3 - Refrigerazione e Congelamento

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-6


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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-15


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III-16


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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


TM TF

TS TS

TMTM TF

TS TS

TM

Lx



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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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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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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III-27

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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III-28

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

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