Caratteristiche dei diversi gas nella criogenia alimentare

Cos'è il freddo criogenico?

La conservazione criogenica degli alimenti riunisce diversi processi e tecniche che consentono all'industria alimentare di soddisfare le aspettative dei consumatori che cercano prodotti di qualità, salutari e con una lunga durata di conservazione.
La criogenia utilizza principalmente l'azoto o il diossido di carbonio di qualità alimentare per abbassare la temperatura dei prodotti in pochi minuti. Questa tecnica, che è un'alternativa al freddo meccanico, offre una grande velocità di raffreddamento o di surgelazione proprio grazie alla temperatura estremamente bassa dei fluidi criogenici impiegati.

Caratteristiche dei fluidi criogenici utilizzati nel settore alimentare

I principali gas utilizzati nella surgelazione criogenica sono l'azoto liquido e il diossido di carbonio.

Azoto (N₂) liquido

L'azoto liquido viene prodotto dall'aria negli impianti di frazionamento e viene immagazzinato in serbatoi coibentati sotto vuoto, in forma liquida a -196°C e a circa 1,5 bar. 
Non appena l'azoto liquido non si trova più in queste condizioni di equilibrio pressione-temperatura, vaporizza e produce gas freddo che ha una notevole capacità di refrigerazione.
L’energia frigorifera dell’azoto liquido ha due origini:

• nel cambio di stato quando l’azoto passa da liquido a gassoso (calore latente di circa 36 kcal/litro),
• nel riscaldamento dell'azoto gassoso a -196°C che cede le sue frigorie, per convezione, agli alimenti (calore sensibile di 40 kcal/litro quando l'azoto raggiunge -20°C).

Diossido di carbonio (CO₂) liquido

La CO₂ proviene da fonti naturali o è un sottoprodotto dell’ industria chimica. È completamente purificata prima di essere liquefatta  sotto pressione, tipicamente a 20 bar, che corrisponde ad una temperatura di equilibrio di – 20°C.
Ha la particolarità di produrre ghiaccio secco (o neve carbonica) e gas ad una temperatura di –78,5°C quando è espansa al di sotto della pressione di 5,18 bar (punto triplo). Il ghiaccio secco sublima: passa direttamente dallo stato solido allo stato gassoso.
La sua energia frigorifera ha due origini 

• Passando alla pressione atmosferica la CO₂ liquida si trasforma in ghiaccio secco e in gas freddo. La sublimazione del ghiaccio secco rilascia circa 65 frigorie per kg di CO₂ liquida.
• Poi, sotto l'effetto del riscaldamento, la CO₂ gassosa a -78°C rilascia circa 5-15 frigorie per kg di CO₂ liquida (a -20°C).

Quindi, le quantità di frigorie disponibili per ciascuno dei due fluidi criogenici sono simili. Ecco perché, in pratica, consideriamo che 1 kg di CO₂ = 1 l di azoto = 1 unità criogenica.

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Implementazione in un'applicazione industriale

I fluidi criogenici sono particolarmente facili da usare. In entrambi i casi,

• l'installazione include uno stoccaggio criogenico, una linea di trasferimento, un'attrezzatura per l'applicazione con un sistema di estrazione del gas, l'attrezzatura di sicurezza.
• i fluidi vengono trasportati da semirimorchi negli stoccaggi messi a disposizione degli utenti.

Attrezzature per l'applicazione

In genere si tratta dell'apparecchiatura criogenica che si integra nel processo agroalimentare per l'applicazione interessata come il raffreddamento o la surgelazione.

Ogni apparecchiatura implementa uno specifico sistema di trasferimento della refrigerazione, sapendo che viene eseguito principalmente mediante contatto diretto con il prodotto da trattare.
Nella criogenia alimentare, questo contatto può avvenire in diversi modi:

• Per immersione o nebulizzazione nel caso dell'azoto liquido, ciò può consentire, ad esempio, di surgelare una superficie,
• Per convezione dei gas freddi,
• Mediante contatto, solido/solido nel caso del ghiaccio secco.

A titolo di esempio si possono citare le seguenti tecnologie: armadio di surgelazione per produzioni batch o, per la produzione in continuo, i tunnel di surgelazione.

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