Clase digital 10. Desarrollo de la industria congeladora aspectos termodinámicos de la congelación cálculo de tiempo de congelación

Desarrollo de la industria congeladora aspectos termodinámicos de la congelación cálculo de tiempo de congelación

Introducción

¡Hola!

¡Que bueno es encontrarte nuevamente! Eso indica tu gran dedicación y tenacidad. Te doy la bienvenida a la penúltima clase digital del curso, te felicito por llegar hasta este punto y te exhorto a que sigas en este proceso formativo, pues prácticamente falta poco para completarlo. 

En esta clase aprenderás que la congelación es un proceso en el cual la temperatura de los productos se mantiene por debajo de 0°C. En esta sesión se revisarán los aspectos termodinámicos del proceso de congelación mediante la explicación de la curva de congelación para los productos. 

Se describirán los procesos por los cuales pasa el producto antes de ser congelado. Como parte de los principios empleados en la congelación, la cantidad de agua presente en los productos juega un papel muy importante, ya que es gracias a la cantidad de agua en el producto, que a temperaturas inferiores a 0°C, se empiezan a formar cristales. Es necesario recordar también que, en la congelación, se evita la proliferación de bacterias, ya que se ha demostrado que éstas no presentan crecimiento a temperaturas inferiores a -18°C, las cuales son ciertamente valores para el proceso de congelación. 

Se revisará también la velocidad de congelación para productos ya que es precisamente este parámetro uno de los que definen en gran medida la calidad de los productos. Se describirán los dos tipos de congelación que existen y las ventajas de cada uno de ellos También los tiempos de congelación, la temperatura de equilibrio, modificaciones de los alimentos mediante la congelación, entre otros. Es así que, para esta sesión, la información acerca de la congelación debe ser  bien entendida, ya que como puedes darte cuenta, este proceso es de los más importantes junto con la refrigeración para la conservación de alimentos de buena calidad. 

¿Interesante no crees? ¡Pues comencemos!

Desarrollo del tema

Desarrollo de la industria congeladora

Durante miles de años el hombre advirtió las propiedades del frío para la conservación de los alimentos. Se sabía que retardaba o evitaba su descomposición, y que prolongaba por lo tanto la posibilidad de su uso. Pero se veía incapaz de hacer cosa alguna en consecuencia con aquel conocimiento. A lo máximo que se llegó en la Antigüedad fue a enterrar víveres y vitualla en pozos de nieve, en cuevas o en los llamados vasii nivarii por lo romanos, es decir: vasos de nieve que conservaban durante algún tiempo alimentos exquisitos perecederos. 

El primer uso documentado del hielo y de los procedimientos de congelación con fin similar al del congelador actual, se dio ya en la vieja ciudad caldea de Ur, hace cuatro mil años. Existía allí una serie de pozos de hielo para la conservación de alimentos, en un clima como el del Irak actual. De estos pueblos medio-orientales aprendieron los griegos a degustar el hielo en forma de helados, e introdujeron el uso de pozos de nieve, cuya vida prolongaba mediante el recubrimiento con gruesas capas de paja de aquellos agujeros practicados en la parte trasera de sus casas. 

Alejandro Magno había ordenado a sus cocineros que aprendieran y retuvieran luego las técnicas de elaboración de helados y conservación del hielo. Sin embargo, los egipcios nunca utilizaron aquel procedimiento, a pesar de que los reposteros del faraón no ignoraban las técnicas del helado, manjar y golosina muy apetecidos. Se sabe que el hielo era utilizado en la China del siglo IV: sus emperadores ya almacenaban entonces miles de bloques de hielo que luego troceaban, según las necesidades, especialmente para la elaboración de sorbetes y helados que aquel pueblo ya degustaba. 

