos destinados al mercado del consumidor sean preenfriados a temperaturas de por lo menos 7ºC antes de ser colocados en

la carga y tendrán que ser mantenidos a esta temperatura por lo menos mientras estén en tránsido. Los reglamentos relacionados con el transporte de productos alimenticios provienen primordialmente de los auspicios del USDA y la Administración de Alimentos y Medicamentos, FDA, según sus siglas en Ingles (Food and Drug Administration). El FSIS tiene como primera responsabilidad los reglamentos relacionados con la seguridad de los productos cárnicos y avícolas durante el proceso de sacrificio, procesamiento y distribución, y la FDA cubre todos los demás productos alimenticios. Para Colombia el ministerio de salud a través del INVIMA.

Ejercicios de aplicación (4 ) Ejemplos del Cálculo de Refrigeración Requerida:Supongamos que un contenedor está cargado de ciruelas en cajas de conglomerado de 30 libras: Carga = 1,200 cajas Peso neto de frutas = 30 libras por caja Libras en total = 36,000 libras en total (18 toneladas) Peso neto de cajas = 2 libras cada una Libras en total = 2,400 libras en total Calor especifico de fruta =0.88 Btu/libra/ºF Calor específico de caja = 0.44 Btu/libraºF2 1. La refrigeración necesaria para eliminar el calor de campo que quede en una carga: Suposiciones: Temperatura al cargar = T1 = 52ºF Temperatura de tránsito deseada = T2 = 32ºF Diferencial de temperatura = T1 – T2 = DT = 52º - 32º = 20º Entonces, Calor de campo (H1) = P x Ca.es. x DT Hf producto = 36,000 libras x 0.88 x 20º = 633,600 Btu Hf cajas = 2,400 libras x 0.40 x 20º = 19,200 Btu Total del calor de campo = 633,600 + 19,200 = 652,800 Btu 2. Refrigeración requerida en tránsito por el calor de respiración: Suposiciones: Si la temperatura al cargar = 52º y la temperatura al llegar = 32ºF. Entonces, Temperatura promedio del producto durante el tránsito = 40ºF. Tiempo de tránsito = 3 días. Entonces,

Calor de respiración (Hr) = Tasa de respiración a la temperatura promedio en tránsito3 x tiempo (días) x P (toneladas). Hr = 1,450 x 3 x 18 = 73,300 Btu 1 Este cálculo no toma en cuenta los siguientes factores: (1) la cantidad de refrigeración necesaria para pre-enfriar el cuerpo del vehículo; (2) el aire dentrodel vehículo; y (3) la refrigeración necesaria para compensar la filtración del aire alrededor de las puertas y otros lugares en el cuerpo. 2 Esta cifra se aproxima al calor específica de la mayoría de los envases de madera y de conglomerado. 3. Refrigeración necesaria para la filtración del calor por el cuerpo del contenedor: Suposiciones: Un contenedor de 48 pies con factor Ua = 140 Btu/ºF/hora Temperatura promedio del aire externo = T1 = 75ºF Ajuste de termostato = T2 – 34ºF Diferencial de temperatura = DT = T1 – T2 = 75ºF – 34ºF = 41ºF así que, Filtración de calor (H1) = Ua x DT (promedio aire externo – ajuste del termostato) x tiempo (horas) = Btu Hl = 140 x 41 x 72 = 413,280 Btu 4. Para saber el número total de Btus que la refrigeración debe eliminar en 3 días: Hf + Hr + H l = 652,800 + 78,300 + 413,280 = 1,144,380 Btu 5. Para determinar la cantidad de refrigeración o refrigerante que se necesite: Capacidad mecánica necesaria = 1,144,380 Btu / 72 horas = 15,894 Btu hora. Hielo = total de libras necesarias para viaje de 3 días = 1,144,380 Btu / 1445 = 7,947 libras

Nitrógeno líquido (N2) = total de libras necesarias para viaje de 3 días = 1,144,380 Btu / 1756 = 6,539 libras Notas. Para los productos con una temperatura de tránsito deseada cerca de 32ºF (0ºC), se debe ajustar el termostato varios grados más alto para disminuir la posibilidad de daños por congelación - Una libra de hielo absorbe 144 Btus de calor. - Una libra de nitrógeno líquido absorbe aproximadamente 175 Btus de calor a temperaturas más altas de 32ºF.

