Surgelazione criogenica: come stimare i fabbisogni di raffreddamento di un alimento?

Scopri in questo articolo come stimare i fabbisogni di refrigerazione e di fluidi criogenici per un progetto di surgelazione.

Stimare il fabbisogno di raffreddamento di un prodotto alimentare

E' semplicissimo ottenere le cifre giuste in poco tempo!

I fabbisogni di raffreddamento sono legati alla composizione del prodotto. I componenti che compongono un prodotto non hanno tutti le stesse caratteristiche termiche.
Nell'industria alimentare, queste sono ovviamente note ai produttori e sono riportate sull'etichetta della confezione per informare il consumatore.
Per semplificare le cose, la composizione degli alimenti può essere ridotta a tre elementi fondamentali:

• Acqua, che è l'elemento predominante nei prodotti alimentari, spesso a livelli compresi tra il 60 e il 90%.
• Materia grassa, che varia tra lo 0 e il 40%.
• il resto, che è considerato “materia secca”.

Nella criogenia alimentare, una formula termodinamica viene utilizzata per calcolare l'energia necessaria per surgelare un alimento. Viene indicata in kJ/kg (o comunemente in kcal/kg).
Nel caso della surgelazione, si calcola la differenza di entalpia (quantità di energia) del prodotto tra il suo stato iniziale (quando è fresco) e lo stato finale (il prodotto surgelato), tenendo conto del cambiamento di stato di una parte del prodotto durante la fase di surgelazione (trasformazione dell'acqua in ghiaccio).

Q = ( Cs x ∆T 1 ) + L + ( Cg x ∆T 2 )

con:

• Cs, il calore specifico (o calore di massa) al di sopra del punto di surgelazione (kj/kg.°C o kcal/kg.°C).
  Ognuno dei tre componenti che compongono l'alimento ha un calore specifico noto o approssimativo:
  Acqua                        Cs = 1,00 kcal/kg°C
  Materia grassa         Cs = 0,50 kcal/kg°C
  Materia secca          Cs = 0,35 kcal/kg°C
  Per determinare il valore complessivo di Cs+ dell’alimento, è sufficiente sommare i calori specifici di ciascun componente del prodotto
  Cs+ = (1,00 x % Acqua) + (0,50 x % Materia grassa) + (0,35 x % Materia secca )
•  L,il calore latente di solidificazione in termini di massa (kcal/kg)
  Per i prodotti alimentari, vari fenomeni possono avere un impatto sulla quantità di energia richiesta durante la surgelazione. Tuttavia, verrà preso in considerazione solo il calore di solidificazione dell'acqua. La grande quantità di acqua generalmente contenuta nei prodotti alimentari e l'elevato valore del calore latente di solidificazione fanno di questa fase il fattore chiave per determinare i requisiti di raffreddamento del prodotto durante la surgelazione.
  Questo valore è noto: LH2O = 80 kcal/kg
  Per determinare il valore del calore latente di un alimento, è sufficiente considerare il calore latente dell'acqua moltiplicato per la percentuale di acqua contenuta nel prodotto
  L(prodotto) = (80 x % Acqua)

• Cg, il calore specifico (o calore di massa) sotto il punto di surgelazione (kj/kg.°C o kcal/kg.°C):
  Come per il calore specifico al di sopra del punto di surgelazione, questo calore specifico al di sotto del punto di surgelazione viene calcolato a partire dai tre componenti principali dell'alimento utilizzando i seguenti valori:

  • Acqua: Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Materia grassa Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Materia secca Cs+ = 0,35 kcal/kg°C

  Per determinare il valore di Cg di un alimento, è sufficiente prendere in considerazione la Cg di ciascuno dei componenti in base alla composizione del prodotto

  Cg = (0,50 x % Acqua) + (0,50 x % Materia grassa) + (0,35 x % Materia secca)

• ∆T1, è la differenza di temperatura tra la temperatura iniziale e la temperatura del punto di surgelazione.
• ∆T2 , è la differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura di surgelazione e la temperatura finale desiderata del prodotto.

Esempio pratico o: Metodo di calcolo per la surgelazione di una bistecca di manzo macinata con un contenuto di materia grassa del 15%.

Il contenuto di acqua di una bistecca macinata è di circa il 66%. Nel nostro caso, il contenuto di grasso è del 15%. Possiamo quindi dedurre che la materia secca rappresenti il 19%.
Ai fini di questo esempio (anche se non è realistico), ipotizzeremo una temperatura iniziale del prodotto di 20°C e una temperatura finale di -20°C. Verrà utilizzata una temperatura di surgelazione di 0°C.

• Cs, calore specifico al di sopra del punto di surgelazione (kcal/kg. °C) :
  Il calore specifico della bistecca macinata al di sopra del punto di surgelazione è determinato dai calori specifici di ciascuno dei suoi componenti:
• Cs = (1,00 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x0,19) = 0,80 kcal/kg°C
• L, calore latente in massa di solidificazione (kcal/kg) della bistecca con un contenuto d'acqua del 66%.    
  L = (80 x 0,66) = 52,8 kcal/kg  
• Cg, calore specifico sotto il punto di surgelazione (kcal/kg. °C) :
      Il calore specifico della bistecca macinata al di sotto del punto di surgelazione è determinato, ancora una volta, dai calori specifici di ciascuno dei suoi componenti:
  Cg = (0,50 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x 0,19) = 0,47 kcal/kg°C
• ∆T1  differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura iniziale e la temperatura di surgelazione del prodotto.
  ∆T1 = (20 - 0) = 20°C
• ∆T2  differenza di temperatura (in °C) tra la temperatura di surgelazione e la temperatura finale del prodotto.
  ∆T2= (0 - (-20°)) = 20°C

La formula impiegata ci dice che occorrono 78,2 kcal/kg per surgelare bistecche macinate con materia grassa al 15%.
Q = ( 0,80 x 20 ) + 52,8 + ( 0,47 x 20 ) = 78,2 kcal/kg

Confrontiamo questo risultato con i dati reali

La curva di misurazione qui sotto, realizzata sul prodotto, ci dà

• A 20°C, l'entalpia misurata è pari a 17,03 kcal/kg
• A -20°C, l'entalpia misurata è pari a -56,53 kcal/kg.
• Questo significa un fabbisogno di raffreddamento di 73,56 kcal/kg per passare da 20°C a -20°C.

La differenza tra il fabbisogno effettivo e il calcolo teorico ottenuto dalla formula impiegata è dell'ordine del 5%, un valore accettabile per un approccio iniziale alla soluzione di surgelazione.
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