Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado. Grado en ingeniería de Tecnologías Industriales. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos. Autor: Luis Silva Lomelino Tutora: Rocío González Falcón Departamento de Termotecnia. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 20 22 iii Trabajo Fin de Grado Grado en ingeniería de Tecnologías Industriales. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos. Autor: Luis Silva Lomelino. Tutora: Rocío González Falcón. Departamento de Termotecnia. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 v Trabajo Fin de Grado: Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos. Autor: Luis Silva Lomelino. Tutora: Rocío González Falcón. El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal A mi familia A mis maestros vii AGRADECIMIENTOS Agradecimiento a mi familia y amigos por su apoyo a lo largo de toda la carrera, especialmente en los momentos más duros. También agradecer a todos los profesores y docentes que han hecho posible que adquiera esta formación universitaria y que me han despertado el interés en el Grado, con un continuo aprendizaje del que sin duda estoy muy agradecido y del que estoy seguro de que me ayudará a seguir formándome en todos los ámbitos. ix RESUMEN En el desarrollo de este trabajo se estudiará el proceso de enfriamiento de productos alimenticios. En primer lugar, se verán los principales factores que afectan a la vida útil de los alimentos y las diferentes soluciones para evitar su deterioro, haciendo hincapié en el proceso de congelación. Luego se pasará a estudiar cómo operan los métodos que nos permiten calcular los tiempos de congelación, observando sus similitudes, diferencias y limitaciones. Además, se analizarán todas las propiedades que inciden en el proceso de congelación, observando como varían con el tiempo y como varía entre diferentes alimentos, para ello nos apoyaremos en una comparativa entre un producto cárnico y un pescado. ÍNDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1 (1): Evolución de la temperatura frente al tiempo en un proceso de congelación. .... 14 Gráfica 2: Evolución de la densidad del atún con la temperatura. ............................................. 16 Gráfica 3: Evolución de la conductividad del atún con la temperatura. ..................................... 16 Gráfica 4: Evolución de la entalpía del atún con la temperatura. ............................................... 17 Gráfica 5: Evolución del calor específico del atún con la temperatura....................................... 17 Gráfica 6: Evolución de la difusividad térmica del atún con la temperatura. ............................. 18 Gráfica 7: Evolución de la temperatura frente al tiempo a diferentes coeficientes de calor convectivos. ................................................................................................................................. 35 Gráfica 8: Evolución de la temperatura frente al tiempo a diferentes temperaturas de enfriamiento. ............................................................................................................................... 36 Gráfica 9: Evolución de la temperatura frente al tiempo a diferentes dimensiones. ................. 37 Gráfica 10: Evolución de la temperatura de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación............................................................................................................... 38 Gráfica 11: Evolución de la cantidad de hielo de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación............................................................................................................... 39 Gráfica 12: Evolución de la densidad de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. ................................................................................................................................ 40 Gráfica 13: Evolución de la conductividad térmica de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. ........................................................................................................ 40 Gráfica 14: Evolución de la entalpía de la carne y el pescado frente a la temperatura del producto en un proceso de congelación. .................................................................................... 41 Gráfica 15: Evolución del calor específico de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación............................................................................................................... 42 Gráfica 16: Evolución de la difusividad térmica de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación............................................................................................................... 43 Gráfica 17: Gráfico de barras de tiempos de congelación para distintos métodos. ................... 44 Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 6 1 INTRODUCCIÓN En este apartado estudiaremos la importancia de la congelación en la industria alimentaria. Se analizará brevemente como se transfiere el calor en los alimentos, se estudiarán los principales factores que provocan que se acelere el deterioro de los productos, cómo es el proceso de congelación, describiendo sus etapas y características, así como la manera en que se comportan las principales propiedades de los alimentos que afectan al proceso de congelación. 1.1. TRANSFERENCIA DE CALOR EN ALIMENTOS Por lo general, la temperatura de un cuerpo varía tanto con la posición como con el tiempo. Cuando cocinamos un alimento, o congelamos para que perdure en buen estado en el tiempo, el producto sufre una ganancia o pérdida de calor por diferentes métodos de transmisión hasta que dicho producto alcance la temperatura deseada. El proceso por el cual se transmite energía o calor desde un medio a otro que se encuentra a distinta temperatura se conoce transmisión de calor. Existen tres diferentes formas de transmitirse el calor: por convección, conducción y radiación. Para calcular la cantidad de calor transferida se usa la ley del enfriamiento de Newton, Ecuación 1: 𝑞=ℎ∙𝐴∙(𝑇𝑝−𝑇∞) Ecuación 1 Donde (𝑞) es la cantidad de calor intercambiada medida en kW, (A) es el área de transferencia de calor medido en 𝑚2, (𝑇𝑝−𝑇∞) es el gradiente de temperaturas, siendo (𝑇𝑝) la temperatura del producto y (𝑇∞) la temperatura del medio congelante. (ℎ) es el coeficiente de transferencia de calor que depende tanto de las propiedades del fluido como de las del proceso, más adelante se realizará un estudio más avanzado acerca de este parámetro. Normalmente, cuando se trabaje con productos en estado líquido con baja viscosidad la principal transferencia de calor se dará por convección, mientras que si se trabaja con productos en estado sólido la evolución de temperaturas dependerá en mayor medida de la convección y conducción. Este trabajo se enfocará en el estudio del enfriamiento de productos alimenticios en estado sólido por lo que para el cálculo de su calor transmitido deberemos tener en cuenta en gran medida estos dos últimos mecanismos anteriormente mencionados. El cuerpo sufrirá una pérdida de calor por convección debido a la interacción con el aire de la habitación que se encontrará a mucha menor temperatura. Dicha pérdida de calor se calculará con la Ecuación 1 con el valor del coeficiente convectivo de calor adecuado. Para el cálculo de la cantidad de calor transferido mediante conducción se utilizará la siguiente Ecuación 2: 𝑞= ∆𝑇 𝑅𝑐𝑑 Ecuación 2 Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 7 Siendo (∆𝑇) el gradiente de temperaturas y (𝑅𝑐𝑑) la resistencia conductiva que dependerá de la forma del cuerpo a estudiar. En cualquier caso, dicha resistencia dependerá de la conductividad térmica del alimento. El calor se transmitirá por conducción en el interior del cuerpo ya que lo que se mide es la temperatura del centro del producto, no la superficie, por lo que habrá un flujo de calor en el interior del producto. Esto hace que las características internas y composición del alimento adquieran enorme importancia a la hora de calcular su calor por conducción. Conocer cómo se transfiere el calor es de vital importancia para el correcto tratamiento de un producto, ya sea para cocinarlo o conservarlo. Estos mecanismos, previamente explicados, sirven para calcular el calor sensible debido al cambio de temperatura, pero se debe andar con ojo también debido al cambio de calor latente que sufre el producto mediante un proceso de congelación. 