Tendencias Actuales en Equipos Continuos de Congelación.
Tendencias Actuales en Equipos Continuos de Congelación. por Rodolfo H. MASCHERONI CIDCA (Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos) (CONICET), Unidad de Investigación y Desarrollo MODIAL (Depto. de Ingeniería Química, Facu
Tendencias Actuales en Equipos Continuos de Congelación.
por Rodolfo H. MASCHERONI
CIDCA (Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos) (CONICET), Unidad de Investigación y Desarrollo MODIAL (Depto. de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería (U.N.L.P.))
INTRODUCCION
La congelación de alimentos es una actividad industrial cuya envergadura a nivel mundial crece constantemente a un ritmo superior al del promedio de las industrias de alimentos.
En el caso de producciones de volúmenes medios y altos los equipos utilizados para congelar alimentos (independientemente de otras características técnicas) son siempre de tipo contínuo. Esto es lógico porque de esta manera se bajan los costos y se uniformiza y mejora la calidad final.
El diseño y construcción de equipos de congelación ha alcanzado en los últimos años altos estándares de calidad, con lo que existen siempre uno o más sistemas adecuados para cada tipo de alimento y forma de presentación del mismo.
De la amplia gama de posibilidades, en el aún reducido mercado argentino, tienen importancia aquellas utilizadas para congelar pequeñas y medianas producciones de hamburguesas, escalopes, milanesas, filetes y otros productos a base de carnes, aves y pescados; hortalizas de distinto tipo; helados y volúmenes mucho menores de frutas, comidas preparadas y productos de panadería.
En general, ello reduce el mercado nacional a los túneles de cinta y lechos fluidizados, a los equipos criogénicos y a la congelación en dos etapas (fundamentalmente criogénico-mecánica).
En una perspectiva histórica, la primera prioridad de los diseñadores y constructores de equipos ha sido el crear equipos que aseguren la más alta calidad final posible de los alimentos congelados. Obviamente, esta orientación está restringida por el factor costo de congelación, el que determina para cada producto y condiciones de comercialización un equilibrio entre calidad y costos.
Muy recientemente, principalmente en Europa, han aparecido importantes cuestionamientos a los aspectos sanitarios del diseño y operación de los equipos, los que han desplazado los factores de costos (inversión y operación) a un tercer orden de importancia e influído fuertemente en el rediseño de los equipos existentes.
OBJETIVOS ACTUALES DE DISEÑADORES DE EQUIPOS DE CONGELACION:
Estos se centran en lograr (con prioridad decreciente) las siguientes prestaciones de los equipos:
· Obtener un producto congelado de la máxima calidad final,
· Cumplimentar estrictas condiciones en cuanto a sanidad y facilidad de limpieza,
· Tener los menores costos fijos y de operación compatibles con las condiciones anteriores.
CALIDAD FINAL
Como dijimos anteriormente, éste es el primer factor a considerar.
La tendencia es a utilizar equipos y condiciones de operación que den un producto de la mejor calidad posible, siempre que el aumento en los costos del proceso se justifique económicamente (éste es un aspecto en el que están involucradas tanto las distintas etapas de la cadena de frío, que pueden afectar fuertemente la calidad previa, como la disposición del mercado a pagar mayores precios por mejor calidad).
Esa mejor calidad se obtiene generalmente a partir de una mayor velocidad de refrigeración y de condiciones de operación controladas y constantes.
Los factores que determinan la velocidad de refrigeración son:
· Temperatura del medio refrigerante
· Coeficiente efectivo de transferencia de calor
· Forma y tamaño del producto
· Propiedades físicas del sistema
· Otros (temperaturas inicial y final, humedad relativa)
Veremos cada uno en particular y como se los puede manejar a través del diseño y operación de los equipos:
Tabla 1
Opciones en equipos contínuos de congelación de alimentos.
EQUIPOS CONTINUOS DE CONGELACION.
REFRIGERACION MECANICA.
POR AIRE:
· Túneles de trolleys
· Túneles de contenedores
· Túneles de cajas
· Túneles de cintas
· Lechos fluidizados
POR CONTACTO:
· Congeladores de placas horizontales
POR INMERSIÓN:
· Sólo inmersión
· Inmersión más aspersión
REFRIGERACION CRIOGENICA:
Por CO2:
· Por aspersión
Por N2:
· Por aspersión
· Por inmersión
EN DOS ETAPAS:
CRIOGENICO-MECANICO (combinado)
· Pre-congelador: Equipo criogénico estándar
· Pre-congelador: Equipo criogénico específico
MECANICO-MECANICO (Placa + cinta)
TEMPERATURA DEL MEDIO REFRIGERANTE:
El tiempo de congelación es aproximadamente proporcional a la inversa de la diferencia entre la temperatura inicial (Ti) y la del refrigerante (Tr) (o sea a 1/(Ti -Tr)).
