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8/18/2019 3 - Refrigerazione e Congelamento
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III-1
3. Conservazione di alimenti a bassa temperatura
Le basse temperature esplicano la loro azione di conservazione degli alimenti attraverso due
azioni:
-
un progressivo rallentamento (refrigerazione), sino ad un blocco totale(congelamento, surgelazione), delle reazioni chimiche che causano il deterioramento
degli alimenti;
- la riduzione della velocità di crescita dei microrganismi presenti in essi. Batteri, lieviti
e muffe vengono messi in condizioni non più adatte a moltiplicarsi.
Il freddo non è un processo sterilizzante, poiché si limita a mettere in uno stato di quiescenza i
microrganismi, fino a che il prodotto verrà mantenuto in quelle particolari condizioni di bassa
temperatura.
Questo trattamento provoca minimi cambiamenti nelle caratteristiche sensoriali organolettiche
e nelle proprietà nutrizionali.La refrigerazione è il metodo più diffuso per conservare a breve termine ogni tipo di
alimento deperibile, e consente il mantenimento delle caratteristiche organolettiche e di quelle
igienico-sanitarie di partenza.
Il congelamento è un metodo diffuso per garantire una conservazione del prodotto molto
prolungata.
La surgelazione si distingue dal congelamento per le modalità con cui la temperatura viene
abbassata: in meno di 4 ore si raggiunge una temperatura al cuore del prodotto di -18°C,
mantenuta ininterrottamente sino alla distribuzione finale. Inoltre, la surgelazione mantiene
maggiormente il valore nutritivo ed le caratteristiche organolettiche dei prodotti.
Refrigerazione di alimenti
La refrigerazione mira alla conservazione di prodotti alimentari nell’intervallo 0-4°C con
l’obiettivo di estendere la shelf life sia di alimenti freschi che di alimenti processati. In questo
intervallo di temperatura i liquidi organici non solidificano e, pertanto, non si ledono le
strutture cellulari dell’alimento.
La refrigerazione non può essere adottata per tutti i prodotti alimentari. Alcuni tipi di frutta e
vegetali reagiscono negativamente alle temperature di refrigerazione: ad esempio le banane
imbruniscono velocemente se conservate a temperature più basse di 12°C, mentre il processo
di raffermamento del pane è più veloce a basse temperature.
Ogni alimento presenta un intervallo di temperature di refrigerazione ottimale.
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III-2
Le basse temperature rallentano tutte le fasi del ciclo di crescita microbica, ma la
refrigerazione non garantisce da sola la sicurezza alimentare. La refrigerazione previene la
crescita di microrganismi termofili e di molti mesofili, ma numerosi organismi pricrofili
provocano ugualmente l’alterazione degli alimenti:
-
Clostridium botulinum tipo E può crescere fino a 3°C;
- Listeria monocytogenes può crescere fino 3°C;
-
Yersinia enterocolitica può crescere fino a 10°C.
Per la refrigerazione il fattore più importante della crescita microbica è la minima temperatura
di crescita.
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III-3
La conservazione a temperatura di refrigerazione è basata soprattutto su i microrganismi che
determinano deterioramento, anche se diversi patogeni possono essere presenti e crescere a
tali temperature.
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III-4
Diverse reazioni chimiche e biochimiche possono evolvere durante la frigo-conservazione con
conseguente variazione della qualità percepita. In molti casi sono proprio queste ultime e non
la crescita microbica a compromettere la shelf life dei prodotti refrigerati.
Tutte le reazioni chimiche che influenzano la shelf life degli alimenti devono essere
considerate per gli alimenti refrigerati, tenendo conto che le cinetiche sono rallentate per
effetto di un abbassamento della temperatura (ossidazione dei lipidi, reazione di Maillard).
Inoltre, gli enzimi presenti negli alimenti fungono da catalizzatori in molte reazioni
(imbrunimento enzimatico, glicolisi, proteolisi, lipolisi) che hanno un impatto negativo sulla
qualità, anche se tali reazioni sono rallentate a basse temperature.
Si possono poi avere inoltre processi chimico-fisici, quali fenomeni di trasporto di materia (ad
es. migrazione dell’acqua), e cambiamenti di fase (ad es. cristallizzazione dei grassi, burro e
cioccolato). Durante la frigo conservazione si possono avere significative perdite di nutrienti.
Di particolare importanza è la perdita di vitamina C e vitamina B. La perdita di vitamina C
dipende da molti fattori, come il tipo di prodotto (pH, contenuto di acqua, contenuto di
enzimi), la composizione dell’atmosfera, la temperatura.