1.2 DETERIORO DE ALIMENTOS Los alimentos, como cualquier ser vivo, poseen una vida útil limitada. Con el paso del tiempo se puede detectar a través del gusto, olfato o vista que un producto se ha deteriorado, ha perdido sus propiedades y por ello no es apto para el consumo humano. Se debe prestar mucha atención en todas las variables que pueden hacer que este proceso de deterioro se acelere y tomar las medidas oportunas para evitarlas o por lo menos reducir en gran medida. 1.2.1 Causas del deterioro de alimentos Los factores que más afectan a la conservación natural de un alimento son: 1) Microorganismos: Se encuentran microorganismos no solo en el producto, sino también en el ambiente. Ejemplos de microorganismos pueden ser bacterias, mohos y virus. Dentro de la industria alimentaria las bacterias son las principales causantes del deterioro de los alimentales. Si no se hace nada por evitarlo, los microorganismos se empiezan a adaptar a las condiciones ambientales en lo conocido como fase de retardo, después le sigue una fase de desarrollo exponencial durante la cual la población de microorganismos puede hasta triplicarse, acelerando el agotamiento de nutrientes y la acumulación de toxinas que conllevará al período de muerte del producto, o a una pérdida irreparable de su calidad. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 8 Dichos microorganismos atacan al producto ya que estos necesitan agua y alimento para crecer y lo toman del producto. Este desarrollo será más o menos rápido dependiendo de las características del propio alimento, su estructura química, nivel de pH y factores ambientales. En la Imagen 1 podemos observar un alimento atacado por los microorganismos que se ha deteriorado haciendo imposible su consumo. Imagen 1: Mal estado de una fresa. 2) Oxígeno: Como se ha comentado anteriormente, las bacterias son las principales causantes del deterioro de los alimentos y estas requieren oxígeno para crecer en lo que se conoce como proceso aerobio. Es por ello por lo que se deben controlar los niveles de oxígenos, para impedir que crezcan microorganismos y también para evitar la oxidación. 3) Enzimas: Muchas de ellas están presentes de forma natural en los alimentos y son las causantes de la rapidez con la que el oxígeno interacciona con el alimento, llevándolo a su deterioro. 4) Humedad: Como se verá más adelante, el contenido en agua de un alimento es fundamental y debemos ser conscientes de ello para asegurar un correcto proceso de congelación. Dicha humedad afectará a la textura y al sabor del producto. 5) Luz: La mayoría de los alimentos se encuentran expuestos a la luz, ya sea natural o artificial. Esto puede dar lugar a variaciones en el sabor, color, o llevar a la pérdida de vitaminas, sobre todo en la capa externa del alimento que es aquella que se encuentra más expuesta. 6) Temperatura: Es el fundamento de este trabajo, controlar la temperatura de forma adecuada. A mayor temperatura, mayor será la interacción biológica y enzimática del alimento con los microorganismos, por lo que se buscará reducir esta temperatura en el proceso conocido como refrigeración o congelación, explicado con detalle más adelante. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 9 1.2.2 Soluciones para evitar el deterioro de los alimentos A la vista de lo anterior queda claro que el objetivo es minimizar el efecto de los agentes anteriormente mencionados, con el objetivo de aumentar la vida útil de los alimentos. Este es el tema principal para tratar en todos los mecanismos existentes de conservación de alimentos, que actuarán de una u otra forma. Como se explicó antes, el desarrollo de los microorganismos depende tanto de las características del alimento como de los factores ambientales. Referido a las características del alimento poco se puede hacer más allá de conocerlos para saber cómo tratar el producto, pero en los factores ambientales como, controlar la temperatura y velocidad del aire de la habitación, será donde se tenga que incidir y actuar para evitar el mayor desarrollo de microorganismos en el producto, y por ello no solo un aumento de la vida útil del producto, sino una mejoría en su calidad. 1.3 MÉTODOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS En la actualidad se encuentran numerosos métodos de conservación de alimentos con el objetivo de prolongar la vida útil del producto y poder ser consumido en otro momento sin ver alterado sus propiedades. El método que utilizaremos dependerá en mayor medida del alimento que queramos almacenar, así como del tiempo que queramos conservarlo sin consumir. Dentro de los diferentes métodos distinguimos 7 grandes grupos: 1.3.1 Métodos de conservación a bajas temperaturas Este es el apartado en el que más se incidirá en este proyecto, y comprende los procesos de refrigeración, congelación y ultracongelación. Será un proceso u otro dependiendo de las temperaturas que queramos alcanzar. La refrigeración comprende hasta temperaturas del rango entre 0 y 5 ⁰C mediante el uso de frigoríficos como los que disponemos en nuestro domicilio. La congelación comprende hasta temperaturas de -18 ⁰C, con ello que se consigue que el agua se convierta en hielo y haga que las bacterias no se desarrollen. Por último, la ultracongelación consiste en alcanzar temperaturas inferiores a -40 ⁰C, pero por un período corto de tiempo, con ello se consigue matar cualquier tipo de microorganismo o parásito, para luego mantenerlo con un proceso de congelación normal. Las ventajas de este método residen en que el frío retrasa la aparición de gérmenes y permite que el alimento mantenga sus nutrientes. La congelación es el método más efectivo que menos altera el producto y permite almacenarlo en buen estado durante meses e incluso años, es un método muy versátil. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 10 El mayor inconveniente es que se necesita también un sistema de refrigeración para su transporte y almacenaje con el aumento de costes que esto conlleva. Además, deberemos de llevar a cabo una descongelación lenta para que no se desarrollen los microorganismos. Imagen 2: Verduras congeladas. 1.3.2 Métodos de conservación a altas temperaturas La esterilización es un proceso consistente en exponer un alimento envasado herméticamente a muy altas temperaturas durante un cierto tiempo para eliminar los posibles patógenos o parásitos que contenga. Este método es muy habitual en mermeladas y almíbares. En cambio, en el proceso de pasteurización no se alcanzan temperaturas tan altas y la exposición de tiempo a esta temperatura es más breve. Se utiliza en la leche y sus derivados como el queso. La esterilización se considera el método más seguro y permite la mayor vida útil pudiendo alcanzar varios años, además no añaden aditivos ni conservantes artificiales lo que hace más atractivo para el mercado. Sin embargo, al aplicar temperaturas tan altas, las propiedades del alimento pueden verse afectadas. La pasteurización, al no alcanzar temperaturas tan altas, los aromas y sabores no se modifican y las propiedades del producto se mantienen. En contra, este proceso no elimina todos los microorganismos, además que posteriormente debe de ser conservado y almacenado en un refrigerador, no a temperatura ambiente. Imagen 3: Sistema de esterilización. Imagen 4: Sistema de pasteurización. