Procesamiento Térmico - Maestria Ciencias Agroalimentarias

Procesamiento Térmico de Alimentos

José David Torres GonzálezMaestría en Ciencias Agroalimentarias

Universidad de Córdoba 2014

Tratamiento térmico Procesos que utilizan el calor para

modificar las características físico- químicas de los alimentos, además de las microbiológicas.

Procesos térmicos empleados en los alimentos Cocción Escaldado Fritura Pasteurización Refrigeración Liofilización Congelación Esterilización comercial

PROPIEDADES TERMOFÍSICASLas propiedades térmicas (calor específico, conductividad térmica y difusividad térmica influyen en la transferencia de calor.

Su conocimiento es necesario para el cálculo y diseño de procesos y equipos y en la calidad del producto; están influenciadas en un mayor o menor grado por la temperatura y la composición del producto, durante un tratamiento térmico.

“Las propiedades térmicas de frutas y vegetales son necesarias para

calcular la rapidez de calentamiento o enfriamiento en procesos o para

estimar las cantidades de calor requeridas en los procesos como:

escaldado, pasteurización, evaporación, fritura, refrigeración, congelación, esterilización, secado

entre otras, en los cuales hay intercambio de energía y masa.”

Cp Es la cantidad de energía en forma de calor que gana o pierde un

sistema por unidad de masa para que se produzca en él un cambio de Tº de un grado, sin que haya cambio de estado, se usa frecuentemente para evaluar los procesos de calentamiento y enfriamiento en productos alimenticios

:Calor transferido ganado o perdido en kJ

k:Calor especifico a presión constante kJ/kgºC

:Masa en kg

:Cambio de Tº en ºC

k Es la medida de la capacidad para conducir calor de un material,

para alimentos depende principalmente de su composición. La definición se encuentra en la ley de Fo de conducción de calor en estado estacionario.

Propiedad requerida para cálculos relacionados, en especial, con procesos en los que ocurre transferencia de calor variable con el tiempo. Físicamente se refiere a la capacidad de un material para conducir y almacenar calor

Es la masa por unidad de volumen:

iiXCpCp (Choi y Okos, 1985).

El Subíndice se refiere al componente considerado, así:

265 10*4731,510*0864,91762,4 TTCph 263 10*9399,510*9625,15488,1 TTCpch

263 10*3129,110*2089,10082,2 TTCp p

263 10*8008,410*4733,19842,1 TTCpg

263 10*6817,310*8896,10926,1 TTCpc

263 10*6509,410*8306,18459,1 TTCp f

TCpi310*0769,60623,2

iiXkk (Choi y Okos, 1985)

2631 10*7036,610*7625,110*7109,5 TTk h

2631 10*3312,410*3874,110*0141,2 TTkch

2631 10*7178,210*1958,110*7881,1 TTk p

2731 10*7749,110*7604,210*8071,1 TTkg

2631 10*9069,210*4011,110*2962,3 TTkc

2631 10*9069,210*2497,110*9331,1 TTk f

243 10*0154,110*2489,62196,2 TTk i

iiX (Choi y Okos, 1985)

2641 10*4022,210*2477,610*3168,1 TTh

2642 10*3218,210*3052,510*0842,8 TTch

2642 10*4646,110*7578,410*8714,6 TTp

2842 10*8286,310*2569,110*8777,19 TTg

2641 10*2244,110*7321,310*2461,1 TTc

2642 10*2202,210*1906,510*3976,7 TTf

253 10*5037,910*0833,61756,1 TTi

iiX

/1

(Choi y Okos, 1985)

2332 10*7574,310*1439,310*9718,9 TTh

Tch13 10*1840,510*5991,1

Tp12 10*1840,510*3299,1

Tg12 10*1757,410*2559,9

Ta13 10*8063,210*4238,2

Tf13 10*6589,310*3115,1

Ti12 10*307,110*1689,9

CALORES ESPECIFICOS DE VARIOS ALIMENTOS

Alimento % aguaCalor especifico (kJ/kg°C)

Debajo punto Encima punto de

congelación (0-

100°)