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III-5
Nel dimensionare un sistema di refrigerazione occorre considerare che è da eliminare non
solamente il calore per raggiungere la temperatura desiderata, ma anche il cosiddetto calore
di respirazione, soprattutto nel caso di prodotti vegetali, che sono caratterizzati da un proprio
metabolismo. Ogni frutto/ortaggio è "vivo" e respira consumando ossigeno, non solo durante
la fase di crescita in campo, ma anche dopo la raccolta. Il processo di respirazione è
contraddistinto dalla demolizione ed ossidazione di carboidrati quali zuccheri ed acidi,
immagazzinati nei tessuti vegetali. I prodotti finali della respirazione sono: calore, anidride
carbonica, vapore acqueo ed alcuni composti aromatici. Più intensa è l'attività respiratoria di
un frutto/ortaggio e più rapido risulta essere il suo "invecchiamento" e di conseguenza più
ridotta la sua conservabilità.
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III-7
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III-8
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III-9
La temperatura ottimale di refrigerazione può non essere assicurata durante tutta la catena di
distribuzione (stoccaggio presso l’azienda di produzione, trasporto, stoccaggio presso i punti
vendita, conservazione domestica), per cui per prolungare la shelf life la refrigerazione è
sempre accompagnata da altre tecniche di conservazione, come l’atmosfera protettiva o il
confezionamento sotto vuoto.
Una riduzione della concentrazione dell’ossigeno e/o un aumento della concentrazionedell’anidride carbonica costituiscono infatti un ulteriore ostacolo allo sviluppo microbico.
Occorre prestare comunque attenzione a possibili alterazioni dovute a microrganismi
anaerobici. Si usano in particolar modo tre tipologie di atmosfera controllata:
- Controlled-atmosphere storage (CAS): le concentrazioni di O2, CO2 ed, in alcuni casi,
di etilene sono controllate e regolate; l’O2 è in genere inferiore al 4%. Tale tecnica è
utile per i prodotti che si alterano rapidamente anche alla temperatura ottimale di
conservazione (ad es. frutta).
- Modified-atmosphere storage (MAS): si modifica l’atmosfera all’inizio, poi si lascia
che cambi naturalmente a causa della permeabilità del materiale e per fenomeni di
assorbimento o emissione di gas da parte del prodotto. In questo caso diminuisce O2
ed aumenta CO2. Tale tecnica è usata nella conservazione dei cereali, dove l’elevata
concentrazione di anidride carbonica distrugge insetti e muffe.
-
Modified-atmosphere packaging (MAP): in questo caso la composizione dei gas in
una confezione o in un contenitore di permeabilità nota viene modificata dopo
l’immissione dell’alimento, ma prima che si faccia la chiusura. Tale tecnica viene
applicata per alcuni alimenti freschi e per molti alimenti preparati quali pane, pizze e
pasta fresca.
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III-10
Congelamento di alimenti
Il congelamento è una operazione con la quale un alimento viene portato ad una temperatura
al di sotto del punto di congelamento ed una parte dell’acqua congela. Il congelamento mira
alla conservazione di prodotti alimentari a temperature comprese tra -18 e -30°C. Sotto il
profilo merceologico e qualitativo, si intende surgelato quel prodotto che viene portato a
basse temperature in un tempo massimo di 4 ore. L’obiettivo è anche in questo caso quello di
prolungare la shelf life dell’alimento. La frutta a -12°C può essere conservata da 3 a 6 mesi, e
la durata sale a 24 mesi per una temperatura di congelamento di -24°C. La carne può essere
conservata per 6-9 mesi a -12°C, e sino a 15-24 mesi se conservata a -24°C.
Il congelamento (surgelazione) è una tecnica di conservazione largamente utilizzata per tutti
quei prodotti alimentari per i quali la qualità del prodotto congelato (surgelato) è
significativamente migliore di qualsiasi altra alternativa (ad es. carne, pesce, vegetali).
Il congelamento consente infatti di rallentare la cinetica di crescita microbica e l’attività
enzimatica e di ridurre la disponibilità di acqua liquida necessaria alla crescita microbica.
Ovviamente la qualità di un prodotto surgelato dipende da:- qualità delle materie prime di partenza;
- processo di congelamento;
- condizioni e tempo di stoccaggio.
Gli svantaggi del processo di congelamento sono i seguenti:
- condizioni di temperatura non controllata possono portare a parziale scongelamento e
ricristallizzazione, con conseguenze negative sulle proprietà di texture;
- durante il prolungato tempo di stoccaggio si possono avere alte perdite di vitamine;
-
alcuni microrganismi possono crescere a basse temperature, ad es. lo Pseudomonas,microrganismo psicrofilo che cresce sulla superficie di carne e pesce;
-
l’attività di alcuni lieviti è nota essere presente a temperature più basse di -2°C;
-
alti costi legati all’energia che bisogna sottrarre in fase di processo, in fase di
stoccaggio e in fase di trasporto.