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 11 1.3.3 Métodos de conservación modificando su cantidad de agua Consiste en la extracción total o parcial del contenido en agua de un alimento, con ello se evita que se desarrollen los microorganismos que lo necesitan. Estos procesos se denominan deshidratación o desecado, y se aplican a alimentos como el bacalao seco, las pasas o la mojama. El mayor inconveniente de este método es que necesita seguir numerosos pasos de forma muy rigurosa por lo que solo resulta rentable llevarse a cabo a nivel industrial. Imagen 5: Secadero de alimentos. 1.3.4 Métodos de conservación mediante alta presión Este método debe su nombre al científico del siglo XVII Blaise Pascal. Se basa en un aumento de la presión hidrostática que hace que mueran las bacterias sin necesidad de añadir aditivos. Con este proceso se consigue mantener el sabor, textura y apariencia de los alimentos. El inconveniente de este proceso es que no en todos los alimentos puede utilizarse, su uso se limita a productos ácidos y yogures, entre otros. Además, debe ser envasado en un recipiente flexible de manera que la presión se mantenga en el valor concretado. Imagen 6: Conservación por alta presión. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 12 1.3.5 Métodos de conservación por alteraciones químicas Se clasifican en función de si el alimento se almacena en un medio seco o líquido: Dentro de conservación en medio seco se encuentran el ahumado y la salazón. El ahumado consiste en aplicar humo directamente sobre el producto impidiendo que se desarrollen los microorganismos, en cambio en el proceso de salazón, se recubre el producto con salmuera seca provocando la deshidratación del producto. Imagen 7: Pieza de bacalao en salazón. Por su parte, dentro de la conservación en medio líquido encontramos el adobo, escabechado, marinado y encurtido. Todos estos métodos precisan de conservantes o aditivos y pueden llegar a modificar el sabor o textura. 1.3.6 Métodos de conservación mediante aditivos Consiste en la aplicación de antioxidantes o conservantes a los alimentos para mejorar su color, sabor, textura o para aumentar su vida útil. Añadiendo antioxidantes se consigue eliminar la degradación química, y se suele aplicar a productos grasos. Con el añadido de conservantes se elimina la degradación biológica del alimento, imposibilitando el desarrollo de microorganismos. Estos métodos se han ido devaluando con el paso del tiempo en favor de otros procesos anteriormente explicados, ya que el añadido de aditivos no resulta atractivo para el público en general. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 13 1.3.7 Métodos de conservación mediante el control de la atmósfera La forma más famosa dentro de este grupo es el envasado al vacío. Cuando los productos se envasan al vacío eliminamos todo el aire existente del interior del recipiente de manera que solo pueden crecer los microorganismos que no necesitan de oxígeno (anaeróbicos), eliminando así a todos los microorganismos que sí necesitan del oxígeno para crecer (aeróbicos). Con este método se consigue aumentar la vida útil del alimento y sus propiedades permanecen inalteradas. El único inconveniente es que precisan de otros métodos también a parte del envasado al vacío. Imagen 8: Sistema de envasado al vacío. 1.4 IMPORTANCIA DEL ENFRIAMIENTO EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Como ya se ha comentado anteriormente el método de conservación a bajas temperaturas es uno de los más usados en la actualidad debido a su versatilidad, a su efectividad y a su amplio rango de aplicaciones. Uno de sus pocos inconvenientes es que una vez congelado un producto, no se puede romper su cadena de frío, es decir, una vez descongelado no se puede volver a congelar. Esto hace que su transporte también tenga que ser cuidado con sumo detalle y en transportes especializados para ello, encareciendo el proceso, pero pese a esto, sigue siendo un método bastante económico. En la actualidad, la gran mayoría de domicilios cuentan con su propia nevera y congelador, esto hace a las personas partícipes y conocedoras de lo importante que es mantener los alimentos a una temperatura baja para preservarlos adecuadamente en el tiempo. Es por ello por lo que adquiere mucha importancia conocer como es el proceso de congelación y descongelación. 1.4.1 Historia de la congelación La preocupación en torno a la conservación de alimentos viene desde hace miles de años. Por entonces se utilizaba hielo o nieve para preservar las presas cazadas que posteriormente eran almacenadas en el fondo de las cavernas. Más adelante durante la Edad Antigua y Edad Media el método más utilizado era usar sal, hasta que en el año 1748 se construyó el primer frigorífico que funcionaba con electricidad y en 1843 la congelación de alimentos se volvió un tema Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 14 comercial. La gran revolución llegó en 1874 con el descubrimiento del frío industrial, este surge de la necesidad de transportar un cargamento de carne durante una larga travesía de 105 días en barco. Este hito sirvió como antecedente a la congelación industrial. La primera empresa española nació en el año 1958 conocida como Alimentos Congelados S.A. de Marcilla (Navarra), a nivel europeo comenzó unas décadas antes con la empresa Electrolux en 1931. Desde entonces el crecimiento ha sido imparable y actualmente la totalidad de los hogares españoles poseen un congelador con el fin de conservar los alimentos en buen estado por mayor tiempo. 1.4.2 Etapas en el proceso de congelación Con lo explicado anteriormente es fácil razonar que se buscará un proceso de refrigeración y congelación lo más rápido posible de manera que se retarden los procesos químicos y biológicos que se llevan a cabo en el producto. Se deben distinguir entre diferentes etapas en el proceso de enfriamiento: 1) Período de refrigeración: Durante esta etapa se elimina el calor sensible de los alimentos, y consiste en mantener los productos a una temperatura de entre 0 y 8 ⁰C, cerca del punto de congelación. Durante este proceso se consideran los alimentos frescos y se consigue ralentizar el desarrollo microbiano en dichos alimentos. 2) Período de congelación: Durante esta etapa se elimina el calor latente y se alcanza la temperatura de congelación, característica de cada alimento. Alcanzando esta temperatura conseguiremos inhibir la proliferación de microorganismos alterantes. 3) Período de congelación adicional: Durante esta etapa se elimina el calor sensible del producto congelado, alcanzando temperaturas muy inferiores al punto de congelación del alimento. Con ello conseguimos eliminar la mayoría de las reacciones químicas o enzimáticas que estropean nuestro producto. Estas etapas explicadas anteriormente se pueden observar bien diferenciadas en la Gráfica 1. Como se puede observar el proceso de enfriamiento hasta alcanzar el punto de congelación es más rápido que el proceso de congelación. Esto se debe a la diferencia entre las propiedades del hielo y del agua que afectan a los resultados obtenidos de tiempos de congelación como explicaremos más adelante. Gráfica 1 (1): Evolución de la temperatura frente al tiempo en un proceso de congelación. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 21 Ya por último para simplificar la ecuación de Plank y de forma que sirviese para más formas diferentes, se introdujeron dos constantes, P y R, que toman un valor u otro dependiente de la forma del alimento como podemos observar en la Tabla 1. Con todo ello ya podemos escribir la ecuación de Plank que nos calcula el tiempo de congelación para un alimento, como se puede observar en la Ecuación 9: 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠)=𝜆∙𝜌𝑓 𝑇𝑓−𝑇∞ (𝑃 ℎ+𝑅2 𝐾𝑓) Ecuación 9 Forma Geométrica 𝑷 𝑹 Placa Infinita 1/2 1/8 Cilindro Infinito 1/4 1/16 Esfera 1/6 1/24 Tabla 1 (2): Valores de P y R en función de la forma del alimento. Las limitaciones del método de Plank residen en que asume un único valor constante de las propiedades, cuando ya se ha demostrado que estas varían con el tiempo y temperatura. La densidad es medida con el producto congelado lo que es complicado de medir, al igual que la conductividad. La gran diferencia reside en que las temperaturas inicial y final no son necesarias en la ecuación para calcular el tiempo de congelación. Pese a estas limitaciones, el método de Plank ha sido el más usado y popular durante muchísimos años, debido a su sencillez. 