Siempre que se baje la temperatura del refrigerante disminuirá proporcionalmente el tiempo de proceso.
En congelación industrial de alimentos hay dos grandes divisiones en cuanto a la temperatura de refrigerante:
· En refrigeración mecánica la temperatura alcanzable en condiciones económicamente favorables es del orden de
· En refrigeración criogénica la temperatura está determinada por la de evaporación del refrigerante empleado (aproximadamente
O sea que la elección del tipo de refrigerante prácticamente condiciona la temperatura de trabajo, y es un factor sobre el que no se puede influir mayormente.
COEFICIENTE EFECTIVO DE TRANSFERENCIA DE CALOR:
El coeficiente de transferencia de calor h es una medida de la facilidad de intercambiar calor entre el medio externo (el refrigerante) y el sistema (el alimento).
Su valor está determinado por la fluidodinamia del refrigerante (velocidad y forma de circulación) y forma de contacto, existencia de envolturas, de huecos de aire y de la forma, tamaño y distribución espacial de los productos.
En forma general: a mayor velocidad y turbulencia del refrigerante y ausencia de envolturas aumenta significativamente el coeficiente de transferencia.
La influencia del h sobre el tiempo de congelación es alta para valores bajos del mismo (por ejemplo aire a bajas velocidades o envolturas muy aislantes) pero disminuye rápidamente a valores altos (altas velocidades y turbulencia, ausencia de envolturas).
FORMA Y TAMAÑO DE LOS PRODUCTOS:
Generalmente el tiempo de congelación depende del tamaño (espesor) elevado a una potencia cercana a 2. Es decir, que un producto del doble de espesor que otro tardará aproximadamente cuatro veces más que el primero para congelarse en las mismas condiciones de operación.
Visto de otra forma, si pudiese reducir el tamaño de los productos a la mitad tendría la posibilidad de congelar casi el cuádruple de peso con el mismo equipo y en igual período de tiempo (siempre que el equipo de congelación tuviese la capacidad de refrigeración suficiente).
Muchas veces no podré cambiar el tamaño del producto, pero sí manejarlo de cierta forma (en monocapas o pequeños espesores, a diferencia de capas o contenedores de mayor espesor), que equivalen a una reducción de tamaño y permiten optimizar la transferencia de calor.
Respecto a la forma, el transferir calor por varias caras disminuye proporcionalmente el tiempo de congelación. Así una placa tarda el triple en congelarse que una esfera de diámetro igual al espesor de la placa y el doble que un cilindro de igual diámetro.
OTROS FACTORES:
Sobre ellos tengo pocas posibilidades de influir:
Propiedades térmicas: Los tiempos de congelación son proporcionales a la inversa de la difusividad térmica Ó (a es el cociente entre la conductividad térmica y el producto de la densidad por la capacidad calorífica).
Sólo se puede influir en ciertos casos aumentando la conductividad térmica por mejor compactación, eliminación de huecos de aire, descortezado, etc.
Temperatura inicial: La puedo modificar en el caso de productos cocidos o fritados a los cuales se les puede refrigerar en forma natural o forzada previo a la congelación.
Temperatura final: En ciertos casos se puede detener el enfriamiento sin que el centro térmico haya alcanzado la temperatura final deseada, y dejar que ésta se uniformice en la cámara de almacenamiento (esto puede producir ahorros en el tiempo de congelación de hasta un 15% sin introducir una carga adicional a la cámara de almacenamiento).
Humedad relativa: Esto es válido para refrigeración por aire. Una baja humedad ambiente disminuye el tiempo de congelación debido a la absorción de calor por sublimación de hielo superficial. No parece una solución adecuada porque dicha sublimación tiene efectos negativos sobre la calidad (pérdida de peso, manchado, enranciamiento).
Actualmente, la mayor parte de las modificaciones o nuevos desarrollos en el diseño se realizan para tomar ventaja de alguno de los posibles modos de aumento de la velocidad de congelación (generalmente uso de menor temperatura o mayor coeficiente de transferencia de calor) para acelerar las etapas iniciales de la congelación de productos sensibles. Por tales se considera a aquellos con tendencia a deformarse, desmenuzarse, pegarse o deshidratarse durante la congelación.
