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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari

Tecniche che rallentano i processi di alterazione cui vanno incontro gli alimenti per effetto del tempo e dell’ambiente esterno, mantenendo inalterate le proprietà nutritive ed organolettiche.

CONSERVAZIONE DEGLI ALIMENTI

CONSERVAZIONE CON IL FREDDO

1) Prerefrigerazione: utilizzata per prodotti ortofrutticoli, il raffreddamento appena raccolto minimizza i processi di maturazione.

2) Refrigerazione: gli alimenti vengono portati al di sopra del loro punto di congelamento (può essere applicata per periodi brevi)

3) Congelazione: lento abbassamento della temperatura al di sotto del punto di congelamento, al fine di bloccare i processi biologici dei microorganismi (sempre meno utilizzata poiché il lento congelamento provoca la formazione di grossi cristalli di ghiaccio nell’acqua contenuta negli alimenti, con conseguente rottura delle pareti cellulari e perdita dei principi nutritivi)

4) Surgelazione: perfezionamento della congelazione (T pari o inferiore a -18°C). Nella pratica, i prodotti vengono sottoposti a T minori o uguali a -35°C nei surgelatori industriali, e poi conservati a circa -25°C nelle celle di lunga conservazione e a T non più alte di -18°C durante trasporti e nei banchi vendita.

-10°C<T<25°C e 80% dell’acqua è ghiaccio (per questo il congelato non può mantenersi per tempi elevati)

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Scopo: mantenimento dei prodotti nelle migliori condizioni di peso e qualità sino alla immissione sui mercati.

CONSERVAZIONE DEGLI ORTOFRUTTICOLI

DomandeCosa debbo conservare?Condizioni termoigrometriche da mantenere nelle celle e altre esigenze di conservazione,ricambi d’aria, eliminazione gas, atmosfera controllata, ecc..

E per chi?● Produttore: sono quindi noti “prodotto”, tempo di conservazione, quantità.

● Grossisti: - diversità dei prodotti da conservare

- contemporaneità di conservazione di prodotti diversi

- dimensionamento ad hoc delle celle in funzione della richiesta della committenza

- versatilità degli impianti

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari ● Calore entrato per trasmissione attraverso le pareti, il soffitto, il pavimento Qt● Calore sensibile entrato con l’aria ad ogni apertura della porta della cella Qe● Calore da sottrarre al prodotto immesso nella cella per portarlo alla

temperatura di conservazione Qp● Calore di traspirazione svolto dai prodotti stivati Qtrasp● Calore dissipato dai motori elettrici dei ventilatori Qele● Calore interno cella: uomo in cella, illuminazione, ecc. Qi

CARICO TERMICO

Q = Qt + Qe + Qp + Qtrasp + Qele + Qi

Qt = KsΔT dipende: - dal luogo di costruzione- dalle caratteristiche termoisolanti delle pareti (K).

Qe = dipende dalla differenza entalpica tra le condizioni interne ed esterne e dal numero di aperture/h delle porte.

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s = tempo di apertura in (sec.) h = altezza porta (m)mi = massa volumica aria interna (kg/m3) Ji = entalpia aria interna (kj/kg)me = massa volumica aria esterna (kg/m3) Je = entalpia aria esterna (kj/kg)S = superficie della porta (m2)

Qp = Cp m ΔT = è funzione della quantità di prodotto e della temperatura di entrata del prodotto

( )iei

eie JJh

mmSmsQ −⋅⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⋅⋅= 1

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- E’ buona norma portare a temperatura di conservazione nelle prime 12-18 ore dalla entrata in cella.

- Importanza della pre-refrigerazione che, oltre ad abbassare l’entità del carico termico, ha positivi effetti fisiologici che prolungano la conservazione.

Qtrasp = è funzione del tipo di prodotto immagazzinato; i prodotti con i più alti valori di calore svolto (piselli, fagiolini) sono oggi conservati secondo il processo di congelamento.

Per la frutta si può considerare un valore di 2 W per ogni quintale di prodotto.

Considerando uno stivaggio ottimale 2 quintali/m3 si può calcolare un carico termico trasp. pari a 4 W/m3 di cella.

Qele = dipende dal tipo di ventilatore installato.

