Propiedadestermicasdelosalimentos II[1]

Enrique Alfonso Cabeza HerreraPh.D en Ciencia y Tecnología de los AlimentosEspecialista en Protección de AlimentosDepartamento de MicrobiologíaUniversidad de Pamplona

El calor puede transmitirse a través de un medio material o en ausencia de él. La gran variedad de alimentos que se procesan mediante cambiadores de calor suelen plantear a menudo problemas específicos propios, por lo que en cada caso deben tenerse en cuenta lo siguiente:

2http://enalcahe.goglepages.com/termobacteriología

1.1. Propiedades térmicas: Propiedades térmicas: calor específico, conductividad térmica y difusividad de los alimentos y materiales.

2.2. Mecanismo de transmisión de calor: Mecanismo de transmisión de calor: Conducción, convección, radiación.

3.3. Estado estacionario y no estacionarioEstado estacionario y no estacionario


Cantidad de calor ganado o perdido por una unidad de peso de producto para provocar un determinado incremento de temperatura, sin que tenga lugar un cambio de estado


Q Cp = M (ΔT)

Cp = Calor específicoQ = Calor ganado o perdido (Kj)M = Masa (Kg).ΔT = incremento de temperatura del material (ºC)


El Cp se puede expresar en las siguientes unidades:

KJ/KgºCKJ/KgºK

El calor específico de un producto depende de:1. Composición por orden de influencia: humedad,

grasa, proteína, carbohidratos, cenizas.2. Humedad= a > humedad > Cp3. Temperatura: a > ºT > Cp.4. Presión: a < presión > Cp.

Cp1 = 1,675 + 0,025w (Productos cárnicos con Humedad

entre 26 y 100%) (Zumos de frutas con Humedad mayor al

50%)Cp2 = 1,424mc + 1,549mp + 1,675mf +

0,837ma + 4,187mw1= w es el contenido en agua expresada en %2= formula general donde m es la fracción en peso (porcentaje/100)http://www.nal.usda.gov/fnic/foodcomp/search/ 7http://enalcahe.goglepages.com/termobacteriología

Cp = 1,19 + 2,66mw (Pulpas de frutas en general)

Para productos en cuya composición el agua se encuentra en forma líquida (l) y congelada (t)

Cp = mwt*Cpwt + mwl*Cpwl + mc*Cpc + mp*Cpp donde:mwt = fracción en peso agua del congeladamwl = fracción en peso de agua líquidamc = fracción en peso carbohidratosmp = fracción en peso proteínas


Cpwt = calor específico agua congeladaCpwl = calor específico agua líquidaCpc = calor específico carbohidratosCpp = calor específico proteínas

ElementoElemento Cp (Kj/KgºC)Cp (Kj/KgºC)HieloHielo 1,9AguaAgua 4,18CarbohidratosCarbohidratos 1,547Proteínas de origen Proteínas de origen vegetalvegetal

0,908

Proteínas de origen Proteínas de origen animalanimal

0,92

Sólidos totalesSólidos totales 1,5


Tabla 1. Valores de calor específico de algunos componentes de alimentos.

Fuente: Autor.

Base de datos de Composición de alimentos de la USDA:http://www.nal.usda.gov/fnic/foodcomp/search/

Medida de la velocidad con la que el calor se transmite a través de un espesor unidad de ese material cuando existe un gradiente de temperatura unidad entre sus extremos.

La conductividad provee un medio para cuantificar las propiedades de transmisión de calor de los materiales sólidos.


(T1 – T2) Q = kA

L

Q = tasa de transferencia de calor (J/s) o (W)k = Constante de conductividad térmicaA = Área transversal (m2)(T1- T2) = es el gradiente de temperatura (ºC)L = distancia (m)Se puede expresar como:W/m*ºCJ/seg*m*ºKBTU/h*ft*ºF; 1 BTU /h ft ºF= 1,731 W/mºC o ºK


Q = A(T1-T2)

{(L1/K1)+(L2/K2)}

Q = tasa de transferencia de calor (J/s) o (W)k1/2 = Constante de conductividad térmicaA = Área transversal (m2)(T1- T2) = es el gradiente de temperatura (ºC)L1/2 = Distancia


A B

L1 L2

T1 T2

Q

Q = 2πLk(T1-T2)

Ln(r2/r1)

Q = tasa de transferencia de calor (J/s) o (W)k1/2 = Constante de conductividad térmicaA = Área transversal (m2)(T1- T2) = es el gradiente de temperatura (ºC)L1/2 = Distancia


L

r1

r2

T1 T2

MaterialMaterial Temperatura (ºC)Temperatura (ºC) k (W/m*ºC)k (W/m*ºC)PlataPlata 0 428CobreCobre 0 / 100 403 / 395AluminioAluminio 20 218Acero inoxidableAcero inoxidable 0 8 a 16VidrioVidrio 0 0,1 a 1,0HieloHielo 0 2,3AguaAgua 0 / 20 0,573 / 0,597AireAire 0 / 20 0,0242 / 0,0251GlicerolGlicerol 30 0,135Poliestireno Poliestireno celularcelular

0 0,035


Tabla 2. Valores de conductividad térmica de algunos elementos .