Siglos antes, los romanos hacían acopio de hielo y nieve, que introducían en los vasos nivarios. Pero en ningún caso recurrió el Mundo Antiguo a procedimientos extraordinarios, para reproducir los efectos del hielo o de la nieve. Uno de los primeros experimentos en este campo parece que fue el llevado a cabo por un científico inglés del siglo XVII: Francis Bacon, no consiguió lo que se proponía, sino tan sólo coger un gran resfriado, del que murió. 

Más tarde, en 1755, el escocés William Cullen obtuvo algo de hielo utilizando en el proceso vapor de agua, aplicando todo su experimento a las técnicas del vacío. El proceso de congelación se aceleraba añadiendo ácido sulfúrico. Pero era un mero experimento de laboratorio cuyos resultados no encontraban aplicación práctica. Esto no sucedería hasta entrado el siglo XIX, con los hermanos Edmundo y Fernando Carré, y su máquina para refrigerar jarras. Aquel invento se patentó en 1859. Era un aparato productor de frío por absorción. 

Pero los avances en la industria de la congelación no deben olvidar al médico norteamericano, John Gorrie, quien en 1844 había creado una máquina frigorífica por aire, utilizando el principio de la expansión de este elemento, principio conocido ya en el siglo XVIII. Gorrie, que ejercía la medicina en Florida, se proponía aliviar del agobiante calor a sus enfermos. Pero aquella acción humanitaria suya le costó cara, ya que cierta sociedad protestante le acusó de haber querido competir con Dios en lo de hacer hielo a su antojo.

Un paso más hacia el descubrimiento del congelador lo dio en 1872 el norteamericano David Boyle, utilizando amoniaco en el proceso del frío por compresor. Su sistema fue perfeccionado por el alemán Karl von Linde y su famosa máquina enfriadora, en 1876, el mismo año que el físico suizo Raoul Pictet realizaba en Londres congelaciones de pistas de patinaje sobre hielo artificial para los primeros juegos de esa naturaleza en la historia. 

Ya en nuestro tiempo, tras la Primera Guerra Mundial, Clarence Birdseye, que había viajado por el norte de los Estados Unidos y la Península del Labrador, descubrió que la clave de la preservación de alimentos perecederos, como la carne o el pescado, estaba en la congelación rápida. De vuelta en Londres, hacia 1923, experimentó con carne de conejo en su cocina, y más tarde en una planta de refrigeración de Nueva Jersey. Su método era comprimir los alimentos empaquetados entre placas congeladoras, sistema que todavía se ha utilizado en fechas muy recientes, aunque hoy se utiliza la congelación por ráfagas en túneles de viento. Desde la invención de los congeladores, estos elementos han ido evolucionando aunque siempre han dependido de la evolución de los refrigerantes.

En los años noventa, los refrigeradores y congeladores incorporan sensores y paneles eléctricos de control de temperatura. A principios del siglo XXI aparece la primera nevera con conexión a Internet, que permite controlar su contenido desde cualquier terminal de ordenador. Uno de los últimos avances tecnológicos pasa porque el refrigerador y/ó congelador pueda hacer recuento de las provisiones almacenadas en su interior y encargar su repuesto a cualquier supermercado online.

Aspectos termodinámicos de la congelación

La congelación es el proceso en el cual los alimentos presentan formación de cristales debido a las temperaturas por debajo de 0°C a las cuales se mantienen. Al congelar los alimentos se contribuye que las bacterias no proliferen debido a las bajas temperaturas que se manejan en este proceso. A medida que la temperatura baja en el alimento, se produce una desecación del mismo, lo cual está asociado a una mejor conservación. A nivel mundial, la temperatura a la cual se considera que existe congelación está graduado en -18°C (0°F). Una ventaja que presenta el proceso de congelación es que, después de este, los alimentos consideran su sabor y no pierden propiedades naturales como lo es el olor, la consistencia, la textura, entre otras.

Cuando se lleva a cabo la congelación, no toda el agua presente en el alimento se cristaliza. Los alimentos tienen una fracción de agua no cristalizable la cual se denomina agua ligada y representa entre el 5 y 10% de la masa total del agua contenida en el alimento.