2.2 MÉTODO DE HELDMAN Es una variación mejorada del método de Plank. Es más representativa ya que pese a que siga considerando las propiedades constantes en el tiempo, sí que tiene en cuenta la temperatura inicial del alimento (𝑇0) por lo que el margen de error es algo menor. La ecuación para calcular el tiempo de congelación es la siguiente Ecuación 10: 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠)=𝜌𝑓∗∆𝐻 𝑇0−𝑇∞(𝑃 ℎ+𝑅2 𝐾𝑓) Ecuación 10 (3) 2.3 MÉTODO DE PHAM Pham realizó un método en el año 1986 para calcular tiempos de congelación y descongelación de alimentos que puede ser usado para objetos infinitos o finitos con una forma irregular siendo aproximados a un elipsoide. Esto supone una gran ventaja y además es un método muy sencillo de utilizar. Para su cálculo primero se deben hacer una serie de suposiciones: Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 22 - La temperatura del medio congelante, así como la velocidad del aire son constantes. - La temperatura inicial es constante. - El valor de la temperatura final del centro (𝑇𝑐) está fijada. - El coeficiente convectivo de transferencia de calor es constante. Para realizar este método se tiene que dividir el proceso en dos partes: 1) Etapa de enfriamiento hasta que se alcanza la temperatura del punto de congelación (𝑇𝑓). No ha habido cambio de fase por lo que el agua se considera que sigue en fase líquida. 2) Etapa de cambio de fase y congelación del alimento. Cambian enormemente las propiedades en comparación con la anterior etapa. 2.3.1 Método de Pham para piezas infinitas Se desarrollará este método primero para una pieza con una longitud característica, pero de tamaño infinito en la otra dimensión. El primer paso consiste en calcular el valor de la temperatura en el punto de congelación (𝑇𝑓) con la siguiente Ecuación 11: 𝑇𝑓=1,8+0,263∙𝑇𝑐+0,105∙ 𝑇∞ Ecuación 11 Esta ecuación es empírica y válida para la gran mayoría de los materiales biológicos ricos en agua. El tiempo de congelación se calcula mediante la siguiente Ecuación 12: 𝑡𝑓=𝑑𝑐 𝐸𝑓∙ℎ[∆𝐻1 ∆𝑇1+∆𝐻2 ∆𝑇2](1+𝐵𝑖 2) Ecuación 12 Donde (𝑑𝑐) es la dimensión característica o la distancia más corta al centro medida en (m), (𝐸𝑓) es el factor de forma, (∆𝐻1) es el cambio volumétrico de entalpía en la etapa de enfriamiento medido en 𝐽 /𝑚3, (∆𝐻2) es el cambio de entalpía en la etapa de congelación medido en las mismas unidades, (∆𝑇1) y (∆𝑇2) se refieren a los gradientes de temperatura en la etapa de enfriamiento y congelación respectivamente, y (𝐵𝑖) se refiere al número adimensional de Biot. (𝐸𝑓) puede valor 1, en el caso de una placa plana infinita, 2, en el caso de un cilindro infinito, o 3, en el caso de una esfera. Por su parte (∆𝐻1) y (∆𝐻2) se calculan como se observa en la Ecuación 13 y Ecuación 14 respectivamente: ∆𝐻1=𝜌𝑢∙𝑐𝑢∙(𝑇𝑖−𝑇𝑓) Ecuación 13 ∆𝐻2=𝜌𝑓[𝜆𝑓+𝑐𝑓(𝑇𝑓−𝑇𝑐)] Ecuación 14 Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 23 Donde (𝑐𝑢) es el calor específico del producto descongelado, (𝑐𝑓) es el calor específico del producto congelado, medidas ambas magnitudes en (/(𝑘𝑔∙𝐾). Por otro lado (∆𝑇1) y (∆𝑇2) se calculan como se muestra en la Ecuación 15 y Ecuación 16 respectivamente. ∆𝑇1=(𝑇0+𝑇𝑓 2)−𝑇∞ Ecuación 15 ∆𝑇2=𝑇𝑓− 𝑇∞ Ecuación 16 Con todo ello ya se puede calcular el tiempo de congelación de un alimento gracias a la Ecuación 12. Este sigue siendo un método sencillo, aunque algo más laborioso que el de Plank, pero gracias a ello proporciona resultados más precisos. 2.3.2 Método de Pham para piezas finitas El desarrollo es el mismo que el anterior, lo único que cambia es el cálculo de (𝐸𝑓) y el cálculo de (𝐵𝑖), ya que ahora no se calculará con la longitud característica sino con las dimensiones de la pieza. Consideraremos un objeto dado por tres dimensiones. Lo primero es obtener el valor de unos coeficientes adimensionales con las dimensiones del producto, como se puede observar en las Ecuación 17 y Ecuación 18 respectivamente: 𝛽1=𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑚á𝑠 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎 Ecuación 17 𝛽2=𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑚á𝑠 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑚á𝑠 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎 Ecuación 18 Ahora se calcula el número de Biot de la misma forma que en la Ecuación 26 pero con la nueva longitud característica. El siguiente paso es calcular el valor de dos factores denotados por (𝑋1) y (𝑋2), y calculados como en la Ecuación 19 y Ecuación 20 respectivamente. 𝑋1=2,32∙𝛽1 −1,77 (2∙𝐵𝑖)1,34+2,32∙𝛽1−1,77 Ecuación 19 𝑋2=2,32∙𝛽2 −1,77 (2∙𝐵𝑖)1,34+2,32∙𝛽2−1,77 Ecuación 20 Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 24 Se pasa ahora a calcular los valores denotados por (𝐸1) y (𝐸2), y calculados como se puede observar en las Ecuación 21 y Ecuación 22: 𝐸1=𝑋1 𝛽1+[1−𝑋1]∙0,73 𝛽1 2,5 Ecuación 21 𝐸2=𝑋2 𝛽2+[1−𝑋2]∙0,73 𝛽2 2,5 Ecuación 22 Ya por último solo queda calcular el valor de (𝐸𝑓) correcto que nos queda a través de la siguiente Ecuación 23: 𝐸𝑓=𝐺1+𝐺2∙𝐸1+𝐺3∙𝐸2 Ecuación 23 Los factores (𝐺1), (𝐺2) y (𝐺3) se sacan de la siguiente Tabla 2 en función de la forma de la pieza. Forma Geométrica 𝑮𝟏 𝑮𝟐 𝑮𝟑 Cilindro finito, altura < diámetro. 1 2 0 Cilindro finito, altura > diámetro. 2 0 1 Varilla rectangular. 1 1 0 Rectángulo grueso. 1 1 1 Tabla 2: Valores de 𝐺1 𝐺2 𝑦 𝐺3 en función de la forma de la pieza. 2.4 MÉTODO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Por último, se va a explicar un método que hemos desarrollado basándonos en la transferencia de calor que ocurre en sistemas que no sean concentrados. Para ello nos hemos apoyado en la información proporcionada por (1) acerca de la transferencia de calor en régimen transitorio. Los anteriores métodos explicados nos dan un tiempo de congelación estimado en función de unos datos iniciales que son constantes. Con este método lo que vamos a calcular es la temperatura del centro del producto cada un intervalo de tiempo que nosotros elijamos, por lo que nos permite conocer el tiempo que se tarda en alcanzar una determinada temperatura y también como ha sido esa distribución de temperaturas a lo largo de ese tiempo. Para realizar este método si tendremos en cuenta la variación de las propiedades termo físicas con la temperatura y el tiempo, gracias al capítulo de (4), y nos apoyaremos en unos números adimensionales. Las suposiciones serán las siguientes: Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 25 - La temperatura del medio congelante (𝑇∞) se considera constante en todo el proceso. - El coeficiente convectivo de transferencia de calor (ℎ) se considera constante en todo el proceso. - La velocidad del aire se considera constante a lo largo del proceso. El desarrollo del método es el siguiente: 1) Lo primero que se debe calcular son las propiedades, pero como se sabe de anteriores apartados, estas dependen en gran medida de la humedad de la pieza. Por lo que antes deberemos calcular la cantidad de hielo, o agua en su defecto, que hay en el alimento, para así calcular correctamente las propiedades. Se hará a través de la siguiente Ecuación 24: 𝑥𝑖𝑐𝑒 =1,105∙𝑚𝑚 1+ 0,7138 𝐿𝑛(𝑇𝑓−𝑡𝑖+1) Ecuación 24 (4) Donde (𝑥𝑖𝑐𝑒) es la fracción de hielo en alimento medido en tanto por uno, y (𝑡𝑖) es la temperatura del centro del alimento en cada instante. Por su parte, si queremos conocer la cantidad de agua, bastará con restarle a la humedad la fracción de hielo, como vemos en la Ecuación 25: 𝑥𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 =𝑥𝑤𝑜−𝑥𝑖𝑐𝑒 Ecuación 25 (4) Una vez calculado la cantidad de hielo y agua, ya se pueden calcular las propiedades del alimento en función de su contenido en humedad, proteína y grasa. 