Atún 70 1.720 3.180

Pescado frito 60 3.012

Pescado fresco 80 3.598

Pescado seco, salado 16 a 20 1.715 a 1.841

Tocino fresco 57 2.010

Carne de cerdo grasa 39 2.594

Carne de cerdo magra 57 3.054

Carne de res grasa 51 1.470 2.887

Carne de res magra 72 3.431

Salchichas franfurt 60 2.35 3.73

Pollo fresco 74 1.55 3.31

Aguacate 94 2.05 3.81

Ciruela 77 3.52

Limón 89.3 1.93 3.85

Manzana 84 1.85 3.6

Continuación……..Mango 93 1.993 3.77

Naranja 87.2 1.93 3.77

Pera 83.5 1.99 3.60

Plátano 74.8 1.76 3.35

Alcachofa 90 3.891

Apio 93.7 2.01 3.98

Cebolla 80 a 90 3.598 a 3.891

Hongos frescos 90 3.933

Hongos secos 30 2.343

Lechuga 94.0 2.01 4.02

Papa 75 3.515

Papa cocida 80 3.640

Papa seca 61 1.715

Repollo 92.4 1.97 3.94

Tomate 94 2.01 3.98

Zanahoria 88.2 1.9 3.7

Arroz 12 1.8

Frijol verde 90 2.39 3.94

Leche de vaca entera 87.5 2.05 3.89

Material Fracción

másica de

agua

Densidad

aparente

kg/m3

Temperatura

(°C)

Conductivid

ad térmica

(W/m°C)

Aguacate 0.647 1060 28 0.429

Banano 0.757 980 27 0.481

Cebolla 0.873 970 28 0.574

Limón(pelado) 0.899 1000 28 0.890

Manzana(roja) 0.849 840 28 0.513

Naranja(pelada) 0.859 1030 28 0.580

Papa 0.835 - 25 0.563

Zanahoria 0.923 - 25 0.571

CONDUCTIVIDAD TERMICA DE FRUTAS Y VEGETALES

Material

(Kg/cm3)

Conductividad térmica

1°C 10°C 20°C 25°C 30°C 40°C 50°C

Yogurt 0.862 0.525 0.546 0.570 0.576 0.588 0.603 -

Leche

en polvo

0.022 655 - 0.099 0.096 0.105 0.085 0.106 0.133

Pulpa de

manzan

a

0.886 - 0.556 - 0.596 - 0.630 0.647

Pasta de

carne

0.692 - 0.343 0.458 0.472 - 0.457 0.525

Pasta de

pescado

0.718 - 0.433 0.479 0.477 - 0.491 0.523

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE VARIOS MATERIALES Y SU VARIACIÓN CON LA TEMPERATURA

Material Muestra Temperatura

(°C)

Difusividad Térmica

(m2/s)

Aguacate Pulpa - 24 a 3a 1.05x10-7

Banano PC 0.76 5 1.18 x10-7

Banano PC 0.76 65 1.42 x10-7

Durazno Completo - 27 a 4a 1.39 x10-7

Fresa ------- - 27 a 18a 1.47 x10-7

Manzana Pulpa - 4 a 26a 1.50 x10-7

Mora -------- - 27 a 18a 1.27 x10-7

Limón Completo - 40 a 0a 1.07 x10-7

Naranja completa - 16 a 0a 0.94 x10-7

Papa PC - 25 1.70 x10-7

Pera PC - 27 a 18a 1.20 x10-7

Tomate Pulpa - 4 a 26a 1.48 x10-7

Lactosa 736 Kg/m3 0.00 0 a 50 1.64 x10-7

Harina de

trigo

713 Kg/m3 0.11 0 a 50 1.25 x10-7

DIFUSIVIDAD TÉRMICA DE ALGUNOS MATERIALES ALIMENTICIOS

a: La primera es la temperatura inicial de la muestra y la segunda la de los alrededores.PC: Porción Comestible

Propiedad Unidades SI Unidades

Inglesas

Unidades de

Caloría

Calor específico 1 kJ/kg °C = 0.239 BTU/lb°F = 0.239 cal/g°C

Entalpía 1 kJ/kg = 0.43 BTU/lb = 0.239 cal/g

Conductividad

Térmica

(W/m°C) = 0.578

BTU/pie.hr°F

= 09.860 Kcal/m-

hr°C

Difusividad

térmica

1 m2/s = 10.76 pie2/s = 1 m2/s

Coeficiente de T.

de calor .