Esta etapa inicial acelerada intenta formar rápidamente una capa superficial de alimento congelado que fije la estructura eliminando el riesgo de daño o pérdida excesiva de peso.
A continuación se da una lista (no exhaustiva) de dichos productos:
ALIMENTOS SENSIBLES QUE ES DESEABLE CONGELAR EN CONDICIONES ESPECIALES
BLANDOS:
· Frutillas IQF (tendencia a aplastarse)
· Frambuesas y moras (propensión a desmenuzarse)
· Masas, hamburguesas, escalopes (se deforman en túneles de cintas)
· Helados, pasteles (idem)
· Semilíquidos (pasteles con crema)(se deforman y escurren)
PEGAJOSOS:
· Camarones, langostinos y otros mariscos pelados
· Frutillas (en lecho fluidizado)
· Trozos de carne (en túnel de cinta)
· Filetes (en túnel de cinta)
· Ravioles y similares
CON TENDENCIA A DESHIDRATARSE:
· Hamburguesas y albóndigas (por la carne picada)
· Mariscos
· Champiñones
CON TENDENCIA AL PARDEAMIENTO:
Champiñones
METODOS UTILIZADOS PARA MEJORAR
Básicamente se usan dos enfoques que no son excluyentes:
A) Rediseño de las condiciones de circulación del aire refrigerante en congeladores de cintas
B) Uso de una etapa inicial de congelación rápida (crusting)
A) Rediseño de las condiciones de circulación de aire
1) Algunos fabricantes de equipos tales como FRIGOSCANDIA y YORK han modificado el patrón de circulación del aire a través de las cintas, de forma que éste no sea más unidireccional sino envolvente, asegurando que una mayor proporción de la superficie de los productos reciba el flujo de aire refrigeran-te. Esto trae aparejado el correlativo aumento de la velocidad de congelación con sus consecuencias: menores tiempos de congelación y pérdidas de peso por sublimación.
2) Otros fabricantes, tales el caso de ROSS, introducen el concepto de Sistema de Control de Capa Límite (congelación por chorro de aire o impingement freezing).
Consiste en un equipo de refrigeración mecánica con prestaciones de un equipo criogénico pero a un costo sensiblemente menor.
Esto se logra utilizando chorros de aire fuertemente colimados desde boquillas especiales que "perforan" la capa límite estanca que rodea al producto. La incidencia es simultánea por las superficies superior e inferior.
La tecnología reduce hasta a un sexto el tiempo de congelación (depende de la relación área/volumen) y a un tercio la pérdida de peso respecto de un túnel de cintas convencional.
Para una hamburguesa de
|
Método de Congelación |
Tiempo de Congelación |
Pérdida de Peso |
|
Túnel convencional |
17 min. |
1,6 % |
|
Túnel criogénico |
3,2 min. |
0.5 % |
|
Por chorro de Aire |
3,2 min. |
0.5 % |
B) Uso de una etapa inicial de congelación rápida (crusting)
La idea es congelar por un método rápido la capa superficial de producto, asegurando la calidad, pero sin asumir totalmente el costo de una congelación por métodos criogénicos (aproximadamente 10 veces más caros que los mecánicos). La proporción del alimento a congelar en esta etapa está en un
Se puede realizar de dos formas:
1) Por un método combinado criogénico-mecánico.
Aquí, nuevamente se presentan dos posibilidades:
I) Utilizar como pre-congelador un equipo criogénico estándar (generalmente de aspersión o inmersión en N2 líquido). Tiene la ventaja de poder usar un equipo tal vez preexistente en la empresa el que, además, puede servir como congelador normal en caso de necesidad (picos de producción, falla del congelador mecánico).
II) Utilizar un equipo diseñado específicamente con ese propósito. Aquí la ventaja es contar con un equipo con las prestaciones ideales para ese fin.
A modo de ejemplo, se presentan dos desarrollos muy recientes de FRIGOSCANDIA:
· El CRUSToFREEZE utiliza una cinta contínua sobre la que se alimenta el producto, el cual pasa inicialmente por un baño de N2 líquido y posteriormente recibe una lluvia del mismo refrigerante, abandonando el equipo en forma de productos firmes y no aglomerados (recomendado para mariscos, frutillas y frambuesas, frutas y vegetales en general y champiñones).
· El AGA Freeze F consta de una cinta transportadora de acero inoxidable sobre la que se esparce una lluvia de N2 líquido. Los productos son inmediatamente cargados sobre la cinta muy fría lográndose una rápida formación de costra congelada (especialmente apto para productos chatos).