U.R. (umidità relativa)Prodotti ortofrutticoli: 85% - 90%Agrumi, zucche, aglio, ecc.: 75%.

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Bisogna evitare:

1) l’eccessiva evaporazione del prodotto che causa perdita in peso (se U.R. < U.R. richiesta)2) Formazione di muffe (se U.R. > U.R. richiesta).

n = 1 volume/h

- Per eliminare i composti volatili odorosi- Per evitare la comparsa di alterazioni fisiologiche- Controllo della concentrazione di O2 (<10% ) e quello di CO2

RICAMBI D’ARIA

Per i prodotti mediterranei e tropicali si usa il riscaldamento intermittente per alcune ore attorno ai 15-20°, che impedisce i danni da freddo.

DIMENSIONI CELLE Per i produttori il volume varia da 2.000 ÷ 5.000 m3

Per i grossisti il volume è intorno ai 600 m3

K pareti ≤ 0,3 kcal/h ·m2 ·°C isolante 100 mm

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- Stivaggio del prodotto: distanza tra le cassette o i pallets ed il soffitto > 30 ÷ 40 cm.

Ulteriori considerazioni

- Sigillatura delle giunzioni tra i pannelli prefabbricati che costituiscono la cella.

- Canale di mandata + ripresa nelle celle a lunga conservazione.

- Ventilatori interni per evitare problemi di stratificazione dell’aria. Eventuale automazione con la posa di 2 termostati.

- Pendenza verso l’esterno del pavimento per favorire l’eliminazione dell’acqua di lavaggio delle celle.

- Barriera al vapore con strati bituminosi impermeabili (nel caso di atmosfere controllate non sufficiente, le celle devono essere rese totalmente stagne con lamiere in acciaio zincato, fogli di alluminio, materiali plastici e vernici impermeabilizzanti..

- Talvolta anticelle, ossia vani refrigerati a T intermedie tra cella e esterno, per ridurre ulteriormente i carichi termici e di umidità (soprattutto in località ad alte T e umidità esterne)

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La regolazione è eseguita con termostati ambiente sensibili ad un ΔT= 1 °CREGOLAZIONE E CONTROLLI

Per avere U.R. alte si installa in cella un sistema di umidificazione:

- Vaporizzatore- Nebulizzatore- Atomizzatori a quarzo vibranti che creano una finissima aereosoluzzazionedell’acqua con ottimo rendimento.

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Gli umidificatori saranno attivati da umidostati (o ignostati) mentre la misura sarà fatta da psicrometri, igrometri a capello o igrometri a punto di rugiada basati sul principio della variazione della costante dielettrica dell’elemento sensibile contenuto nello strumento.

Installazione di valvole con chiusura a “clapait” munite di resistenza elettrica per impedire la formazione di brine per ovviare al problema della sovrappressione, che normalmente viene ad esercitarsi dall’esterno verso l’interno.

Trattamento con atmosfera controllataModificazione della composizione dell’atmosfera nella cella frigorifera con l’abbattimento della percentuale di di O2 e il controllo del CO2.

IMPIANTI SPECIALI

Questo tipo di trattamento non è però adatto o utile per tutti iprodotti ortofrutticoli.Ogni specie reagisce diversamente.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Le installazioni necessarie sono:

● Impermeabilizzazione della cella, che deve essere ad assoluta tenuta in ogni sua parte, per impedire la miscelazione con l’atmosfera esterna.

● Mantenimento di un ΔT minimo tra batteria e cella per avere un altro grado di U.R.

● Adozione di un sistema di umidificazione.

L’abbattimento del O2 avviene, in modo naturale, per l’assorbimento dovuto alla respirazione del prodotto.

Per il controllo della CO2 si usano assorbitori a carbone attivi.

● Diffusione di un sistema di rapida messa a regime delle celle, detto (ULD – Ultra Low Oxygen) con immissione di azoto per ridurre la concetrazione di O2

● Diffusione di sistemi computerizzati per il controllo dell’atmosfera.

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Durante il processo di congelazione l’acqua si trasforma in ghiaccio: il fenomeno inizia ad una temperatura, detta crioscopica, di qualche grado inferiore a 0 °C in relazione alla concentrazione molare delle sostanze disciolte nell’acqua contenuta nei prodotti (da -2 a -3°C per la frutta, intorno a -1°C per carni magre).