El resto del agua (cuyo nombre es agua no ligada o libre) se encuentra en forma de geles en los espacios intercelulares del producto cuya retención depende en gran medida del nivel de pH y las fuerzas iónicas de cada alimento. Durante el proceso de congelación, el agua no ligada es removida de su posición original y convertida en hielo siendo este proceso revertido durante la descongelación ocasionando la generación de exudado. La Figura 1 muestra un producto congelado con formación de cristales.

Curva de congelación

Cuando se trata de congelar alimentos, el proceso es diferente al que se lleva a cabo cuando solo es agua la que está tratando por este proceso, lo anterior debido a que los primeros contienen solutos disueltos además del agua. Es así que, para monitorear el proceso de congelación en alimentos existe una curva de congelación que muestra la evolución de la temperatura con el tiempo durante este proceso. La Figura 2 muestra la curva de congelación típica de un alimento.

Las etapas en las cuales se lleva a cabo el proceso de acuerdo a la Imagen 2 son seis y éstas se describen en la

Tabla 1. Descripción de las etapas en curva de congelación.

La formación de cristales durante el proceso de congelación de un alimento comprende dos etapas: nucleación y crecimiento de cristales. Si el subenfriamiento es lo suficiente, se genera la cristalización del hielo. 

La nucleación es la combinación de moléculas dentro de una partícula ordenada de tamaño suficiente para sobrevivir. En este proceso, la remoción de calor debido al cambio de fase constituye un mecanismo determinante en el crecimiento de los cristales. Cada alimento tiene características diferentes, por lo que la remoción del calor se lleva a cabo a velocidades diferentes.

Velocidad de congelación

Debido a que la velocidad de congelación depende mucho del tipo de alimento o producto a congelar, es importante mencionar que, en general existen dos tipos de congelación: Lenta y Rápida. La congelación lenta se produce cuando la cristalización aumenta la concentración local de los solutos, lo que provoca, por ósmosis, la deshidratación progresiva de las células. En este tipo de congelación, se forman grandes cristales de hielo aumentando los espacios extracelulares, mientras que las células plasmolizadas disminuyen considerablemente su volumen.

Por otro lado, cuando la congelación es rápida, la cristalización se produce a una velocidad importante. Una desventaja de este tipo de congelación es que, a velocidades elevadas, pueden existir tensiones internas en algunos alimentos lo cual genera agrietamientos o rotura de tejidos. 

Existen diversas maneras de definir la velocidad de congelación, siendo éstas: el tiempo característico de congelación o duración de la congelación, también se le asocia al tiempo nominal de congelación o a la velocidad media de congelación.

La velocidad de congelación tiene unidades de °C/h, siendo estas unidades las que definen este parámetro por lo cual se entiende que es el cociente de la diferencia de temperatura inicial y final entre la duración del proceso.

Cálculo del tiempo de congelación

La duración real de la congelación depende de diversos factores, los más importantes son:

• Dimensiones y forma del producto (espesor),
• Temperatura inicial y final,
• Temperatura del refrigerante,
• Otros: Coeficiente de transferencia de calor superficial del producto, variación de la entalpía, conductividad térmica.

El conocimiento del tiempo de congelación es de gran importancia para el diseño del proceso. Este tiempo es un dato necesario para determinar la velocidad de refrigeración requerida en relación con la capacidad del sistema de congelación. La predicción del tiempo de congelación puede basarse en métodos numéricos y en métodos experimentales.

Un método habitual de contemplar la transferencia de calor multidimensional en el cálculo de los tiempos de calentamiento, enfriamiento, congelación, etc, consiste en combinar ecuaciones de predicción desarrolladas para una placa infinita con el método de factores de forma. Estos factores, dependen principalmente de la geometría y sólo de manera secundaria de las condiciones operativas (Ramirez y León, s/f, pág. 2. En: https://www.agro-alimentarias.coop/ficheros/doc/01292.pdf).