Durante il congelamento il calore sensibile è il primo ad essere rimosso per abbassare la
temperatura di un alimento al punto di congelamento. Negli alimenti freschi deve essere
allontanato anche il calore prodotto per respirazione.
Quindi viene rimosso il calore latente di cristallizzazione e si la formazione dei cristalli di
ghiaccio. Prima che altri costituenti degli alimenti solidifichino deve essere allontanato anche
il calore latente di questi, come ad esempio dei grassi, ma in conseguenza della grande
quantità di acqua presente negli alimenti, gli altri componenti richiedono una quantità
relativamente bassa di calore per la cristallizzazione.
Se viene controllata la temperatura al centro termico di un alimento (definito come il punto
che si raffredda più lentamente) quando viene rimosso il calore si ha un grafico caratteristico,
formato da sei parti:
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III-11
AS: l’alimento viene raffreddato al di sotto del punto di congelamento (T f ) che è sempre al di
sotto di 0°C (ad eccezione dell’acqua pura). Il punto di congelamento (punto di gelo o puntocrioscopico) è la temperatura alla quale un piccolo cristallo di ghiaccio esiste in equilibrio con
l’acqua circostante; negli alimenti esso è compreso fra -0.5 e -4°C. Al punto S l’acqua rimane
allo stato liquido sebbene la temperatura sia al di sotto del punto di congelamento. Questo
fenomeno è conosciuto come sottoraffreddamento e può essere anche di valori inferiori ai
10°C al di sotto del punto di congelamento.
SB: la temperatura sale rapidamente fino al punto di congelamento quando i cristalli iniziano
a formarsi ed il calore latente di cristallizzazione viene liberato.
BC: il calore viene rimosso dall’alimento alla stessa velocità di prima. Il calore latente viene
sottratto e si forma il ghiaccio, ma la temperatura rimane quasi costante. Il punto di
congelamento viene ridotto dall’aumento della concentrazione del soluto nella soluzione noncongelata e la temperatura perciò si abbassa leggermente. Durante questa fase si ha la
formazione della maggior parte del ghiaccio.
CD: uno dei soluti diviene soprasaturo e cristallizza: il calore latente di cristallizzazione viene
liberato e la temperatura sale alla temperatura eutettica di quel soluto.
DE: la cristallizzazione dell’acqua e dei soluti continua. Il tempo totale t f necessario viene
determinato dalla velocità con la quale il calore viene rimosso.
EF: la temperatura della miscela acqua/ghiaccio scende sino alla temperatura del congelatore
(T e).
Rispetto al congelamento dell’acqua pura si hanno quindi due importanti differenze:
- la temperatura alla quale inizia la cristallizzazione del ghiaccio è inferiore rispetto a
quella che si ha in acqua pura e l’entità di tale abbassamento dipende dalla
composizione del prodotto;
- la rimozione del calore latente di fusione si ha gradualmente mentre la temperatura del
prodotto diminuisce.
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III-12
Durante il congelamento si hanno due fasi:
- nucleazione (comparsa di nuclei di cristallizzazione), omogenea o eterogenea;
- accrescimento (i nuclei crescono formando dei macrocristalli).
Se il congelamento è lento si cristallizza prima l’acqua extra-cellulare in quanto meno ricca di
soluti: si ha disidratazione osmotica delle cellule a cui segue plasmolisi, con conseguente perdita di liquidi contenenti vitamine e sali minerali.
Il congelamento rapido è una tecnica più innovativa che mira a portare il prodotto a
temperature molto basse (T < -30°C) in tempi brevi. In queste condizioni prevale la fase di
nucleazione con formazione di microcristalli di ghiaccio sia extra che intra-cellulare che non
rompono le membrane cellulari, per cui i tessuti vengono salvaguardati.
Altri effetti del congelamento sono i seguenti:
- Concentrazione dei soluti: Il congelamento determina variazioni di pH, forza ionica,
pressione osmotica, insolubilizzazione proteica (con conseguente aumento della
consistenza), insolubilizzazione di gel, amidi, pectine (con conseguente aumento dellaviscosità), precipitazioni di sali e zuccheri.
- Aumento di volume, dal momento che il volume del ghiaccio è circa il 9% maggiore
di quello dell’acqua pura (a parità di massa).
- Danni meccanici: Il congelamento può determinare rottura delle cellule e liberazione
di enzimi.