METODI DI CONGELAZIONE

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Durante le prime fasi del congelamento si verifica il fenomeno del sottoraffreddamento.L’entità di questo fenomeno influenza la formazione dei nuclei di cristallizzazione, intorno ai quali si accrescono successivamente i cristalli di ghiaccio.

VelocitàRaffreddamentoAlta

Riduzione della concentrazione delle sostanze residue

VelocitàRaffreddamentoBassa

Formazione di pochi nuclei di cristallizzazione e ad un aumento delle dimensioni finali dei cristalli (danneggiamento delle cellule).

Per prodotti con alto contenuto di materia secca (piselli, carni, ecc.)

………………. 1,8÷2,3 cm/h

Per prodotti a base di uova o frutta

………………. 3÷4 cm/h

Prodotti precucinati ……>>4 cm/h per preservare

l’aroma e i sapori contenuti nei vapori.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Celle frigorifere di conservazione: applicazioni tipiche

1) Raffreddamento rapido della carne macellata: le carcasse devono raggiungere T tra +4 e +5°C in 20-24 ore. Poi, mantenute tra 0 e -2°C con umidità del 90%. Portata d’aria non superiore a 25 volumi/ora (ricircolo che non deve investire le carcasse).

2) Conservazione carne fresca: umidità non inferiore all’85% (per evitare calo peso), ma non troppo superiore (per evitare che la superficie della carne sia vischiosa). Anche qui limite di 25 vol/ora e ricircolo che non deve investire la carne.

3) Conservazione pesce fresco: Evitare ricircolo che investa il pesce. Stivato in cassette con ghiaccio in scaglie per evitare perdita di umidità. Richieste T tra 0 e +2°C, umidità tra 90 e 95%. L’alta umidità richiesta comporta necessità di frequenti sbrinamenti dei aeratori.

4) Conservazione uova: T tra -1.5 e -0.5 °C, umidità dell’80-85% (valori superiore portano a formazione di muffe superficiali

5) Conservazione prodotti ortofrutticoli freschi: la durata dipende dal prodotto (si va dalla patata oltre sei mesi al pomodoro maturo non più di una settimana). Per aumentare la durata, atmosfere controllate diverse da quella convenzionale (78% vol azoto, 21% ossigeno, 0,03% CO2, altro). Atmosfere controllate si ottengono con appositi sistemi di controllo, oppure più semplicemente lasciando “respirare” la frutta in celle ermeticamente chiuse si ottengono atmosfere povere di O2 e ricche di CO2 con rinnovo dosato dell’aria in cella.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Celle frigorifere di conservazione: applicazioni tipiche

1) Maturazione accelerata di alcuni ortaggi e frutta: alcuni ortaggi o frutta emettono etilene durante la maturazione. In atmosfere controllate con presenza di etilene 1%, ne viene accelerata la maturazione (es. pomodori e melone che già )

2) Conservazione uva: problemi dovuti al necessario trattamento del prodotto con anidride solforosa (SO2) che può danneggiare le pareti e gli aerorefrigeranti. La soluzione è refrigerazione indiretta in celle nelle quali l’aria passa in un’intercapedine di materiale inattaccabile alla SO2 o l’uva viene stivata in grandi contenitori di polietilene sul cui fondo è introdotto un sacchetto di metabisolfito che inumidendosi libera la SO2.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari - CONGELATORI AD ARIA- CONGELATORI PER CONTATTO- CONGELATORI PER IMMERSIONE- CONGELATORI PER ASPERSIONE

IMPIANTI DI CONGELAZIONE

I congelatori ad aria realizzano il congelamento del prodotto facendolo lambire da aria, raffreddata alla temperatura tra - 35 °C e - 40 °C nel passaggio attraverso l’evaporatore dell’impianto frigorifero. Questa classe di impianti comprende una vasta gamma di tecnologie, distinte in base ai tempi di refrigerazione e al grado di meccanizzazione che permettono di realizzare, per cui può essereulteriormente suddivisa in gruppi più omogenei:

1) Magazzini frigoriferi2) Celle frigorifere a circolazione d’aria forzata3) Tunnels di tipo stazionario4) Tunnels di tipo continuo5) Tunnels di tipo automatico6) Congelatori a nastro7) Congelatori a letto fluido.

