Congelación criogénica: ¿cómo calcular las necesidades de frío de los alimentos?

Descubra en este artículo cómo calcular las necesidades de frío y de fluidos criogénicos para un proyecto de congelación.

Estimar las necesidades de frío de un alimento

¡Es muy fácil obtener las cifras correctas en muy poco tiempo!

Las necesidades de refrigeración están relacionadas con la composición del producto. En efecto, no todos los componentes que constituyen un producto tienen las mismas características térmicas. En la industria agroalimentaria, por supuesto, los fabricantes las conocen y estos datos también constan de la etiqueta del envase, con el fin de informar al consumidor. Para simplificarlo, la composición de los alimentos puede resumirse en tres elementos básicos:

1. el agua, que es el elemento predominante en los productos alimenticios, a menudo en niveles de entre 60 y 90 %.
2. las materias grasas, en una proporción que oscila entre 0 y el 40 %.
3. el resto, que nosotros vamos a considerar como «materia seca».

En la criogenia alimentaria, la fórmula de Chaim se utiliza para calcular la energía necesaria para congelar un alimento. Se expresa en kJ/kg (o comúnmente en kcal/kg) según la fórmula a continuación.
En el caso de la congelación, calcularemos la diferencia de entalpía (cantidad de energía) del producto entre su estado inicial (cuando está fresco) y su estado final (el producto congelado), teniendo en cuenta el cambio de estado de una parte del producto al pasar por la fase de congelación (transformación del agua en hielo)

Q = ( Cs x ∆T1 ) + L + ( Cg x ∆T2 )

con:

• Cs, el calor específico (o capacidad calorífica específica) por encima del punto de congelación (kj/kg.°C ou kcal/kg.°C)

  Cada uno de los tres componentes que forman el alimento tienen calores específicos conocidos o aproximados:

  • Água: Cs = 1,00 kcal/kg°C
  • Materias grasas: Cs = 0,50 kcal/kg°C
  • Materias secas: Cs = 0,35 kcal/kg°C

  Para determinar el valor de los Cs+ global del alimento, basta con sumar los calores específicos de cada uno de los componentes del producto
  Cs+ = (1,00 x % Água) + (0,50 x % Materias grasas) + (0,35 x % Materias secas)

• L, el calor latente de solidificación (kcal/kg)

  En el caso de los alimentos, diversos fenómenos pueden influir en la cantidad de energía necesaria durante la congelación. Sin embargo, sólo se tendrá en cuenta el calor de solidificación del agua. La gran cantidad de agua que suelen contener los productos y el elevado valor del calor latente de solidificación hacen de esta etapa el factor clave para determinar la necesidad de frío del alimento durante la congelación.

  Este valor se conoce como: LH₂O = 80 kcal/kg

  Para determinar el valor del calor latente de un alimento, basta tener en cuenta el calor latente del agua multiplicado por el porcentaje de agua que contiene el producto:
  L(producto) = (80 x % Água)

• Cg, el calor específico (o capacidad calorífica específica) por debajo del punto de congelación (kj/kg.°C o kcal/kg.°C)

  Como en el caso del calor específico por encima del punto de congelación, el calor específico por debajo del punto de congelación se calcula a partir de los tres principales componentes del alimento utilizando los siguientes valores:

  • Água: Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Materias grasas: Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Materias secas: Cs+ = 0,35 kcal/kg°C

  Para determinar el valor Cg de un alimento, basta tener en cuenta el Cg de cada uno de los componentes, en función de la composición del producto: 
  Cg = (0,50 x % Água) + (0,50 x % Materias grasas) + (0,35 x % Materias secas)

• ∆T1, es la diferencia de temperatura entre la temperatura inicial y la temperatura del punto de congelación.
• ∆T2, es la diferencia de temperatura (en °C) entre la temperatura de congelación y la temperatura final deseada del producto.

Caso práctico : Un enfoque presupuestario para la congelación de un filete de carne picada con 15 % de Materias Grasas

El contenido de agua de un filete picado ronda el 66 %. En nuestro caso, el contenido de grasa es de 15 %. Por tanto, podemos deducir que el contenido de materia seca equivale a 19 %.

A efectos de este ejemplo (aunque no sea realista), supondremos una temperatura inicial del producto de 20 °C y una temperatura final de -20 °C. Se utilizará una temperatura de congelación de 0 °C

• Cs, calor específico por encima del punto de congelación (kcal/kg.°C)

  El calor específico del filete picado, por encima del punto de congelación, se determina a partir del calor específico de cada uno de sus componentes:
  Cs = (1,00 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x0,19) = 0,80 kcal/kg°C

• L, calor latente de solidificación (kcal/kg) del filete con 66 % de contenido en agua

  L = (80 x 0,66) = 52,8 kcal/kg

• Cg, calor específico por debajo del punto de congelación(kcal/kg.°C)

  El calor específico del filete picado por debajo del punto de congelación viene determinado, una vez más, por el calor específico de cada uno de sus componentes:
  Cg = (0,50 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x 0,19) = 0,47 kcal/kg°C

• ∆T1 diferencia de temperatura (en °C) entre la temperatura inicial y la temperatura de congelación del producto.
  ∆T1 = (20 - 0) = 20 °C
• ∆T2 diferencia de temperatura (en °C) entre la temperatura de congelación y la temperatura final del producto.
  ∆T2 = (0 - (-20°)) = 20 °C

La fórmula de Chaim nos indica que se precisan 78,2 kcal/kg para congelar los filetes picados con 15 % de materias grasas.
Q = ( 0,80 x 20 ) + 52,8 + ( 0,47 x 20 ) = 78,2 kcal/kg

Comparemos este resultado con los datos reales

La curva de medición siguiente, realizada sobre el producto, nos indica:

• A 20 °C, la entalpía medida es de 17,03 kcal/kg
• A -20 °C, la entalpía medida es de -56,53 kcal/kg
• Esto significa una necesidad de frío de 73,56 kcal/kg para pasar de 20 °C a -20 °C.

La desviación entre las necesidades reales y el cálculo teórico obtenido a partir de la fórmula Chaim es del orden del 5 %, lo que resulta aceptable para realizar una estimación presupuestaria inicial de la solución de congelación.

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