L’abbassamento del punto di inizio congelamento dipende dal peso molecolare dei soluti
presenti in fase acquosa, in particolare dal soluto predominante, e dalla loro concentrazione.
L’equazione seguente:
0
1 1ln
w f
X R T T
λ ⎡ ⎤− =⎢ ⎥
⎢ ⎥⎣ ⎦ → 0
01 ln
w f
w
T T
RT X
λ =
−
mostra la relazione che intercorre tra la frazione molare di acqua nel prodotto ( X ), la
temperatura alla quale l’acqua pura congela (T 0w), la temperatura alla quale inizia la
formazione del ghiaccio nel prodotto (T f ), il calore latente di fusione (λ) e la costante dei gas perfetti ( R). La frazione molare di acqua nel prodotto può essere definita nel modo seguente:
( )
( ) ( )
18
18
w
w s s
x X
x x M =
+
xw = frazione massica dell’acqua
x s = frazione massica dei solidi
M s = peso molecolare dei solidi
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III-13
Occorre precisare che il totale congelamento dell’acqua in genere non si verifica; sidistinguono infatti:
- Acqua legata: è legata a vari composti (costituisce il 2-5%);
- Acqua libera: è liquida, con soluti disciolti, la cui concentrazione ne determina il
punto di congelamento
L’acqua legata ha un punto di congelamento molto inferiore a quello dell’acqua libera (
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III-14
Calcolo del calore da sottrarre per il congelamento
Per il calcolo del calore da sottrarre durante il congelamento di un alimento si deve
considerare che vi è una frazione non acquosa (solida) che viene semplicemente raffreddata, e
la frazione acquosa che viene inizialmente raffreddata ed in cui si ha poi la formazione delghiaccio. Per la frazione solida (grassi) si ha che:
( )1 , s p s in finQ m c T T = −
dove
m s: massa di solido presente nell’alimento
T in: temperatura all’inizio del processo
T fin: temperatura alla quale ha fine il processo
Per quanto riguarda la soluzione acquosa, il calore da sottrarre viene calcolato nel modoseguente:
( ) ( )
( )
2 , , , ,
, , , ,
fc sol
ic i
fc
ic
T M
sol p sol liq in ic liq p sol liq
T M
T
g p sol g sol p sol g fc fin
T
Q M c T T M c dT L T dM
M c dT M c T T
= − + + +
+ + −
∫ ∫
∫
c p,sol,liq: calore specifico della soluzione liquida
c p,sol,g : calore specifico del ghiaccio
L: calore latente di fusione (per l’acqua 333 kJ/Kg)
T ic : temperatura di inizio congelamento
T fc : temperatura a cui termina il congelamento
M i: massa iniziale di ghiaccio (pari a 0)
M sol : massa finale di ghiaccio (ovvero la massa dell’intera soluzione)
Occorre poi tenere conto del calore di respirazione (nell’intervallo di temperatura che precede
l’inizio del congelamento), e della frazione di acqua che non congela, che viene
semplicemente raffreddata. L’equazione che ne risulta è molto complessa, per cui si preferisce
utilizzare misure sperimentali di entalpia che si ritrovano tabellate.
Per la carne congelata, la frutta e la verdura l’entalpia in funzione del contenuto di acqua può
essere determinata mediante le Figure seguenti.
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III-17
Il calore da portar via è quindi dato dalla differenza di entalpia tra la temperatura iniziale e
quella finale del congelamento.
Per frutta e verdure si può anche usare la formula seguente:
1 1.21100 100
snj snj
j
X X
H H T
⎛ ⎞ ⎛ ⎞
∆ = − ∆ + ∆⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
X snj = percentuale di solidi insolubili nel prodotto
∆ H j = differenza di entalpia tra inizio e fine del congelamento (sulla base del contenuto disolidi disciolti nel succo)
∆T = differenza di temperatura tra inizio e fine del congelamento
Calcolo del tempo di congelamento
I fattori che influenzano il tempo di congelamento sono i seguenti:
-
conduttività termica del prodotto congelato ( K );
-
coefficiente di trasporto di calore tra la superficie del prodotto e il fluido refrigerante
(h);
- superficie di scambio del calore ( A);
- temperatura del fluido refrigerante (T M );
- spessore del prodotto ( L).
TM TF
TS TS
TM
Lx
conge a onon congelato
TM TF
TS TS
TM
Lx
conge a onon congelato
TM TF
TS TS
TMTM TF
TS TS
TM
Lx
conge a onon congelato
conge a onon congelato
Il modello di Plank prevede alcune ipotesi semplificative:
- profilo di temperatura uniforme, T = T F ;
- conducibilità termica costante;
- densità del prodotto congelato e non congelato uguale;
- fronte di congelamento si sposta a velocità costante;
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III-18
0 x x+d
TM TF
dQ
Si supponga che al tempo t il fronte del ghiaccio si trovi ad un certo punto x a temperatura T F .