CONGELATORI AD ARIA

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari I magazzini frigoriferi, ambienti termicamente isolati mantenuti a temperatura sufficientemente bassa, sono spesso utilizzati come impianti di congelazione anche se non possono essere considerati veri congelatori. E’ comunque sconsigliabile procedere alla congelazione nei magazzini frigoriferi, che non hanno apparecchiature idonee progettate per la congelazione perché si verifica che questa avviene con grande lentezza, tanto da danneggiare la qualità di quasi tutti i prodotti.

1) Magazzini frigoriferi

Le celle frigorifere a circolazione d’aria forzata sono realizzate impiegando unità di raffreddamento dell’aria equipaggiate con ventilatori tali da creare un’adeguata turbolenza nell’ambiente. I prodotti da congelare sono posti sui ripiani di rastrelliere, movimentate mediante carrelli elevatori, disposti in modo da lasciare uno spazio libero al passaggio dell’aria pari al 50% dello spessore del prodotto da congelare. L’assenza di controllo nella circolazione dell’aria comporta forti variazioni del flusso dell’aria sul prodotto e scambio termico non molto efficiente tra prodotto e aria, con la conseguenza che questi impianti possono essere impiegati solo per una limitata gamma diprodotti, quali ad esempio le carcasse di animali o carni in cartoni.

2) Celle frigorifere a circolazione d’aria forzata

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Sono costituiti da un ambiente isolato termicamente, diviso in due vani: in uno è collocata la merce, nell’altro, che costituisce il canale di ritorno, l’evaporatore ed i ventilatori fanno circolare l’aria sui prodotti da congelare. I prodotti sono posti su vassoi disposti su una rastrelliera introdotta ed estratta manualmente dopo la congelazione.

3) Tunnels a funzionamento stazionario

Questo tipo di congelatori è molto flessibile e quindi utilizzabile per molti prodotti, ma richiede notevole mano d’opera e può provocare perdite di peso e qualità se impropriamente utilizzato.

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Questi congelatori permettono, rispetto ai precedenti, una riduzione dell’impiego di mano d’opera nella movimentazione del prodotto che è meccanizzata. Le rastrelliere, che sorreggono i vassoi su cui viene caricato il prodotto, sono montate su carrelli a ruote che normalmente scorrono su binari e sono spinte da meccanismi ad azionamento molto spesso idraulico.

4) Tunnels a funzionamento continuo

Hanno gli stessi vantaggi e svantaggi dei tunnels stazionari, e mentre permettono la riduzione nell’impiego di mano d’opera, per contro hanno una minore flessibilità in quanto prodotti con tempi di congelamento differenti devono essere caricati su carrelli che seguono binari diversi.

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In questo tipo di impianti tutte le operazioni di movimentazione del prodotto durante il processo di congelamento vengono opportunamente automatizzate con soluzioni meccaniche complesse, tali da rendere questi tunnels a funzionamento automatico notevolmente differenti dai precedenti.

5) Tunnels automatici

Il prodotto da congelare può essere caricato su vassoi scorrevoli che, muovendosi lungo una grande rastrelliera, la percorrono tutta dalla linea più alta e successivamente a quelle inferiori, ma sempre in senso opposto l’una rispetto alla successiva. In questo tipo di congelatori a vassoio, per ogni vassoio caricato dall’alto ne esce uno in basso. La movimentazione dei vassoi dall’uscita all’ingresso del congelatore è costosa anche se realizzata meccanicamente.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Nei congelatori trasportatori la movimentazione del prodotto è più complessa: essi possono essere considerati come due tunnels a funzionamento continuo sovrapposti: nella parte superiore i trasportatori avanzano, in quella inferiore procedono in senso inverso.

6) Tunnels automatici – congelatori trasportatori

Il caricamento del prodotto da congelare avviene frontalmente nella parte superiore del congelatore e lo scarico del prodotto congelato, un ripiano per volta, nella parte inferiore. Questi congelatori possono essere progettati per qualsiasi altezza tra i ripiani e per varie lunghezze e larghezze, automatizzando anche il carico e lo scarico del prodotto.

