Enrique Alfonso Cabeza Herrera.Ph.D en Ciencia y Tecnología de los Alimentos

Especialista en Protección de AlimentosDepartamento de Microbiología

Universidad de Pamplona

Introducción

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

Introducción

1.1. Propiedades térmicas: Propiedades térmicas: calor específico, conductividad térmica y difusividad térmica 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 Estado estacionario y no estacionarioestacionario

Propiedades Térmicas de los Alimentos

Calor Específico cp

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.

Calor Específico

Q Cp = M (ΔT)

KJ Cp = Kg ºC

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

Calor EspecíficoEl calor específico de un producto depende de:1. Composición.2. Humedad.3. Temperatura.4. Presión.

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 + 4,187mm1= w es el contenido en agua expresada en %2= m es la fracción en pesohttp://www.nal.usda.gov/fnic/foodcomp/search/

Calor Específico

Ejercicio 1. Predecir el calor específico de un alimento modelo con la siguiente composición: hidratos de carbono 40%, proteínas 20%, grasa 10%, cenizas 5% y humedad 25%. Respuesta: 2,14 Kj/Kg*ºC.

Cp = 1,424mc + 1,549mp + 1,675mf + 0,837ma + 4,187mm

Conductividad Térmica k

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.

Conductividad térmica

(T1 – T2) Q = kA

X

J k = s m ºC

Q = tasa de transferencia de calor (J/s) o (W)k = Constante de conductividad térmicaA = Área transversal (m2)(T1- T2)/X = es el gradiente de temperatura (ºC/m)

Se puede expresar como Btu/h*ft*ºF; 1 Btu /h ft ºF= 1,731 W/mºC o K

W k = m ºC

Conductividad Térmica

MaterialMaterial Temperatura (ºC)Temperatura (ºC) k (W/m*ºC)k (W/m*ºC)

PlataPlata 0 428

CobreCobre 0 / 100 403 / 395

AluminioAluminio 20 218

Acero inoxidableAcero inoxidable 0 8 a 16

VidrioVidrio 0 0,1 a 1,0

HieloHielo 0 2,3

AguaAgua 0 / 20 0,573 / 0,597

AireAire 0 / 20 0,0242 / 0,0251

Alcohol etílicoAlcohol etílico 20 0,24

CarneCarne 0 0,491

Carne congeladaCarne congelada 0 1,37

AlmidónAlmidón 0 0,15

Manzana (verde / roja)Manzana (verde / roja) (20) 0,422 / 0,513

Conductividad Térmica de Alimentos

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 va secando.

Conductividad Térmica de 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

Efecto de la composición Modelo paralelo

k = vsks + vwkw + ….. vnkn

V = Fracción en volumen

k = Conductividad térmica

Modelo perpendicular

1/k = (vs/ks) + (vwkw) + …. (vn/kn)

Efecto de la composición

Componente k (en fracción)

Aire kair = 0,025

Proteína kp = 0,20

Carbohidrato kc = 0,245

Sólidos ks = 0,26

Grasa kf = 0,18

Agua kw = 0,6

Hielo ki = 2,24

Conductividad Térmica de Alimentos

Ejercicio 1. Calcular la conductividad de una carne de ternera con un 60,1% de humedad.

Respuesta: 0,393 W/mºC.

k = 0,08 + 0,0052w

Conductividad Térmica de Alimentos

Ejercicio 2. Calcular la conductividad térmica de una

manzana cuya composición es 0,844 veces agua y 0,156 veces sólido (fracción de masa), si las densidades del agua y el sólido son 1,00 g/m y 1,59 g/m, respectivamente.

Respuesta: 0,565 W/mºC (modelo paralelo) 0,528W/mºC (modelo perpendicular)

Difusividad de los Alimentos α La difusividad térmica (a) es la relación

entre la conductividad térmica y el calor específico del producto multiplicado por su densidad.

a = k/(d*Cp) unidades de a = m2/s

a = (J/s*m*ºC) / {(Kg/m3)*(J/Kg*ºC)}

Difusividad de los Alimentos

La difusividad térmica de los alimentos da una medida dela 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 viceverza.