Al tempo t +dt il fronte ghiacciato sarà avanzato di una quantità d x. Potremo allora scrivere:
dQ dV Adx ρ λ ρ λ = =
in cui dQ è la quantità infinitesima di calore da sottrarre per avanzare il fronte del ghiaccio diuna lunghezza d x, ρ è la densità del prodotto congelato e λ è il calore latente di fusione del
prodotto.
( )1
1 F M dQ
A T T xdt
h K
= −+
→ 1 F M
T T dQ Adt
x
h K
−=
+
Uguagliando le due precedenti espressioni si ha:
1 F M
T T dx dt
x
h K
ρ λ −
=
+
Si possono quindi separare le variabili:
( )1
F M
xdx T T dt
h K ρλ
⎛ ⎞+ = −⎜ ⎟⎝ ⎠
ed effettuare l’integrazione:
( )
( )
/ 2
0 0
2
2
1
1 12 8
1 1
2 8
F t x L
F M
x
F M F
F
F M
xdx T T dt
h K
L L T T t h K
L Lt
T T h K
ρλ
ρλ
ρλ
=
=
⎛ ⎞+ = −⎜ ⎟⎝ ⎠
⎛ ⎞+ = −⎜ ⎟⎝ ⎠
⎛ ⎞= +⎜ ⎟− ⎝ ⎠
∫ ∫
Tale equazione può essere scritta in termini più generali nel modo seguente:
2
F
F M
PL RLt
T T h K
ρλ ⎡ ⎤= +⎢ ⎥− ⎣ ⎦
P e R = costanti dipendenti dalla geometria del prodotto
0 x x+d x
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III-19
diametro1/241/6Sfera
diametro1/161/4Cilindro infinito
spessore1/81/2Lastra infinita
LRPGeometria
diametro1/241/6Sfera
diametro1/161/4Cilindro infinito
spessore1/81/2Lastra infinita
LRPGeometria
Per prodotti non sferici, o con dimensioni non infinite, si può impiegare la figura seguente per
determinare i parametri P ed R in funzione dei parametri seguenti:
11
d
L β = , 2
2
d
L β =
d 1 = larghezza del prodotto
d 2 = lunghezza del prodotto
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III-20
Il modello di Cleland ed Earle è basato sull’equazione di Planck in forma adimensionata:
1 1 Fo
Bi ste ste
N P R N N N
= +
2 Fo
t N
L
α = ,
Bi
hL N
K = ,
( ) pl F M Ste
c T T N
λ
−=
I parametri P ed R sono calcolati mediante le Figure seguenti:
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III-21
L’effetto del calore sensibile al di sopra del punto di congelamento viene tenuto in
considerazione mediante la definizione del numero di Planck:
( ) pu i F Pk
c T T N
λ
−=
La forma del prodotto viene tenuta in considerazione mediante un’equivalent heat-transfer
dimension (EHTD), determinata nel modo seguente:
1 2
EHTD 1 W W = + +
che moltiplica N Fo (W 1 e W 2 sono determinate dalla Figura seguente).
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III-22
Alternativo al modello di Planck è il modello di Nagaoka, che consente di calcolare il tempo
di congelamento comprendendo anche il tempo necessario a raffreddare il prodotto da
congelare:
( ) ( )
2
1 0.008 F i F
F M
h Pa Rat T T
T T h K
ρ ⎡ ⎤∆= + − +⎡ ⎤ ⎢ ⎥⎣ ⎦− ⎣ ⎦
ρ = densità del prodotto da congelare
∆h = variazione di entalpia totale (calore latente + calore sensibile)
T F = temperatura di inizio congelamento
T i = temperatura iniziale del prodotto
P , R = costanti di Plank
a = dimensione caratteristica del prodotto
Il modello modificato di Plank può essere usato per oggetti di forma prismatica, di dimensioni
a x E 1a x E 2a, dove a rappresenta la dimensione più piccola:
2
2 4 F
F M
hD a Gat T T h K ρ ⎡ ⎤∆= +⎢ ⎥− ⎣ ⎦
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III-23
1 2
1 2 1 2
E E D
E E E E =
+ +
Il metodo di Pham può essere utilizzato per oggetti finiti di forma irregolare. Si definisce una
temperatura media di congelamento:
T fm =1.8 + 0.263T c + 0.105T a dove T c è la temperatura al centro del prodotto a fine congelamento e T a è la temperatura del
mezzo freddo, e si determina:
1 2
1 2
12
c Bi F
f
d N H H t
E h T T
⎡ ⎤∆ ∆ ⎛ ⎞= + +⎢ ⎥ ⎜ ⎟∆ ∆ ⎝ ⎠⎣ ⎦
d c = dimensione caratteristica, più piccola distanza dal centro o raggio (m)
h = coefficiente di trasporto convettivo (W/m2K)
E f = fattore di forma, E f = 1 per lastra infinita, E f = 2 per cilindro infinito, E f = 3 per sfera
E f = G1 + G2 E 1 + G3 E 2
[ ]11 1 2.51 1
0.731
X E X
β β = + − , [ ]22 2 2.5
2 2
0.731
X E X
β β = + −
( )
1.77
11 1.34 1.77
1
2.32
2 2.32 Bi
X N
β
β
−
−=
+,
( )
1.77
22 1.34 1.77
2
2.32
2 2.32 Bi
X N
β
β
−
−=
+
1
seconda dimensione più piccolaβ
più piccola dimensione= ,
2
più grande dimensioneβ
più piccola dimensione=
G1, G2, G3 sono tabellati.