I congelatori automatici descritti sono particolarmente utili per prodotti imballati. Tentativi di congelare filetti di pesce o prodotti simili disposti singolarmente sui vassoi hanno avuto solo moderato successo. I prodotti non imballati, infatti, aderiscono ai vassoi con il risultato di produrre danni o perdita di peso se staccati meccanicamente o di richiedere complicate attrezzature se staccati mediante riscaldamento dei vassoi. Inoltre i vassoi nel caso di prodotti non imballati devono essere puliti per mantenerli in buone condizioni igieniche.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari I congelatori a nastro, che nella loro prima realizzazione erano costituiti semplicemente da nastri trasportatori a maglie metalliche installati in una camera a circolazione forzata di aria, sono attualmente progettati in modo da realizzare un miglior contatto tra aria e prodotto sfruttando i percorso del flusso verticale di aria. Per un buon congelamento occorre una uniforme distribuzione del prodotto su tutta la superficie del nastro, altrimenti l’aria si concentra nella zona ove il prodotto è distribuito con meno densità.

7) Congelatori a nastro

I tipi principali di congelatori a nastro sono:1) a nastro singolo2) a nastro multiplo3) a nastro multiplo, a più ordini4) a nastro a spirale.

Il congelatore a nastro singolo è il più semplice, consistendo in un nastro trasportatore esposto ad una corrente d’aria proveniente dall’alto. E’ utile per prodotti fritti o relativamente secchi che non tendono a congelare l’uno insieme all’altro o ad ammassarsi (bastoncini di pesce, patate fritte, prodotti da forno). I prodotti umidi tendono ad ammassarsi e a formare ghiaccio che mette a repentaglio la durata del nastro, ciò può essere evitato installando un’apposita apparecchiatura (clump-breakers) là dove inizia la congelazione.

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Per esigenze di spazio si passa dal congelatore a singolo nastro a quello multiplo a più ordini, che si ottiene sovrapponendo più nastri trasportatori. Così facendo si ottiene anche il vantaggio che il prodotto congelato in superficie sul primo nastro può essere accatastato in uno strato piuttosto spesso sul nastro inferiore con una riduzione della superficie totale del nastro richiesta per la congelazione.

I congelatori a nastro multiplo a più ordini, sono adatti per lasurgelazione di prodotti singoli (IQF= Individual QuickFreezing) quali bastoncini di pesce fritti, porzioni di pesce, prodotti da forno ed altri. Molto spesso però l’allungamento deitempi di congelamento per la presenza dell’imballaggio rendono questi congelatori non economici per la surgelazionedi prodotti singoli.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Per massimizzare la superficie del nastro rispetto alla superficie occupata in pianta vengono realizzati i congelatori a nastro a spirale. Sono costituiti da un nastro a forma di spirale avvolto intorno ad un tamburo rotante sino a formare più di 40 spire.

Nastro a spirale

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I più moderni congelatori a nastro impiegano un sistema di guida a bassa tensione meccanica, per cui speciali nastri pieghevoli vengono avvolti su uno o più tamburi in un circuito continuo. I nastri, sorretti da binari sagomati a forma di spirale, vengono trascinati dall’accoppiamento a frizione tra nastro e tamburo rotante. La continuità del nastro elimina la movimentazione dei prodotti all’interno del congelatore, con il risultato che questi vengono soltanto caricati all’ingresso ed estratti all’uscita. La flessibilità del nastro permette inoltre di avere più ingressi e più uscite.Questi congelatori si prestano ad essere utilizzati per prodotti come carne, pesce e pollame, sia imballati che sfusi.

La circolazione dell’aria che si muove con velocità da 2 a 4 m/s, avviene in direzione parallela al piano dei nastri oppure in senso ortogonale e assicura un’efficace trasmissione del calore (anche nel caso di elevata turbolenza non si superano valori di trasmittanzatermica superficiale α= 15-30 W/m2 K).

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I congelatori a letto fluido, a differenza di quelli precedentemente descritti, non hanno bisogno di alcun supporto per il trasporto dei prodotti da congelare, poiché questi per il principio della fluidizzazionegalleggiano in un flusso di fluido diretto verso l’alto. Si verifica infatti che per una certa velocità del fluido, generalmente aria a bassatemperatura, il prodotto da congelare, costituito da particelle della stessa forma e dimensione, galleggia nel getto d’aria.