Fuente: Lewis, 1993.

Son malos conductores del calor. Influenciada por: composición (el agua

ejerce la mayor influencia), la presión y la temperatura.

Algunos materiales biológicos y alimentos preparados tienen diferentes conductividades según la dirección que se considere, sus propiedades están direccionalmente orientadas, es decir son anisótropos. Ej.: carne y el pescado.

La conductividad térmica disminuye en la medida que el alimento se vaya secando.


MaterialMaterial Temperatura (ºC)Temperatura (ºC) k (W/m*ºC)k (W/m*ºC)Aceite de MaízAceite de Maíz 0 428Melocotón Melocotón liofilizadoliofilizado

0 0,0418 /0,0135

Granos de SojaGranos de Soja 0 0,097 / 0,133Alcohol etílicoAlcohol etílico 20 0,24CarneCarne 0 0,491Carne congeladaCarne congelada 0 1,37AlmidónAlmidón 0 0,15Manzana (verde / Manzana (verde / roja)roja)

(20) 0,422 / 0,513


Tabla 3. Valores de conductividad térmica de algunos alimentos.


Ecuaciones de conductividad térmica de los Alimentos

k = 0,148 + 0,00493w (Frutas y verduras con Humedad mayor a 60%)

k = 0,08 + 0,0052w (Carnes con Humedad del 60-80% y ºT 0 y 60ºC)

k = 0,0324 + 0,3294mm (Pescado)

k = 0,564 + 0,0858mm (Sorgo)k = 0,25mc + 0,155mp + 0,16mf + 0,135ma + 0,58mm


Ecuaciones del efecto de la composición

Modelo paralelok = vsks + vwkw + ….. vnkn

k = msks + mwkw + ….. mnkn

V = Fracción en volumenM = Fracción en porcentajek = Conductividad térmica


A B

Q

Ecuaciones del efecto de la composición

Modelo perpendicular1/k = (vs/ks) + (vwkw) + …. (vn/kn)

1/k = (ms/ks) + (mwkw) + ….(mn/kn)V = Fracción en volumenm= Fracción en porcentajek = Conductividad térmica


A

B

Q

Ecuaciones para el cálculo de la fracción en volumen a partir del la masa y densidad de un alimento, si se conoce su contenido en sólidos y agua.

Modelo paralelo (presenta la siguiente estructura:

La fracción en volumen viene dada por V = m/δ

m = Fracción en masaδ = densidad


Ecuación 1

Ecuación 2

Ecuación 3

Sustituyendo la ecuación 2 y 3 en la ecuación 1, tenemos:

La ecuación 4 se puede emplear entonces para el cálculo de la conductividad térmica en aquellos productos cuya composición básica se defina en % de agua y sólidos

totales, siempre y cuando se conozcan sus densidades (agua y sólidos).



Ecuación 4

Ecuaciones para el cálculo de la fracción en volumen a partir del la masa y densidad de un alimento, si se conoce su contenido en sólidos y agua.

Modelo perpendicular (presenta la siguiente estructura):

Las fracciones en volumen (Vs y Vw) se calculan igual que para el modelo paralelo (ecuaciones 2 y 3).


Ecuación 5

Sustituyendo la ecuación 2 y 3 en la ecuación 5, tenemos:

La ecuación 6 se puede emplear entonces para el cálculo de la conductividad térmica en aquellos productos cuya composición básica se defina en % de agua y sólidos

totales, siempre y cuando se conozcan sus densidades (agua y sólidos).



Ecuación 6

Componente k (en fracción)Aire kair = 0,025Proteína kp = 0,20Carbohidrato kc = 0,245Sólidos ks = 0,26Grasa kf = 0,18Agua kw = 0,6Hielo ki = 2,24


Tabla 4. Conductividades térmicas de algunos componentes de los alimentos


La difusividad térmica (a) es la relación entre la conductividad térmica y el calor específico del producto multiplicado por su densidad.

unidades de a = m2/s Donde: k = conductividad térmica (J/seg*m*ºC) Cp = calor específico (KJ/Kg*ºC) δt = densidad total del producto (Kg/m3)


La difusividad térmica de los alimentos da una medida de la rapidez del cambio de temperatura cuando hay calentamiento o enfriamiento, es decir, cuan rápido se calienta o enfría el alimento.

Los materiales con difusividad alta se calientan rápidamente, y viceversa, es decir, se enfrían de igual forma.


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