El método de la placa finita se describe de manera completa en [PREDICCIÓN DE TIEMPOS DE CONGELACIÓN Y DESCONGELACIÓN DE ALIMENTOS] así como el cálculo de los factores de forma. Un método experimental utilizado para el cálculo de tiempos de congelamiento es empleado en (Machado y Vélez, 2008, págs.  41-54), donde se utilizan las ecuaciones de Planck modificada (1) y las ecuaciones de Salvadori y Mascherone (2), las cuales se presentan a continuación:

A manera de complemento, te invito a revisar los siguientes videos:

Conclusión

Conclusión:

En esa sesión se revisaron temas como la evolución de la industria congeladora, donde se mencionan sus orígenes, su desarrollo y sus horizontes. Parte de esta historia relata sobre el inventor del primer congelador en el mundo, así como el trabajo previo realizado por otras personas con el objetivo de poder congelar alimentos.

También se han abordado temas como la Termodinámica de la congelación, en la cual se muestra de forma directa el desarrollo de la curva de congelación de los alimentos. Se presentó también el tema de la cristalización en los alimentos y se mencionaron las velocidades de congelación. Existen dos modos de congelación: lenta y rápida. En esta sesión se revisaron ventajas y desventajas que tiene cada una de ellas. 

También se mencionó el cálculo de la velocidad de congelación que dice que existen diferentes métodos para su determinación. Métodos tanto numéricos como experimentales han sido relacionados con el tiempo de congelación de los alimentos, sin embargo, se debe tomar en cuenta que para este tiempo, se tiene dependencia de diversos factores, tales como la forma y el tipo de alimento. Dentro de los parámetros que se pueden considerar importantes para el cálculo del tiempo de congelación está el calor latente del producto, el cual tiene especial importancia debido a que es esta propiedad la que marca una pauta para el valor obtenido en el tiempo de congelación. 

Otros parámetros no menos importantes son la difusividad térmica y el número de Biot, siendo éste último dependiente tanto del coeficiente convectivo como de la conductividad térmica del producto.

Hasta aquí han sido abordados los temas de esta sección. Espero que hayas comprendido lo suficiente. Acude con tu asesor para despejar las dudas que hayan surgido. Resuelve la consigna en tiempo y forma. Nos encontraremos pronto.

Fuentes de información

• Umaña Cerros, E. (s/f). Conservación de alimentos por frío. Extraído de: Conservación de alimentos por frío
• Ramírez Juidias, E., & León Badillo, M. J. (s/f). Predicción de tiempos congelación y descongelación de alimentos. Extraído de: PREDICCIÓN DE TIEMPOS DE CONGELACIÓN Y DESCONGELACIÓN DE ALIMENTOS
• Machado-Velasco, K. M., & Vélez-Ruiz, J. F. (2008). Estudio de propiedades físicas de alimentos mexicanos durante la congelación y el almacenamiento congelado. Revista Mexicana de Ingeniería Química, vol. 7, No. 1, pp. 41-54. Extraído de: http://www.scielo.org.mx/pdf/rmiq/v7n1/v7n1a6.pdf
• Heldman, D.R. (1975). Food Process Engineering. AVI Pub. Co. Inc, Westport, Connecticut, EU. pp. 151-198
• Salvadori, V.O., de Michaelis, A. y Mascheroni, R. H. (1997). Prediction of freezing times for regular multi-dimensional foods using simple formulae. Lebensmittel Wissenchaft und Technology 30, pp. 30-35
• Singh, R.P. y Heldman, D.R. (2001). Introduction to Food Engineering. Academic Press, Glasgow, RU. Pp. 410-439.
• Vélez, J.F. (2006). Apuntes de Ingeniería de Alimentos II. Inéditos. México: Universidad de las Américas.