Congelatori a letto fluido

In queste condizioni, ogni particella, separata dall’altra, avvolta da aria e libera di muoversi, fa assumere alla massa di prodotto da congelare le caratteristiche del fluido. Utilizzando aria a bassa temperatura, oltre ad ottenersi la fluidizzazione, è possibile contemporaneamente congelare e trasportare il prodotto, senza necessità di impiegare nastri trasportatori meccanici.

La fluidizzazione può essere ottenuta utilizzando l’apparato costituito da una vasca in acciaio inossidabile con il fondo perforato, attraverso la quale una batteria di ventilatori fa passare una forte portata d’aria refrigerata. La vasca viene alimentata da un lato con il prodotto di piccole dimensioni (massimo 20-25 mm), di pezzatura uniforme, che viene scaricato congelato dal lato opposto, tracimando al di sopra di un battente a stramazzo.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Per una buona fluidizzazione della massa da congelare è opportuno che:

v minima di sospensione < v aria < v massima che produce la fuoriuscita del prodotto

Per prodotti specifici (mirtilli, fragole, piselli)numero di Froude → 65÷160

d = diametro particelleg = accelerazione di gravità

Nella pratica Fr ≅100÷120

Questi congelatori realizzano, inoltre:• ottimo contatto tra prodotto ed aria;• massimizzazione della superficie di scambio aria-prodotto;• valori della trasmittanza termica superficiale tra i più elevati fra tutti i sistemi di

congelazione e tempi di refrigerazione molto bassi;• riduzione delle dimensioni rispetto ai congelatori a nastro;• minima disidratazione del prodotto (perdite in peso <1%);• ottimo per: patate fritte, gamberi, frutta, ortaggi, ecc.

gdvFr⋅

=2

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Questi tipi di impianti sono costituiti da congelatori a piastreparticolarmente adatti alla congelazione di prodotti impacchettati. La sottrazione del calore dal prodotto da congelare si ottiene serrando questo tra due piastre refrigeranti, all’interno delle quali circola direttamente il fluido frigorigeno.

IMPIANTI DI CONGELAZIONE PER CONTATTO

In tal modo la trasmissione del calore avviene principalmente per conduzione e, se si prendono alcuni accorgimenti nella progettazione e nel funzionamento dell’impianto, come per esempio la planarità delle piastre che devono essere esenti da distorsioni e l’accuratezza nel riempire di prodotto i contenitori, si ottiene un’alta efficienza nella trasmissione del calore e tempi di congelamento piuttosto bassi. Infatti si riescono ad ottenere valori della trasmittanza termica superficiale, α, variabili tra 150 e 580 W/m2

K, e quindi grandi velocità di congelamento.

Per gli alti valori della trasmittanza termica superficiale ottenibili, l’impiego dei congelatori per contatto, quando possibile, è da preferirsi perché, oltre ad essere rapido, è economico sotto l’aspetto energetico, non essendoci energia spesa per ventilazione.

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pressione [kg/m2] 0,00 0,07 0,13 0,20α [W/m2 K] 75,7 156 181 227

Per mantenere costante la pressione al valore stabilito, un sistema di regolazione compensa l’aumento di volume del prodotto durante la congelazione, che risulta in genere inferiore al 9%:6% per gli alimenti con elevato contenuto di acqua, carne, pesce e prodotti ortofrutticoli; ancor meno per quelli con alta percentuale di materia secca, quali ad esempio i prodotti da forno.

Lo spessore complessivo del prodotto imballato viene molto spesso limitato a 50 mm, poiché influisce sui tempi di congelamento, che aumentano rapidamente con l’incremento dello spessore.

Naturalmente la pressione tra le piastre oltre ad eliminare il rigonfiamento dei contenitori incide positivamente sui valori di α, come si può notare dai risultati della sperimentazione condotta da Plank e di seguito riportata:

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Nel caso di congelatori a piastre orizzontali manuali, con numero delle piastre variabile tra 15 e 20, il prodotto da congelare viene posto su vassoi metallici all’uscita della linea di impacchettamento, quindi trasportato con un carrello presso il congelatore e caricato manualmente tra le piastre refrigeranti.