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III-24
∆H
∆H1
Ti
Tfm
Tc
∆H2
∆H
∆H1
Ti
Tfm
Tc
∆H
∆H1
Ti
Tfm
Tc
∆H2
( )1 u pu i fm H c T T ρ ∆ = − = variazione di entalpia nel periodo di preraffreddamento
∆ H 2 = ( )( )2 f f pf fm c H c T T ρ λ ∆ = + − = variazione di entalpia nel periodo di passaggio di fasee successivo raffreddamento
12
i fm
a
T T T T
+⎛ ⎞∆ = −⎜ ⎟
⎝ ⎠
2 fm aT T T ∆ = −
c Bi
hd N
K =
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25/34
III-25
Sistemi ed apparecchiature per il congelamento
Il congelamento rapido può essere ottenuto usando vari metodi:
- ad aria forzata;
- per immersione in soluzioni incongelabili;
- per immersione diretta nel fluido refrigerante;
- per aspersione diretta nel fluido refrigerante;
- per contatto indiretto o a piastra.
Tali sistemi si distinguono in sistemi a contatto diretto, nel caso in cui vi sia un vero e proprio
contatto tra il prodotto da congelare ed il fluido refrigerante, e sistemi a contatto indiretto, in
cui il fluido refrigerante sia separato dal prodotto mediante un qualche tipo di barriera.
Congelamento ad aria forzata
I surgelatori ad aria forzata sono caratterizzati da una corrente di aria ad alta velocità che
attraversa alternativamente l’evaporatore ed il prodotto da congelare, sottraendo a
quest’ultimo il calore sino a determinarne il congelamento alla temperatura richiesta. La
velocità e la distribuzione dell’aria devono essere tali da assicurare un efficace scambio di
calore fra prodotto ed aria, e fra aria ed evaporatore. La velocità dell’aria a contatto con il
prodotto da surgelare è dell’ordine di 12-14 m/s.
I surgelatori a circolazione forzata possono essere di tipo continuo e di tipo discontinuo. I
surgelatori di tipo discontinuo vengono riempiti periodicamente del prodotto da surgelare e
vuotati al termine dell’operazione. Nei surgelatori a funzionamento continuo il prodotto viene
introdotto con continuità e con uguale continuità esce dall’apparecchiatura.
I tunnel di tipo discontinuo sono apparecchiature costituite da una o più camere termicamente
isolate in cui viene introdotto il prodotto da surgelare. Il prodotto viene introdotto nel tunnel
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26/34
III-26
su piattaforme o su carrelli a ruote e viene investito da una corrente di aria precedentemente
raffreddata nell’evaporatore. Quando il surgelatore è formato da una sola camera l’aria può
circolare sia in senso longitudinale che trasversale, altrimenti la circolazione dell’aria avviene
solo trasversalmente e dopo ogni camera di surgelazione ci sarà un evaporatore che serve a
raffreddare l’aria che è stata riscaldata nella fase di surgelazione, ritornando ad una
temperatura di -40/-50°C.
I tunnel di tipo continuo si distinguono sulla base del sistema di trasporto interno, ovvero a
carrelli, a nastro o a catena con bilancelle. I tunnel a carrelli presentano delle guide sul fondo
del surgelatore su cui scorrono i carrelli mossi da vari tipi di sistemi di trazione. L’aria circola
in controcorrente rispetto al movimento dei carrelli stessi. I carrelli presentano dei ripiani su
cui vengono disposti vassoi, cassetti o cestelli.