Fuentes Documentales

-

Leal A. Jaime Alberto. Refrigeración aplicada a la industria de alimentos. UNISUR. 1995.

COLFRIGOS, C.D. ‘’ Naturaleza viva’’. Multimedia. www.uco.es software aplicado. Anexo 2 www.carburos.com Gases, refrigeración, congelación atmosferas modificadas. Calculos de frio ON Line www.fao.org

Organización de las naciones unidad para la agricultura y la

alimentación . Documentación y cursos sobre el tema. www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/ Curso de procesamiento de alimentos .Capitulo VIII. Refrigeración y congelación Tutorial Libre. www.ott.ucv.cl/envases. Envases y empaques. Atmasferas Modificadas. www.asohofrucol.com Frutas y hortalizas Frescas. http://rpaulsingh.com . Pagina profesor Paul Sing. Operaciones de la ingenieria de alimentos. Propiedades Fisicas de alimentos http://agrofrio.tripod.com Refrigeración Aplicada a productos perecederos. http://cci.org.co Corporación Colombia Internacional Manual exportador de frutas y hortalizas y tuberculos 2005. Logistica comercial internacional

Anexos 1. Indice General de Consulta. Multimedia COLFRIGOS - Naturaleza viva. La información contenida en este CD-ROM, puede ser utilizada en su totalidad citando la fuente: Multimedia Colfrigos - Naturaleza viva. ¤ Presentación General. • Nuestra Empresa. (Colfrigos). • Historia. • Nuestros Servicios. • Almacenamiento en congelación.• Almacenamiento en refrigeración. • Congelación rápida.• Cavas de maduración.• Laboratorio de control de calidad. • Servicios complementarios. • Auditoria de almacenamiento.• Cargue y descargue. • Sistematización de inventarios Pesaje. • Clasificación y reempaque. • Inventarios físicos. • Protección con película plástica. • Introducción. • Generalidades. • Historia. • Conceptos Básicos. • Calor. Específico. Latente. Sensible. Vapor y presión de vapor. Termodinámica. Entalpía. Entropía. Sistemas termodinámicos. Estados de la materia. Sustancia pura. Demostración. Moléculas y movimiento. • El Agua. • El agua en los alimentos. • Clasificación. • Agua libre. • Agua ligada. • Agua de hidratación. • Procesos de cristalización.

• Núcleos de cristalización. • Tipos de cristales. • Cristalización en una solución. • Generación de frío. • Ciclos de refrigeración. • Ciclo simple. • Ciclo doble. • Fluidos refrigerantes. • Condiciones de una instalación frigorífica o cuarto frío. • Equipos. • Cámaras. • Accesorios. • Congelación. • Proceso de congelación. • Velocidad de congelación. • Congelación rápida. • Congelación lenta. • Diferencias. • Efectos. • Clasificación de los alimentos según sensibilidad a bajas temperaturas. • Alimentos insensibles. • Alimentos semisensibles. • Alimentos exigentes. • Alimentos sensibles. • Equipos y métodos de congelación. • Normas de almacenamiento. • Calidad de los productos refrigerados o congelados. • TTT. • PPP. • Descongelación. • Recristalización.

• Microbiología. • Diagrama. • Beneficios. • Refrigeración. • Temperatura. • Humedad relativa. • Productos almacenados. • Beneficios. • Vida útil de los alimentos en frío. • Empaques. • Funciones. • Propiedades. • Clasificación. • El empaque en congelación. • Clases. • Características. • Almacenamiento de flores cortadas. • Pescados y productos pesqueros. • Composición y características biológicas. • Métodos de conservación de pescados. • Congelación. • Empaques. • Almacenamiento. • Tabla. • Aspectos de calidad.