2) El siguiente paso es calcular el número de Biot de la siguiente forma, Ecuación 26: 𝐵𝑖=ℎ∙𝐿𝑐 𝑘𝑖 =𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑝𝑜 Ecuación 26 Donde (𝐵𝑖) es el número de Biot, (𝐿𝑐) es la longitud característica de la pieza medida en (m), y (𝑘𝑖) es la conductividad del alimento en cualquier instante 𝑖, por lo que (𝐵𝑖) también variará en función de la temperatura y del tiempo. El número de Biot es un número adimensional y resulta de especial interés cuando su valor es < a 0,1, ya que se podría suponer el sistema como concentrado, lo que simplificaría enormemente los cálculos. Sin embargo, en procesos de la industria alimentaria dicho número de Biot siempre es muy superior a 0,1, lo que significa que el calor por conducción domina nuestro proceso, por lo que no podremos hacer la suposición de sistema concentrado. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 26 3) Ahora se pasa a calcular el número de Fourier, también adimensional, de la siguiente forma, Ecuación 27: τ=𝛼∙𝑡 𝐿𝑐 2 Ecuación 27 Donde (τ) es el número de Fourier, (α) es la difusividad térmica medida en 𝑚2/s, y t es el tiempo transcurrido en el proceso medido en s. Dicho número de Fourier también cambia con el tiempo ya que el mismo tiempo ya aparece en la propia ecuación y además la difusividad térmica también es transitoria. Este número también depende de la longitud característica, es decir, de las dimensiones del producto. 4) Ahora se pasa a obtener dos valores de la tabla 4.2 de (1). Dichos valores son los coeficientes usados en la solución aproximada de un término de la conducción de calor unidimensional en régimen transitorio en diferentes formas geométricas. Estos coeficientes se denotan por 𝜆1 y 𝐴1 y son dependientes del número de Biot, por lo que para un valor del número de Biot previamente calculado se obtendrán los valores de los coeficientes. Para que el programa calculase los valores de los coeficientes sin necesidad de tener que ir personalmente a buscar en la tabla que valores son en cada momento, se realiza una representación de los coeficientes con el número de Biot en una gráfica y se ajusta mediante una línea de regresión, de manera que el programa calcula los valores mediante este ajuste sin necesidad de tener que buscar los valores. 5) Ya con todos estos valores estamos en disposición de calcular la temperatura a la que se encuentra el centro del producto en cada instante de tiempo. Para ello se recurre a la siguiente Ecuación 28: 𝑇0−𝑇∞ 𝑇𝑖−𝑇∞=𝐴1∙𝑒−𝜆12∙τ Ecuación 28 Si nos dispusiésemos a resolver un problema sencillo el programa nos daría problema ya que hemos estaríamos entrando en un bucle. Es decir, nuestro objetivo es calcular la temperatura del producto en cada instante de tiempo, para ello necesitamos los valores de ciertos números adimensionales, estos a su vez dependen de una serie de propiedades termo físicas, y estos a su vez dependen de la temperatura del producto, esto hace que el programa no resuelva. Para solucionar dicho problema la opción por la que se ha optado es la de calcular las propiedades siempre a la temperatura en el instante interior, de manera que de esta forma el programa no da problemas. Si el paso de tiempo que le metemos al programa es muy grande, estaremos cometiendo un error apreciable, pero sin embargo si el paso de tiempo que usamos es pequeño, los errores que cometeremos serán mínimos y asumibles, por lo que podremos considerar correctos los cálculos, ya que el error se encuentra por lo general en el cuarto decimal. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 27 2.5 COMPARACIÓN CUALITATIVA DE LOS MÉTODOS Partiendo del método de Plank que es el más sencillo, se irá avanzando en los demás analizando las diferencias y similitudes. Como ya se ha comentado anteriormente, una de las limitaciones reside en que toma las propiedades termo físicas constantes en el tiempo e igual a un valor de cuando el producto no está congelado. La otra gran limitación es que no tiene en cuenta ni la temperatura inicial del alimento, ni la temperatura final que se está buscando, solo calcula a partir de la temperatura en el punto de congelación, y calcula hasta que el producto está congelado completamente. Esto lo convierte en un método muy sencillo y fácil de utilizar, pero esta sencillez es la que nos está dando resultados más aproximados. El método de Heldman sigue teniendo muchas limitaciones similares al método de Plank como considerar las propiedades constantes e iguales a cuando el producto no está congelado, o no considerar la temperatura final del producto que se está buscando. Pero, por otro lado, si que considera la temperatura inicial del alimento, por lo que es una mejoría respecto al de Plank que proporcionará resultados mejores, aunque sigan siendo muy aproximados. El método de Pham sí que supuso una mejoría importante respecto a los anteriores. Es verdad que sigue tomando las propiedades termo físicas constantes pero las iguala a dos valores diferentes. Un valor para cuando la temperatura es mayor a la temperatura del punto de congelación, y otra para cuando es menor, es decir una temperatura para cuando se considere que la humedad del alimento solo contenga agua, y otra para cuando se considere que tiene solo hielo. Esto lo convierte en un método más preciso porque como ya se comentó anteriormente, existen enormes diferencias entre las propiedades del hielo y del agua, y el método de Planck solo consideraba las propiedades del agua líquida, aunque la humedad del alimento fuese mayormente hielo. Otra ventaja es que el método te calcula la temperatura en el punto de congelación automáticamente gracias a un desarrollo empírico, sin necesidad de tener que buscar ese valor en otras tablas, gracias a la Ecuación 11. En dicha ecuación, aparece tanto la temperatura inicial como la temperatura final del centro del alimento, dichas variables no eran consideradas en los anteriores métodos, por lo que supone otro avance con el fin de obtener resultados más exactos. Por su parte el método de transferencia de calor es muy diferente a los anteriores. Permite obtener los resultados de la temperatura del centro en cada instante de tiempo que se desee, es decir, la evolución de temperaturas en el proceso de congelación. Esto permite hacer estudios más completos y detallados acerca de la transferencia transitoria de calor en el alimento. Otra gran ventaja es que, si considera la variación de las propiedades con la temperatura, así como la evolución de la cantidad de hielo o agua que hay en el producto. A determinadas temperaturas el contenido en humedad puede ser agua, hielo, o una parte agua y otra hielo. El método de Plank solo considera como si todo fuese agua, el método de Pham distinguía entre si todo era agua o todo era hielo en función del punto de congelación, y el método de transferencia de calor tiene en cuenta en todo momento si toda la humedad es agua, hielo, o la proporción que hay de cada uno en cada momento. Al igual que el método de Pham, este si considera tanto la temperatura inicial del alimento como la temperatura final deseada. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 28 El problema de este método reside en su complejidad a la hora de hacerlo funcionar. Se plantea un sistema de tantas ecuaciones como instantes de tiempo queramos estudiar por lo que hacerlo converger puede resultar complicado en muchas situaciones, por ello nos deberemos apoyar en programas informáticos, y de todos modos muchos de ellos darán problemas. 