I surgelatori a nastro, a rete, a tapparelle sono costituiti da un nastro trasportatore che scorre
nella camera, sul quale vengono disposti i materiali da surgelare.
Con i tunnel a catena con bilancelle, di funzionamento simile ai precedenti, si ha la possibilitàdi far percorrere al prodotto un cammino più lungo costituito da tratti orizzontali uniti da tratti
verticali. A parità di lunghezza di percorso, essi occupano minore spazio in pianta, e sono più
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estesi in altezza, rispetto ai tunnel a nastro. La circolazione dell’aria è in parte trasversale ed
in parte longitudinale, ed il prodotto è investito da tutti i lati.
I congelatori a tunnel ad aria forzata presentano grande versatilità, consentendo la
surgelazione dei più svariati prodotti.
Un’apparecchiatura ottenuta dalla modifica del tunnel di congelamento è il flofreeze, sistemadi congelamento su cuscino d’aria. Il principio di funzionamento è la fluidizzazione del
prodotto nell’aria: l’impianto presenta un vassoio forato su cui viene posto il materiale da
congelare. La fluidizzazione si ottiene inviando aria fredda, in uscita dall’evaporatore, dal
basso. Si ottiene una velocità di congelamento molto elevata poiché il movimento del
prodotto fa aumentare la superficie di contatto tra prodotto e aria fredda, riducendo così il
tempo di congelamento. Dal momento che il prodotto si presenta in pezzi di piccola
dimensione, il tempo di congelamento è breve.
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Congelamento per immersione in soluzioni incongelabili
Si usano soluzioni incongelabili (salamoie) a bassa temperatura per indurre un rapido
congelamento. Il sistema presenta significativi vantaggi:
- applicabilità a qualsiasi tipo di prodotto;
-
elevato coefficiente di scambio di calore;- relativa semplicità dell’impianto.
I principali problemi sono i seguenti:
- necessità di utilizzare imballaggi ermetici;
- possibilità di imbrattamento degli imballaggi da parte delle soluzioni congelanti;
- perdita di parte delle soluzioni congelanti.
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Congelamento per aspersione con soluzioni incongelabili
Il metodo deriva da quello precedente e prevede l’uso di salamoie finemente spruzzate sul
prodotto. L’impianto è maggiormente versatile e il processo può essere realizzato in continuo.
Congelamento per immersione diretta nel fluido frigorifero
Si impiega aria liquida e azoto liquido in quanto non corrosivi, non tossici e di costo
relativamente basso. Il processo implica la perdita più o meno totale del fluido frigorifero.
Trova applicazione pratica solo l’azoto liquido con congelamenti particolarmente rapidi.
Congelamento per aspersione diretta del fluido frigorifero
Il metodo deriva da quello precedente e prevede l’aspersione di azoto liquido sul prodotto,
eventualmente ripetuta, con l’obiettivo di avere un processo di congelamento meno rapido.
Surgelazione per contatto indiretto (o a piastra)
L’apparecchiatura è costituita da una serie di piatti paralleli di alluminio attraverso cui circola
il refrigerante (-40°C). In questo tipo di sistema il prodotto è mantenuto bloccato tra due piatti
per tutto il tempo necessario a ridurre la temperatura. I piatti rappresentano la principale barriera tra il prodotto e il mezzo freddo. Questa tecnica di surgelazione ha un limite nella
forma del prodotto da surgelare che deve essere parallelepipeda (blocchi di pesce, o cibi
confezionati in contenitori rettangolari).
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Altro sistema di surgelazione per contatto indiretto è il congelatore continuo a superficie
raschiata: utilizza uno scambiatore di calore a superficie raschiata come componente primaria
del sistema continuo per congelare un prodotto liquido. Si tratta di un macchinario
generalmente cilindrico a doppia parete: nell’intercapedine tra le due pareti scorre il mezzo di
raffreddamento cosicché l’alimento che viene immesso all’interno si raffredda per contatto
con la parete più interna aderendovi; l’apparecchio è dotato di un albero coassiale con lame
raschianti che ciclicamente rimuovono l’alimento raffreddato aderente alla parete interna.
La parete esterna dello scambiatore rappresenta la barriera tra prodotto e mezzo freddo.E’utilizzato per il gelato e la margarina, ovvero per quei prodotti che devono avere una
texture smooth. La desiderata texture è ottenuta controllando la crescita dei cristalli,
raschiando i cristalli solidi di nuova formazione dalla superficie interna dello scambiatore con
una lama. Le lamine aiutano anche a incorporare aria per conferire al prodotto la texture
desiderata.