Congelatore a piastre orizzontali

L’automatizzazione di questa operazione è in genere realizzata facendo in modo che il carico e lo scarico del prodotto avvengano sempre allo stesso livello mentre il complesso di piastre viene azionato da traslatore verticale, che muovendolo verso l’alto o il basso, posiziona ciascuna coppia di piastre in corrispondenza del convogliatore in ingresso.

A posizionamento avvenuto, le piastre vengono divaricate in modo che i pacchetti di prodotto da congelare possano essere spinti dal convogliatore tra le piastre stesse producendo l’espulsione del prodotto congelato dalla parte opposta. Il ciclo descritto si ripete in maniera identica per ogni coppia di piastre fino al completamento del carico; quindi le piastre vengono serrate e inizia il processo di congelazione.

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I congelatori per contatto continui sono del tipo a tamburo o a nastro. ● Secondo il primo sistema il fluido frigorifero si espande all’interno

di un tamburo in modo tale da far raggiungere alla superficie inacciaio di questo, su cui vengono depositati i prodotti da congelare (filetti di pesce, gamberetti, hamburger), una temperatura di – 40 °C. Il prodotto, che non è confezionato, aderisce alla superficie fredda e per contatto rapidamente congela; un sistema meccanico con lama ne provvede al distacco al termine della rotazione del tamburo.

Congelatori per contatto continui

● Con il secondo sistema, analogamente ai congelatori a nastro, si ottiene il congelamento depositando il prodotto su di un nastro di acciaio, raffreddato per contatto con piastre refrigerate o per mezzo di getti di salamoia, e staccandolo congelato alla fine del nastro per mezzo di un sistema meccanico a lama.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Gli impianti di congelazione per immersione sono costituiti da un contenitore che racchiude una soluzione di cloruro di sodio, impiegata principalmente per la preparazione del tonno a bordo delle navi da pesca, di cloruro di calcio, di glicole propilenico, etilenico o sostanze simili non tossiche, nella quale viene immerso il prodotto da congelare mentre viene trasportato attraverso il contenitore.

IMPIANTI DI CONGELAZIONE PER IMMERSIONE

Con l’uso di un liquido come mezzo refrigerante questi congelatori permettono di ottenere coefficienti di scambio termico più elevati di quelli in aria sia in corrispondenza dell’evaporatore che del prodotto stesso. Sono adatti al congelamento di prodotti di forma irregolare (polli o tacchini, ad esempio), per i quali non si possono impiegare congelatori a piastre.

I prodotti devono essere confezionati con involucri di qualità opportuna, specialmente quando il mezzo refrigerante è costituito dalle soluzioni glicolate cui si è accennato: si può far uso di imballaggi costituiti da pellicole plastiche applicate secondo il metodo Cry-O-Vac, vale a dire facendo il vuoto nel contenitore plastico in modo che esso aderisca perfettamente al prodotto.

Gli involucri devono essere perfettamente sigillati per impedire il contatto del prodotto con il liquido refrigerante, i cui residui vanno poi eliminati lavando il pacchetto con acqua all’uscita dal congelatore. Il congelamento senza imballaggio è utilizzato impiegando soluzionizuccherine per bacche e saline per prodotti animali, specialmente pesce.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari In questo tipo di impianti si ottiene la congelazione del prodotto mediante aspersione con liquidi criogenici, quali azoto liquido, anidride carbonica liquida o freon R12, mentre questo viene trasportato con nastri rettilinei, a spirale o a più ordini.

CONGELATORI PER ASPERSIONE DI LIQUIDI CRIOGENICI

Mettendo direttamente in contatto il prodotto da congelare con il fluido frigorigeno si ottengono grandi velocità nei processi di scambio termico. A questa caratteristica si aggiungono altri pregi, che hanno determinato la grande diffusione di questi impianti negli ultimi anni: costo iniziale basso, rapida installazione e messa in funzione, possibilità di inserimento in linee di processo altamente meccanizzate, riduzione dei processi di disidratazione. Questa ultima caratteristica li rende poi particolarmente idonei alla congelazione di prodotti caldi o cucinati.

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Nel caso di congelatori ad anidride carbonica le differenze impiantistiche sono dovute alle diverse caratteristiche del mezzo frigorigeno.

