Modelos avanzados de simulación del proceso de congelación de alimentos por inmersión en soluciones acuosas refrigerantes

Abstract

El proceso de enfriamiento y/o congelación por inmersión (ICF, Immersion Chilling and Freezing) de un alimento consiste en someter al producto a bajas temperaturas usando soluciones acuosas concentradas como medio refrigerante. En estado transiente se transfiere energía hacia el medio refrigerante hasta alcanzar el equilibrio térmico, mientras que el alimento pierde humedad y gana solutos. El uso de soluciones refrigerantes multicomponentes posee varias ventajas. Sin embargo, las posibilidades de control del proceso son deficientes. Por lo tanto, el objetivo de esta Tesis fue estudiar el proceso de congelación de alimentos por inmersión considerando aspectos avanzados para mejorar su diseño. Se propuso un modelo matemático para representar la transferencia de materia y energía en una matriz alimenticia considerando el transporte de multicomponentes en las condiciones operativas de los procesos ICF, completándose la formulación matemática con la predicción de propiedades críticas. Se validó un modelo termodinámico para la predicción de la temperatura de congelación de soluciones multicomponentes. Se desarrolló un modelo para predecir coeficientes de difusión fickianos de soluciones multicomponentes electrolíticas a partir de las ecuaciones de Maxwell-Stefan y del modelo de UNIQUAC extendido. En base a este desarrollo y a la teoría de la película extendida a multicomponentes se obtuvo un modelo para predecir los coeficientes superficiales de transferencia de materia. El modelo formulado fue validado con datos experimentales obtenidos para el sistema NaCl-KCl-H2O / esferas de papa. Los resultados fueron satisfactorios, por lo cual el modelo constituye una herramienta robusta para estudiar posibles escenarios de interés.

The process of immersion chilling and freezing (ICF) of foods consists of soaking the product in concentrated aqueous solutions maintained at low temperatures. In transient state, energy is transferred to the refrigerant medium until the thermal equilibrium is reached, while the food loses moisture and gains solutes. The use of multicomponent refrigerant solutions has various advantages. However, the possibilities of process control are deficient. Therefore, the objective of this Thesis was to study the process of food freezing by immersion considering advanced aspects to improve its design. A mathematical model was proposed to represent the mass and energy transfer in the food matrix considering the multicomponent transport in the operative conditions of the ICF processes, completing the mathematical formulation with prediction of critical properties. A thermodynamic model for the prediction of the freezing point of multicomponent solutions was validated. A model for the prediction of diffusion coefficients for electrolytic multicomponent solutions using the Maxwell-Stefan equations and the extended UNIQUAC model was developed. Taking into account this development and the film theory extended to multicomponents, a model to predict the superficial mass transfer coefficients was obtained. The formulated model was validated with experimental data obtained for the system NaCl-KCl-H2O / potato sphere. The results were satisfactory, therefore the model represents a robust tool for studying possible scenarios of interest.