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Altro sistema per il congelamento soprattutto di prodotti di forma irregolare è l’air blast
freezer . In questo caso è la confezione del prodotto a costituire la barriera tra il prodotto ed il
fluido frigorifero. Il funzionamento è in genere continuo, e bassi tempi di congelamento sono
ottenuti usando aria ad alta velocità, bassa temperatura, e con una ampia superficie di contatto
con il prodotto.
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Esercizi
Es 1) Si consideri di avere una salsa di mele a 20°C che si vuole congelare a -18°C.
Determinare il calore che è necessario asportare.
Es 2) Si consideri una massa di 250 kg di fragole che si vuole portare da 15°C a -10°C.
Valutare l’entalpia che si deve sottrarre [c p = 3.94 kJ/kg K, h(0°C) = 376 kJ/kg, h(-10°C) = 76
kJ/kg]
Es 3) Si consideri il congelamento di contenitori con ciliegie aventi una massa di 10 kg. La
temperatura iniziale del prodotto è di 10°C e la temperatura finale è di -10°C. Determinare la
quantità di calore da allontanare da ciascun contenitore.
Es 4) I contenitori dell’esempio precedente sono congelati in un sistema in cui il prodotto si
muove a 0.15 m/s su di una distanza lineare di 300 m. Determinare il carico al sistema di
refrigerazione nel caso in cui siano presenti 600 contenitori.
Es 5) Si devono congelare filetti di pesce, dello spessore di 2 cm. Calcolare il tempo di
congelamento sapendo che il prodotto si trova inizialmente alla temperatura di inizio
congelamento. Per effettuare il congelamento i filetti vengono posti a diretto contatto con
superfici tenute a -30°C; il coefficiente di trasporto di calore tra la superficie del prodotto e
l’impianto è pari a 80 W/m2K.
Es 6) Un prodotto alimentare è confezionato in una scatola di dimensioni 8cm x 8cm x 2cm e
congelato in un impianto in cui circola aria a T = -30°C, il coefficiente di trasporto di calore
convettivo è pari a 200 W/m2K. Il prodotto entra nel tunnel di congelamento a T = 12°C, il
passaggio di stato si può considerare che avvenga a temperatura costante e pari a -3°C. A fine
processo il punto caldo del prodotto si trova a -18°C. Se il trasporto di calore si realizza
attraverso le sei facce della confezione, calcolare il tempo di congelamento.
Le proprietà fisiche del prodotto alimentare sono le seguenti: densità prodotto congelato pari a
850 kg m-3; conduttività termica (prima del punto di inizio congelamento) 1.5 Wm -1K -1;
calore specifico del prodotto non congelato e congelato 2800 e 1650 Jkg-1K -1, rispettivamente;
calore latente di fusione 260kJ kg-1.
Es 7) Si consideri il congelamento di pezzi di carne di 0.1 m di lunghezza, 0.06 m di
larghezza e 0.02 m di spessore, mediante aria a -20°C. La temperatura iniziale del prodotto è
di 10°C e quella finale è di -10°C. Si determini il tempo necessario per congelare il prodotto.
Es 8) Si consideri un nastro trasportatore che si avvolge lungo un cilindro, su cui scorrono dei
polli. Il nastro si muove con velocità v=3 m/min. L’ambiente è a T M =-30°C. La temperatura
di inizio congelamento è di -2°C. Si dimensioni il cilindro, la lunghezza del nastro
(assumendo un passo tra una spira e l’altra dell’avvolgimento del nastro pari a 0.333 m e che i polli siano distanziati di 0.3 m) e si calcoli la quantità di energia che deve essere sottratta per
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portare il prodotto da 0°C a -18°C.
Si assimili il pollo ad una sfera di diametro pari a 0.15 m; la densità sia pari a 1025 kg/m3, la
conducibilità termica sia pari a 1.3 W/m K ed il coefficiente di scambio sia pari a 22 W/m2 K.
Pollo
I N
OU
Es 9) Si consideri un nastro trasportatore traforato lungo 6 m e largo 1.5 m che trasporta
fragole. Queste vengono raffreddate da 0°C a -20°C tramite un getto d’aria a -34°C. Calcolare
la velocità con la quale il nastro deve avanzare e l’energia che deve essere allontanata.Le fragole siano assimilabili a sfere aventi diametro pari a 13 mm, densità pari a 960 kg/m 3,
conducibilità termica pari a 2.1 W/m K. Il coefficiente di scambio termico è pari a 85 W/m2
K; la temperatura di inizio congelamento sia pari a -0.8°C.
Flusso d’aria