2.6 SIMULACIÓN DE DATOS En este apartado se explicará cómo se ha creado la base de datos que permitirá analizar e investigar en los datos con vistas a que estos sean de utilidad para trabajos posteriores. Para crear esta base de datos nos hemos apoyado en la herramienta informática de Excel que nos permite trabajar en un amplio registro, como podemos observar en la Imagen 9. En dicha base de datos se incorporarán los siguientes campos con el siguiente alcance: - Temperatura del centro del alimento (𝑇𝑖) que variaremos entre una temperatura inicial de 10⁰C y una final que dependerá del intervalo de tiempo que se estudie. - Tiempo medido en horas que nos indicará en qué instante ha sido medida la temperatura del centro, consideraremos hasta 4 horas. - Producto, en nuestro caso un producto cárnico y otro de pescado. - Dimensiones de la pieza a estudiar, en nuestro caso variarán desde 0,4x0,2x0,2 metros, hasta 1x0,6x0,6 metros. - Temperatura de congelación a la que enfriamos al alimento, medida en ⁰C y que variaremos entre -25 y -40. - Composición del alimento medido en términos de grasa, humedad y proteína. - Coeficiente convectivo de calor (ℎ), medido en W/(𝑚2∙𝑘), que variaremos entre 35 y 60. En la base de datos obtenemos un total de 234 registros y 9 campos. Imagen 9: Base de datos en Excel. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 29 Para calcular los datos que se han introducido en la base, es necesarios calcularlos previamente, para ello se han simulado los métodos anteriormente explicados con la herramienta Excel. Se ha hecho de la manera más intuitiva posible para que pueda ser utilizada por otros usuarios. 2.6.1 Simulación método de Plank y de Heldman Esta hoja de Excel que se puede observar en la Imagen 10, calcula los tiempos de congelación de un alimento hasta que este se encuentre completamente congelado a partir del método de Plank y de Heldman. Las celdas que se encuentran en color verde son aquellas que deberemos modificar acorde a nuestro problema, mientras que las celdas en azul son cálculos automáticos que hace el programa, por lo que no se deben modificar. En la esquina izquierda superior de la Imagen 10 se puede observar una tabla con distintos valores para P y R. Lo primero que se debe hacer es elegir estos dos valores en función de la forma del producto a estudiar, tomándolos de la tabla e introduciéndolos en su celda correspondiente. A continuación, se deben indicar los valores del coeficiente convectivo, temperatura del medio congelante y la temperatura del punto de congelación ajustándolo al problema correspondiente. Ya por último se debe indicar la composición del alimento que se esté estudiando en tanto por ciento, de humedad, grasa y proteína (debe sumar 100), así como la temperatura a la que se quiera que el programa calcule las propiedades. Recordemos que está es la gran limitación del método de Plank y de Heldman, se pueden tomar las propiedades tanto a 10⁰C como a -15⁰C, con las enormes diferencias de propiedades que hay entre uno y otro. Estas diferencias se incrementan aún más cuando el contenido en humedad aumenta, ya que es la diferencia entre el hielo y el agua lo que hace que varíen mucho los resultados. Para desarrollar el método de Heldman se debe completar todas las celdas en verde mencionadas anteriormente además de la celda que se encuentran en la parte inferior izquierda de la Imagen 10 de color verde. Esta celda se corresponde a la temperatura inicial del alimento, recordemos que está es la diferencia entre ambos métodos, que el método de Heldman sí que tiene en cuenta la temperatura inicial a la que se encuentre el producto. Imagen 10: Método de Plank y de Heldman en Excel. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 30 2.6.2 Simulación del método de Pham Al igual que en la anterior simulación realizada, se deben modificar las celdas de color verde acorde a nuestro problema y sin cambiar aquellas celdas de color azul. Primero se desarrollará el método de Pham para piezas infinitas, como se observa en la Imagen 11. Para ello se debe introducir el valor de la temperatura del medio congelante, la temperatura inicial del alimento, y la temperatura buscada, todo ello en ⁰C. Luego se deberá introducir los valores de la longitud característica del alimento en metros y el valor del coeficiente convectivo. El valor de Ef que también se debe rellenar lo tomaremos en función de la forma de nuestro producto, sacando el valor de la tabla que se muestra en la esquina inferior izquierda de la Imagen 11. El siguiente paso es introducir la composición del alimento de igual manera que en la anterior simulación e introducir dos valores a los cuáles se van a calcular las propiedades, uno para cuando se considere que no hay hielo, y otra para cuando sí se considere que lo hay. Las mejoras que introduce este método son numerosas. En primer lugar, si tiene en cuenta la temperatura inicial del alimento. Además, calcula el tiempo de congelación hasta alcanzar una temperatura determinada, esto es de gran utilidad y permite al usuario un mayor rango de posibilidades de estudio, ya que no siempre se busca que el alimento esté completamente congelado, si no el tiempo para alcanzar una temperatura concreta. Por último y más importante, la gran mejora de este método radica en que calcula las propiedades en dos instantes de tiempo, una para el producto sin hielo, y otra para el producto con hielo. Con esta simple suposición se consiguen resultados mucho más precisos ya que las diferencias entre el agua y hielo son enormes, y considerar sus propiedades iguales supone un gran error. Imagen 11: Método de Pham para piezas infinitas desarrollado en Excel. Ahora se pasa a explicar el mismo método, pero para piezas finitas. Se deben introducir los valores de G1, G2 Y G3 que se toman de la tabla que se encuentra en la Imagen 12, en función de la forma geométrica del producto que se esté considerando. Considerado un producto de dimensiones alto por largo por ancho, deberemos de introducir los valores de estas dimensiones Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 37 azul, lo que quiere decir que enfriando a -30 ⁰C, se alcanzarán antes la temperatura del producto deseada que enfriando a -25 ⁰C. A esta conclusión se podría haber llegado despejando el tiempo de la Ecuación 28, y observando que, a menor temperatura de enfriamiento, menos tiempo de congelación será necesario. Por todo ello, resultará de interés enfriar a la menor temperatura posible para acelerar el congelado del alimento, pero también siendo conscientes de que conseguir una temperatura tan baja conllevará un aumento del coste de los equipos. 3.1.3 Influencia del tamaño en los tiempos de congelación En la industria alimentaria el tamaño al cuál se congela una pieza varía enormemente del producto que estemos estudiando en cuestión. No es lo mismo estudiar marisco, de reducidas dimensiones, a estudiar una pieza de atún. En el caso del atún que es el tema que nos ocupa, este cuando se pesca es un producto de entre 3 y 8 metros, con un peso que puede variar entre 400 y 900 kilogramos. En el mismo barco que es pescado, se encuentra una cámara frigorífica en la que es enfriado y almacenado el producto. Una vez ya en la tierra, el atún es cortado en diferentes piezas de manera que sea más sencillo su manejo y congelado. Estas piezas son de diferente interés en función de su consumo, y sus tamaños también varían en función de la parte que se corte. Una vez separado el producto en piezas se procede a la congelación. Por ello, sobre el problema base mencionado anteriormente, ahora se variará el tamaño. Se estudiará una pieza de atún de 0,4x0,2x0,2 metros, y otra de 0,8x0,4x0,4 metros, es decir, del doble de tamaño, como se muestra en la Gráfica 9: Gráfica 9: Evolución de la temperatura frente al tiempo a diferentes dimensiones. Esta Gráfica 9 representa la evolución de la temperatura del centro del producto durante las tres primeras horas de una pieza de atún de 0,4x0,2x0,2 metros (curva naranja), y otra pieza de 0,8x0,4x0,4 metros (curva azul). A la vista de la gráfica se puede observar que partiendo ambas del mismo punto inicial, la curva naranja desciende más rápido, lo que significa que alcanzará antes la temperatura de congelación deseada. Esto quiere decir que mientras menor sean las dimensiones de la pieza, menores serán también los tiempos de congelación necesarios, como Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 38 se podría haber razonado de la Ecuación 12, donde se puede ver que los tiempos de congelación son directamente proporcionales a longitud característica del alimento. Esto mencionado puede resultar de mucho interés ya que en muchas situaciones sería recomendable cortar la pieza en piezas de menor tamaño para reducir tanto tiempos de congelación como los costes asociados. 