2)Por un método combinado mecánico-mecánico
El ejemplo es el desarrollo de FOOD SYSTEMS EUROPE llamado Super Contact Product Surface Freezing Tunnel. El mismo consiste de una placa metálica refrigerada por un serpentín extrudado en la misma, lográndose temperaturas de
ASPECTOS HIGIENICOS Y SANITARIOS RELACIONADOS CON EL DISEÑO Y OPERACION DE CONGELADORES CONTINUOS
Habíamos dicho al comienzo de esta conferencia que los aspectos sanitarios habían cobrado recientemente una enorme importancia, a tal punto de influir en el rediseño de los equipos y en la ecuación económica del proceso.
La existencia de varios casos de contaminación e intoxicación microbiana con víctimas fatales movió en Europa y E.U. a una corriente que detectó los puntos flojos del diseño y operación de los equipos y desarrolla directivas respecto a mejoras en ambos aspectos.
Los principales defectos descubiertos fueron:
· Condiciones de operación con zonas del equipo y/o períodos de tiempo con temperaturas superiores a
· Zonas donde se acumulaban restos de alimentos, jugos y agua de desescarche y limpieza, principalmente rincones no curvos, con depresiones o uniones, juntas en el piso, perfiles abiertos o cóncavos, etc.
· Zonas inaccesibles a los sistemas de limpieza.
Ello llevó al desarrollo de diversas directivas que incluyen:
REQUERIMIENTOS PARA MAQUINARIA DE PROCESAMIENTO DE ALIMENTOS
· Debe ser diseñada y construida de forma que los materiales en contacto con alimentos puedan ser limpiados antes de cada uso.
· Todas las superficies deben ser suaves, sin bordes o grietas que puedan albergar materiales orgánicos.
· Las estructuras deben evitar a un mínimo las salientes, bordes y entradas. Los tornillos y remaches se deben usar sólo si son imprescindibles.
· Todas las superficies deben ser fácilmente limpiables y desinfectables. Las superficies internas deben ser curvas.
· Debe ser posible desagotar cualquier líquido sin impedimentos.
· El diseño debe prevenir la acumulación de líquidos, seres vivos y materia orgánica en las áreas que no puedan ser limpiadas.
· Ninguna sustancia auxiliar (tal como los lubricantes) debe tener contacto con los alimentos
CRITERIOS DE DISEÑO HIGIENICO
Bajo las condiciones de uso los materiales deben ser no tóxicos, no absorbentes y resistentes al producto así como a los agentes de limpieza y desinfección.
· Los plásticos reforzados y elastómeros no deben permitir la penetración del producto.
· Se debe controlar la compresión de los elastómeros.
· Las superficies deben escurrir (pendiente mayor que 3°)
· La rugosidad superficial debe ser menor que 0.8 micrones.
Deben ser evitados:
· Juntas metal-metal,
· Desalineación en conexiones de equipos y cañerías,
· Grietas en sellos y uniones,
· O-rings,
· Tornillos,
· Bordes agudos (radio preferentemente mayor a
· Areas muertas.
Estas recomendaciones han tenido tal peso que importantes fabricantes han rediseñado totalmente sus equipos. Por ejemplo FRIGOSCANDIA reformó su FLOFREEZE bajando su altura (eliminó la carga superior y toda la estructura muerta involucrada), dejó un pasillo central para poder limpiar todas las áreas del equipo, modificó los sistemas de lavado y escurrido, etc.
Estas modificaciones involucran mayores costos de construcción y de limpieza, los que no siempre son compensados con menores períodos de paro para limpieza y desinfección.
CONCLUSIONES
La competencia constante por obtener pequeñas mejoras en la calidad final de los productos congelados, principalmente de aquellos más sensibles al daño mecánico durante el proceso, así como las presiones de mercado por asegurar la sanidad de las mercaderías congeladas son los dos factores de mayor peso en las modificaciones en el diseño de equipos contínuos de congelación de alimentos.
Otro factor, que es general para el sector de refrigeración, es la adaptación de los equipos de producción de frío para el reemplazo de ciertos freones, el fin de cuyo período legal de utilización (en el Hemisferio Norte) se acerca rápidamente.
Finalmente, existe un hecho que puede ser de interés para nuestro país, donde son muy comunes los pequeños volúmenes de producción. Este es la aparición de equipos contínuos de congelación de muy baja capacidad (desde 100 kg/h), los que permitirán que muchas operaciones de congelación que actualmente se realizan en equipos discontínuos (de díficil diseño y regulación), puedan efectuarse bajo condiciones estandarizadas que aseguren mejor calidad final y simplifiquen la operatoria.