Occorre fare attenzione perché molti prodotti possono non sopportare lo stress termico causato da un raffreddamento così rapido come quello che avviene in questo tipo di impianti.

Principio di funzionamento:L’azoto liquido, alla temperatura di -196 °C, viene spruzzato sul prodotto da congelare trasportato da un nastro all’interno di un tunnel a pressione atmosferica; evaporando rapidamente, l’azoto sottrae al prodotto da congelare una grande quantità di calore. Mentre un agitatore provvede a mantenere l’atmosfera continuamente in movimento, i vapori freddi vengono inviati in contro corrente sul prodotto che entra nel congelatore in modo da effettuare una specie di preraffreddamento, e quindi scaricati ad una temperatura tra i -30 e i -18 °C.

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Bisogna individuare:- l’abbassamento di temperatura del prodotto

tra ingresso (- 3 ÷ 80°C) e uscita (- 40 ÷ 0°C) dal congelatore;- la continuità o l’intermittenza nel caricamento del prodotto;- la potenzialità del congelatore, P:

Quantità prodotto trattatoP =

Tempo

DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI

Q = quantità di prodotto contenuto nel congelatore (kg);V = volume del prodotto contenuto nel congelatore (m3);q = peso specifico del prodotto contenuto nel congelatore (kg/m3);tF = tempo di congelamento (h).

Kg/hFF tqV

tQP ⋅

==

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari L’impianto deve comunque essere dimensionato:- per assicurare un’adeguata capienza C:

C = P · tF (kg)

- per fornire un’adeguata potenza frigorifera:

Calore dissipato attraverso l’involucro

Calore sottratto al prodotto da congelare

Per definire il tF si ricorre:- a metodo empirico: metodo introdotto da C.O. Ball, basato su curve

sperimentali che forniscono, in funzione del tempo, la differenza di temperatura tra il prodotto da congelare e il mezzo circostante, supposto a temperatura costante.

- a metodo semiteorico;- a metodo teorico.

vuotoaF

utileFF PPP +=

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Metodo teorico

Si basa su soluzioni matematiche dell’equazione di bilancio termico. La più conosciuta è l’equazione di Plank.Ipotesi:- i cambiamenti di fase avvengono ad una ben determinata temperatura (non si tiene conto di preraffreddamento e sottoraffreddamento);- prodotto isotropo ed omogeneo- forma semplice.

ΔH = differenza entalpica del prodotto tra temperatura di inizio e fine congelazione (kJ/kg);

Δθ = differenza di temperatura (Tinizio cong. – Tmezzo raffr.);γ = densità del prodotto;D = spessore del prodotto;α = trasmittanza termica superficiale;λ = conduttività del prodotto;N = parametro di forma.

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛α

+λ

⋅⋅γ⋅θΔ

Δ=

14D

NDHtF

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Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Corso di Fisica Tecnica applicata alle Industrie Alimentari Possiamo scrivere che tF= A + Bdove: A rappresenta l’influenza del fenomeno della conduzione termica all’interno della

massa del prodotto;B rappresenta l’influenza dei fenomeni termici convettivi sulla superficie del

prodotto.Prodotti di → prevale il fenomeno conduttivo rispetto alla convezionenotevole spessore

Prodotti sottili → prevalenza del fenomeno convettivo su quello conduttivo

Variazione della trasmittanza termica superficiale

metodo di congelazione trasmittanza termica superficiale(W/m2 K)

aria calma 5aria soffiata 15-30letto fluido 70-90per contatto 150-580per immersione 800per aspersione 1000-1500

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Purtroppo i costi aumentano con l’aumentare dei valori della trasmittanza termica superficiale, per cui anche per questo parametro occorrerà scegliere il valore strettamente necessario. Tutto ciò sembrerebbe sfavorire i metodi di congelamento con liquidi criogenici, ma nella scelta di un congelatore bisogna valutare il mantenimento della qualità del prodotto nonché la perdita in peso del prodotto stesso. Questo ultimo aspetto diventa, dal punto di vista economico, particolarmente importante per produzioni pregiate, per cui anche metodologie costose, come quelle criogeniche, possono ridiventare convenienti limitando al massimo le perdite per disidratazione.

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