3.2 ESTUDIO DE LA CONGELACIÓN DE ALIMENTOS Durante este apartado se verán, las diferencias existentes en el proceso de congelación entre un producto de pescado, en concreto atún, y un producto cárnico, en concreto ternera. Se considerará que ambos poseen las mismas dimensiones de 0,4x0,2x0,2 metros, misma masa e igual a 30 kg, y que los dos se encuentran en una habitación a -25 ⁰C, con un mismo valor del coeficiente convectivo de transferencia de calor (ℎ=50 𝑊/(𝑚2∙𝐾)), y partiendo de la misma temperatura inicial de 10 ⁰C. 3.2.1 Comparación tiempos de congelación En la Gráfica 10 se puede observar la evolución de la temperatura del centro del producto durante las tres primeras horas. Gráfica 10: Evolución de la temperatura de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. La curva roja se corresponde con el producto cárnico, mientras que la curva azul se corresponde con el producto de pescado. Como se puede observar, partiendo del mismo punto de temperatura inicial, la curva roja decae con más rapidez y alcanza temperaturas más bajas en menores tiempos de congelación que la azul. En este caso en concreto el pescado contiene un 68% de humedad, un 25% de proteína y un 7% de grasa. Por su parte el producto cárnico contiene un 55% de humedad, un 5% de proteína y un 40% de grasa. Estas grandes diferencias en cuanto a su composición son las que hacen que obtengamos resultados diferentes como se explicará en los siguientes apartados. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 39 3.2.2 Comparación cantidad de hielo Se va a comparar la cantidad de hielo que contiene el producto. Esto es de suma importancia ya que las propiedades del hielo varían enormemente en comparación con las del agua líquida. Lo podemos observar en la Gráfica 11: Gráfica 11: Evolución de la cantidad de hielo de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. La curva azul se corresponde con el producto de pescado, mientras que la roja se corresponde con el producto cárnico. Como se puede observar durante el comienzo ninguna de las curvas asciende ya que a esas temperaturas todavía no se ha formado nada de hielo. La primera curva en ascender es la del producto cárnico, esto tiene sentido ya que en el anterior apartado se mencionó que la curva de la carne alcanza menores temperaturas en menores tiempos de congelación en comparación con el pescado, luego ese primer ascenso de la cantidad de hielo debe darse en la curva roja como se puede observar. Poco después de pasar la primera hora de congelación se puede observar que la curva azul asciende de forma exponencial y lo hace hasta un valor más alto que la curva roja. Esto se debe a que el contenido en humedad del pescado es bastante mayor, por lo que también lo será la cantidad de hielo que contenga, afectando a las propiedades como veremos en los siguientes apartados. 3.2.3 Comparación de densidades En este apartado se va a comparar como varía la densidad del producto cárnico y del pescado y se compararán ambos valores apoyándonos en la Gráfica 12: Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 40 Gráfica 12: Evolución de la densidad de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. La curva azul se corresponde con el producto de pescado, mientras que la roja se corresponde con el producto cárnico. Como se puede observar en la Gráfica 12, la densidad del pescado es mayor a la de la carne, esto se debe a que la densidad de la proteína es considerablemente mayor a la de la grasa, y al estar el pescado compuesto por un porcentaje mucho mayor de proteína que de grasa, su densidad será mayor. Para hacernos una idea, a 10 ⁰C, la densidad de la proteína es de 1324 (𝑘𝑔 𝑚3 ⁄), mientras que la de la grasa es de 921 (𝑘𝑔 𝑚3 ⁄). En cuanto a la densidad del agua o de hielo, también es bastante inferior a la de la proteína, y el pescado tiene mayor contenido en humedad, pero pese a esto, la diferencia con la proteína sigue siendo la predominante que hace que la densidad del pescado nunca baje de los 1020 ( 𝑘𝑔 𝑚3 ⁄). 3.2.4 Comparación de conductividad térmica En este apartado se va a estudiar la evolución de la conductividad térmica tanto en un producto de pescado como otro de carne, comparándolos entre ambos. Como se explicó anteriormente, la conductividad térmica es una de las propiedades que más afectan al calor por conducción que sufre un producto, por lo que analizar sus valores es de vital importancia para interpretar correctamente los resultados que se obtienen. Nos apoyaremos en la Gráfica 13: Gráfica 13: Evolución de la conductividad térmica de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 41 La curva azul se corresponde con el producto de pescado, mientras que la roja se corresponde con el producto cárnico. En esta Gráfica 13 se observan muchos cambios de tendencia por lo que se intentará responder a todos ellos. En un comienzo la conductividad térmica del pescado es superior a la de la carne, pero este margen es muy pequeño. Esto es debido a que la conductividad térmica de la proteína y de la grasa son muy parecidos, siendo algo mayor el de la proteína, pero la conductividad térmica del agua sí que es tres veces mayor que la de la proteína o grasa, y al tener el pescado mayor contenido en humedad, pues mayor conductividad térmica. A partir de la primera hora sí que se observa un gran cambio. La conductividad asciende de manera exponencial, haciéndolo primeramente el producto cárnico. Esto se debe a que es el momento en el que se empiezan a formar el hielo, que recordemos que se da antes en la carne, por ello asciende primero. Como se ha explicado anteriormente, la conductividad del hielo es cuatro veces mayor que la del agua y 12 veces superior a la de la proteína o de la grasa. Esto es lo que explica ese gran cambio exponencial que se produce. Una vez pasada más de una hora y media del proceso de congelación, la cantidad de agua líquida es muy escasa, siendo casi toda la totalidad de la humedad hielo, y las diferencias de conductividades entre uno y otro sí que son apreciables. Esto hace que la conductividad del pescado, al contener mayor cantidad de humedad y por ello de hielo, es considerablemente más grande que la de la carne. 3.2.5 Comparación de entalpías Ahora se va a estudiar la evolución de entalpías de un producto cárnico y un pescado en un proceso de congelación frente a la temperatura del centro del producto, comparando ambos resultados, apoyándonos en la Gráfica 14: Gráfica 14: Evolución de la entalpía de la carne y el pescado frente a la temperatura del producto en un proceso de congelación. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 42 La curva azul se corresponde con el producto de pescado, mientras que la roja se corresponde con el producto cárnico. Como se puede observar solo hemos representado a temperaturas por debajo de 0 ⁰C, considerando que ya se empieza a formar el hielo. Las entalpías son muy similares dando la impresión de encontrarse solapadas en algunos momentos. Esto nos quiere decir que la mayor diferencia en los tiempos de congelación la encontraremos a partir de otras propiedades termo físicas del alimento. 