• Frutas y hortalizas. • Generalidades. • Respiración. • Definición. • Factores que afectan la respiración. • Clasificación según la respiración. • Conservación de frutas y hortalizas. • Preenfriamiento. • Técnicas. • Temperatura / Tiempo. • Recomendaciones. • Almacenamiento en refrigeración. • Condiciones. • Alteraciones por frío. • Almacenamiento en atmósferas modificadas y controladas. • Ventajas. • Desventajas. • Método para creación de AM. • Recomendaciones uso AM y AC. • Consideraciones - cuartos AC. • Generadores de atmósferas. • Congelación de frutas y hortalizas. • Disposición y preparación tecnológica de las materias primas vegetales. • Clasificación. • Calibrado. • Limpieza. • Lavado. • Escaldado. • Adición de azúcar.

• Troceado. • Ejemplos de congelación de frutas. • Líneas congeladoras de fresas al granel. • Líneas para fresas con azúcar. • Ejemplos de congelación de verduras. • Carnes. • Generalidades. • Cristalización de agua en tejido muscular. • Velocidad y tiempos de congelación. • Refrigeración y conservación de canales. • Conservación del cerdo. • Conservación de productos varios de la carne. • Carnes tratadas. • Empaque y almacenamiento. • Empaque al vacío. • Efecto de congelación sobre calidad de la carne. • Procedimientos industriales de descongelación. • Aves. • Refrigeración. • Congelación. • Almacenamiento y conservación. • Empaques. • Descongelación y consumo. • Efectos de la mala conservación. • Créditos. • Bibliografía. • Glosario.

2. WREFRIG0.zip. Programa que permite calcular una carga frigorífica dada y determinar la posterior elección del equipo frigorífico necesario para dicha carga. Cuenta con un ejemplo completo que permite al usuario familiarizarse con el empleo del software. (Archivo Setup.exe) para Windows 98. Tamaño: 609 kb. Idioma: Castellano. El programa se encuentra incluido en el libro "Cámaras frigoríficas" de Angel Luis Miranda Barreras y Mariano Monleón Campos. REFRIG0.zip. Cálculo de "Cargas frigoríficas". Versión Dos. Tamaño 80kb. Idioma: Castellano. Procedencia: Libro de Angel Luis Miranda Barreras y Mariano Monleón Campos. CAMARA0.zip. Cálculo de necesidades térmicas en cámaras frigoríficas. Programa para DOS. Tamaño 52 kb. Idioma: Castellano. Procedencia: Universidad Politécnica de Cataluña.CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DE LOS REFRIGERANTES REFRIGE0.zip. Cálculo de propiedades termodinámicas R-12, R-22, R-502. Versión DOS, Tamaño 30kb. Idioma: Castellano. KLEACAL0.zip. Programa de cálculo que ICI ha diseñado para comprender mejor la gama de nuevos refrigerantes desarrollados. Han puesto un particular énfasis en los refrigerantes R-134a, R-32 y R-125; R-407A y R-407B que son sustitutos de R-502 y R-407C que sustituye al R-22. Klea Calc contiene módulos de cálculo e información

sobre

estos

productos.

Utilizando

modelos

termodinámicos

desarrollados por ICI es posible predecir las propiedades termofísicas, el rendimiento teórico de los ciclos y el comportamiento de los refrigerantes durante el almacenaje y en los escenarios de carga de líquido. Así mismo dentro de los módulos del Programa Kleacalc se incluye el cálculo de un ciclo teórico con el uso de nuevos refrigerantes y la comparación de estos con

los tradicionales CFC y HCFC. Versión DOS, Tamaño 882kb. Idioma: Castellano. Procedencia: ICIÁLCULO DEICLOS DE REFRIGERACIÓN CICLO0.zip Obtención de parámetros característicos en ciclos de R-12, R-22, R502. DOS. Tamaño 30 kb. Idioma: Castellano. Universidad Politécnica de Cataluña.CÁLCULO

DE

LAS

TUBERÍAS

DE

DISTRIBUCIÓN

DEL

REFRIGERANTE TUBERIA0.zip Obtención del diámetro de las tuberías de aspiración, descarga y líquido. Versión DOS. Tamaño: 33 kb. Idioma: Castellano.CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DEL AIRE HÚMEDO PSICRO-0.zip Calcula propiedades del aire húmedo según las ecuaciones de ASHRAE. Versión DOS. Tamaño: 32 kb. Idioma: Castellano.