1 W/m2 °C = 0.176

BTU/pie2hr°F

= 0.860

Kcal/m2hr°C

PROPIEDADES TÉRMICAS SIMPLES, UNIDADES Y CONVERSIONES

TRANSFERENCIA DE CALOR EN ESTADO ESTABLE

Cuando la velocidad de entrada de energía térmica es igual a la velocidad de salida de la misma energía, se tiene un proceso en estado estable, que se puede tipificar además porque en cada punto de un alimento sometido a un proceso térmico, no cambia en el tiempo la T°

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

CONDUCCIONCONVECCIÓN RADIACIÓN

CONDUCCION

Ej: Un lado de una placa de AI de 1 cm de espesor está a 110 °C, mientras que el otro se halla a 90 °C. Asumiendo condiciones estacionarias de flujo, calcule la velocidad de transmisión de calor a través de ella.

K AI = 40 W/m °C

Flujo de calor

CONVECCIÓN

RADIACIÓN

Transferencia de energía de un cuerpo caliente a otro más frio mediante ondas electromagnéticas

TRANSFERENCIA DE CALOR EN ESTADO INESTABLE

Cuando se cocina una hamburguesa o un embutido, se esteriliza una lata de conserva o se refrigera un trozo de carne pasa un tiempo antes de tener una estabilización de las T°s del alimento en todos sus puntos; estas situaciones tienen en común que se sumerge súbitamente el alimento en medio de un fluido que lo calienta o lo enfria.

ECUACIÓN GENERAL DE LA CONDUCCION DE CALOR EN ESTADO ESTABLE

Perfil de temperatura en un cuerpo sumergido en medio frío.

La evolución de la T° con el tiempo T(t), es la solución de la Ec diferencial. Para una dimensión:

Para tres dimensiones

Para coordenadas esféricas

La solución analítica de las ecuaciones anteriores depende de la importancia relativa de las RI y RE al flujo de calor

=

=

Esta relación denominada No de BIOT, indica, para valores superiores a 100, una resistencia externa despreciable, mientras que, para valores menores de 0.1 una resistencia interna mínima. Un Bi entre 0.1 y 100 implica ordenes de magnitud semejantes para ambas resistencias

RESISTENCIA INTERNA – CONDUCTIVA A LA TRANSFERENCIA DE CALOR DESPRECIABLE (Bi < 0.1)

Aparece cuando se calientan o enfrían materiales de alta k como los metales en fluidos bien agitados

Ej: Calcular la T° de un jugo de tomate (densidad 980 kg/m³) que se calienta en una marmita hemiesferica luego de 5 minutos de calentamiento, si su T° inicial fue de 20 °C. La T° de la superficie de la marmita es de 90 °C, su radio 0.5 m y el h 5000 W/m² °C. el Cp del jugo de tomate puede considerarse cte durante el calentamiento e igual a 3.95 kJ/kg °C.

RESISTENCIA CONVECTIVA SUPERFICIAL DESPRECIABLE (Bi > 100)

Para una placa infinita:

Para un cilindro infinito

Para una esfera

RESISTENCIAS CONVECTIVA Y CONDUCTIVAS FINITAS (0.1 < Bi < 100)

Para una placa infinita

Para un cilindro infinito

Para una esfera

Para el centro de la esfera se puede expresar como (Gordon y Thorne, 1990)

Ej: Una placa de concentrado espumado de café de 30 mm de espesor (k= 0.75 W/m °C, Cp= 1600 J/ kg °C, ρ= 250kg/m³ esta a una T° inicial de -2 °C. La placa se coloca en un congelador de banda que opera a una T° media de -40 °C. Calcular el tiempo para que la T° del centro de la placa llegue a -35 °C si h= (80 W/m² °C), asuma que no hay variación de las propiedades termofísicas con la T°

METODO GRAFICO PARA PROBLEMAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR NO ESTACIONARIO

Debido a la complejidad de estas soluciones, se utilizan cartas basadas en soluciones numéricas de la ecuación de conducción en diferentes condiciones de frontera (Gurney y Lurie, 1923; Heissler, 1947; 1965; Clary y otros, 1971).

El eje y u ordenada es:

El eje x o abscisa es:

Conducción de calor en estado inestable en un cilindro largo.

Conducción de calor en estado inestable en una placa plana grande.

Conducción de calor en estado inestable en un esfera.

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