3.2.6 Comparación de calores específicos Ahora en este apartado se va a analizar la evolución de los calores específicos de un producto cárnico y otro de pescado, comparando ambos valores obtenidos, como podemos observar en la Gráfica 15: Gráfica 15: Evolución del calor específico de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. La curva azul se corresponde con el producto de pescado, mientras que la roja se corresponde con el producto cárnico. A la vista de la Gráfica 15 se puede observar como el calor específico del pescado es siempre superior al de la carne, siendo esta diferencia mayor cuando el contenido de humedad es agua líquida y estrechándose esta diferencia a medida que avanza el proceso de congelación, y el contenido en hielo es mayor. Esto se debe a que el calor específico del agua es el doble que el del hielo, por eso decae su valor cuando avanza el tiempo. Los calores específicos de la proteína y de la grasa son muy similares. A principio del proceso, únicamente se posee agua líquida y al ser bastante mayor el contenido en humedad del pescado que de la carne, su calor específico también será bastante mayor. Esta diferencia disminuye ya que el calor específico del hielo es algo superior pero parecido al de la proteína o la grasa, por lo que deja de tener tanta importancia la composición del alimento, ya que los calores específicos son muy parecidos entre ellos. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 43 3.2.7 Comparación de difusividades térmicas En este apartado se va a analizar la evolución de las difusividades térmicas de un producto cárnico y un pescado, comparando ambos resultados a partir de la Gráfica 16: Gráfica 16: Evolución de la difusividad térmica de la carne y el pescado frente al tiempo en un proceso de congelación. La curva azul se corresponde con el producto de pescado, mientras que la roja se corresponde con el producto cárnico. En este caso nos encontramos en una situación parecida a gráficas anteriores. La curva roja comienza a ascender antes ya que en productos cárnicos se producen antes los cristales de hielo. Sin embargo, la difusividad del pescado durante casi todo el proceso de congelación es superior a la de la carne. Esto se debe a que la difusividad del hielo es mayor que la difusividad del agua, siendo la difusividad de la proteína y de la grasa similares. Por ello cuando toda la humedad es agua líquida las dos curvas parecen estar solapadas y después se separan en gran medida, debido a que el pescado tiene mayor cantidad de humedad, y, por ende, de hielo. 3.3 COMPARACIÓN CUANTITATIVA ENTRE MÉTODOS En este apartado se va a comparar los resultados obtenidos en tiempos de congelación sobre el caso base anteriormente mencionado en el punto 3.1, utilizando los diferentes métodos explicados. Comparar los resultados de estos métodos no es tarea sencilla debido a sus grandes diferencias. Recordemos que el método de Plank no considera ni la temperatura inicial del alimento ni la temperatura final que andamos buscando, mientras que los otros métodos sí que la consideran, aparte de que considera las propiedades constantes y calculadas a una temperatura en la que el hielo ya se ha formado. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 44 Los resultados obtenidos se pueden observar en la siguiente Gráfica 17: Gráfica 17: Gráfico de barras de tiempos de congelación para distintos métodos. Como se puede observar en la Gráfica 17,los resultados obtenidos son muy similares cuando se utilizan los métodos de Pham o de transferencia, pero difieren cuando se utiliza el método de Plank o el de Heldman, dando como resultado un mayor tiempo de congelación que con los otros métodos. Recordemos que el método de Plank es el único de los cuatro que no considera la temperatura inicial del alimento, por lo que de partida es el más limitado y es más propenso a obtener peores resultados. Esta limitación fue corregida por Heldman, manteniéndose igual el resto de los cálculos en el método, esto hace que el método de Heldman obtenga resultados algo mejores, pero todavía muy lejanos a los correctos. Una de las causas principales de esta diferencia en los tiempos de congelación es que tanto el método de Plank, como el método de Heldman, consideran las propiedades constantes e iguales a cuando hay hielo, sin tener en cuenta el agua líquida del inicio del proceso, a pesar de que ya es conocido las grandes diferencias de valores en las propiedades entre el hielo y el agua líquida. Esta diferencia se puede sobre todo observar en el método de Pham, que considera las propiedades constantes a un valor durante el inicio de la congelación cuando hay agua líquida, y constante a otro valor cuando continua el proceso considerando hielo. Pese a que sea incorrecto considerar constante las propiedades durante el tiempo, está diferencia reduce Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 45 considerablemente el error en los resultados obtenidos, debido a la gran diferencia entre el hielo y agua líquida. Otra gran diferencia que justifica los resultados obtenidos es que tanto el método de Plank, como el de Heldman, consideran los tiempos de congelación hasta que el producto esté completamente congelado, mientras que los otros métodos son considerados hasta una temperatura específica. Por ello, hemos calculado los tiempos de congelación hasta obtener una temperatura en el centro del producto de -30⁰C, con la que consideramos el producto ya congelado. Análisis transitorio de enfriamiento para la mejora de la vida útil de los alimentos 46 4 RESUMEN, CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS 4.1 RESUMEN Como se ha visto durante el desarrollo de este trabajo, el proceso de congelación en la industria alimentaria es un proceso complejo debido a todas las propiedades que afectan a los tiempos de congelación, pero a su vez, también es importante conocer dicho proceso para aumentar la vida útil de los alimentos. Los alimentos poseen en su interior grandes cantidades de microorganismos y bacterias que atacan al producto, provocando el deterioro del alimento. Es por ello por lo que surgen diferentes métodos de conservación de alimentos que buscan de una u otra forma minimizar los efectos que pueden producir los microorganismos sobre los productos. En el caso de la congelación que nos ocupa, con la gran reducción de la temperatura del producto conseguimos eliminar cualquier tipo de microorganismo o parásito. Con todo ello razonamos que el tiempo de congelación ha de ser el menor posible, con el objetivo de evitar que se desarrollen microorganismos en el alimento. Para calcular dicho tiempo de congelación existen diferentes métodos que han ido evolucionando desde la teoría de Plank. En este trabajo se explican cuatro de estos métodos, comentando tanto sus virtudes como limitaciones. Dichas limitaciones son las que se han ido reduciendo a lo largo del tiempo con lo que ahora se consiguen resultados más precisos. Son muchas las propiedades que afectan a los tiempos de congelación, y dichas propiedades varían con la temperatura y por ello con el tiempo, ya que a medida que avance el tiempo, la temperatura va disminuyendo. Dichas propiedades son función también de la composición del alimento ya que por ejemplo no son iguales las propiedades de la grasa que de la proteína, y cada alimento tendrá un porcentaje propio de grasa y de proteína que difiere de los otros alimentos, esto es lo que hace que se obtengan diferentes tiempos de congelación en diferentes alimentos para las mismas condiciones exteriores, es decir, la composición del alimento es de enorme importancia. La mayoría de los alimentos tienen un alto contenido en humedad, siendo mayor en general para los pescados y mariscos. Hay que prestar mucha atención en dicha humedad ya que en el proceso de congelación se produce un cambio de fase con el que el agua líquida se convierte en hielo. Los valores de las propiedades del agua líquida y del hielo son muy diferentes por lo que hará que los alimentos con alto grado de humedad se vean muy afectados por este cambio de fase y posean unas propiedades muy diferentes. Por último, hay una serie de parámetros que no dependen del alimento, sino de las condiciones exteriores a las que expongamos el alimento. Dichos parámetros pueden ser controlados, es por ello por lo que son en ellos en los que deberemos incidir si queremos obtener mejores tiempos de congelación, ya que las propiedades del producto son constantes en el tiempo. Dichos parámetros son la temperatura a la que enfriamos, el tamaño de la pieza y la velocidad del aire del cuarto que afectará al coeficiente convectivo de calor.