CONGELACIÓN DE ARVEJA EMPLEANDO UN SISTEMA DE CONGELACIÓN INDIVIDUAL, IQF/FREEZING PEAS USING AN INDIVIDUAL FREEZING SYSTEM, IQF

Headnote

RESUMEN

Antecedentes: El sistema de congelación individual (IQF) es usado en la industria de alimentos para congelar productos en forma rápida, conservando su calidad. Su operación depende de factores como la velocidad y temperatura del medio de enfriamiento y del tipo de lecho utilizados. Objetivo: El objetivo de este trabajo fue establecer el efecto de las variables de operación sobre el tiempo de congelación de arveja fresca mediante un sistema de congelación individual (IQF). Métodos: Se utilizó un diseño factorial completamente al azar donde los factores fueron el tipo de lecho, altura del lecho y velocidad del medio de enfriamiento; la variable de respuesta fue el tiempo de congelación. Para el análisis de los resultados se utilizó el ANOVA con un 95% de confianza y el estadístico de Tukey en el post-ANOVA con un 95 % de confianza. Resultados: A partir de las curvas de congelación obtenidas se pudo evidenciar que el tipo de lecho y su altura influyen sobre el tiempo de congelación, en tanto que no fue posible verificar el efecto de la velocidad del medio de enfriamiento. Por otro lado, los resultados mostraron que existe una interacción entre los 3 factores según el ANOVA al ser el valor p<0.05, siendo el tipo de lecho (fijo o fluidizado), el que influyó en mayor medida el tiempo de congelación, con una mayor eficiencia cuando se trabajó en lecho fluidizado; por su parte la altura del lecho influenció significativamente al trabajar en lecho fijo. Conclusiones: Las variables de operación del sistema de congelación IQF analizadas presentan efectos significativos sobre el tiempo de congelación de las arvejas verdes, y entre ellas, el más notable es el tipo de lecho, pues los tiempos son en promedio 45.5% menores al utilizar lecho fluidizado en comparación con el lecho fijo y el fluidizado no se ve afectado significativamente al variar la altura.

Palabras clave: Congelación rápida individual, congelación, lecho fluidizado, lecho fijo, tiempo de congelación.

ABSTRACT

Background: Individual Quick Freezing (IQF) system is used in food industry to freeze products quickly preserving their quality. Its operation depends on factors such as speed and temperature of the cooling medium and the type of bed used. Objective: The aim of this study was to establish the effect of operating variables on the freezing of fresh green peas using a system of Individual Quick Freezing (IQF). Methods: A random factorial design was used, in which the factors were bed type, bed height and speed of medium cooling, and freezing time as the response variable. For the data evaluation, the statistical tool ANOVA was used with 95% confidence and Tukey's test in the post ANOVA with 95% confidence. Results: Freezing curves obtained from the processes allowed to evidence that the type and bed height influenced the freezing time, whereas it was not possible to identify the effect of the speed of the cooling medium on the freezing time. Furthermore, the results showed an interaction between the three factors as shown by the ANOVA (p<0.05), being the bed type (fixed or fluidized) the most influential factor on freezing time, with greater efficiency on the fluidized bed. Conclusions: The operation variables analyzed show significant effects on the freezing time of green peas, the most notable is the type of bed, because the times are on average 45.5% lower when using fluidized bed compared to fixed bed and the former is not significantly affected by bed height.

Keywords: Individual Quick Freezing, freezing time, freezing, fixed bed, fluidized bed

INTRODUCCIÓN

La congelación es uno de los tratamientos más utilizados en la industria para la conservación de alimentos. La congelación rápida individual (IQF, Individual Quick Freezing), permite obtener alimentos congelados con características muy cercanas a las originales (1).

Se han realizado estudios de congelación IQF para diferentes productos y condiciones de operación. Salvadori & Mascheroni (2) encontraron que el espesor de la capa influye directamente sobre el tiempo de congelación. Por su parte, Khairullah & Singh (3) determinaron que existe un aumento apreciable en la tasa de producción con el aumento de alturas de lecho y que el tiempo de congelación del producto es menor en lecho fluidizado que en lecho fijo. El objetivo de este trabajo es establecer el efecto de las variables de operación sobre el tiempo de congelación de arveja fresca mediante un sistema de congelación individual (IQF) por medio de curvas de congelación.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los ensayos de congelación se llevaron a cabo con arveja verde, adquirida en el mercado local. Se utilizó un equipo IQF (DARTICO S.A.S) con zonas de congelación en lecho fijo y fluidizado. Las temperaturas en el centro del producto y del aire de enfriamiento se midieron con termopares Omega, tipo K, calibre 36 conectados a un sistema de adquisición de datos y la velocidad del aire con un anemómetro digital.

Diseño experimental

Se utilizó un diseño experimental factorial completamente al azar compuesto por tres factores: tipo de lecho (fijo y fluidizado), velocidad del medio de enfriamiento (7.3, 7.9 y 8.5 m/s) y altura del lecho con (1.0, 1.7 y 2.4 cm) y el tiempo congelación como variable de respuesta. La altura del lecho se normalizó en función del peso del producto utilizado 250, 450 y 650 g correspondientes a 1.0 cm, 1.7 y 2.4 cm, respectivamente. Para determinar el tiempo de congelación, se utilizó el concepto de tiempo de congelación estándar (4), registrando la temperatura del centro del producto cada segundo desde el inicio del proceso (T=15 °C) hasta una temperatura final de -25 °C.

Análisis Estadístico

Se realizó un análisis descriptivo para obtener la media y la desviación estándar por cada tratamiento y un análisis inferencial, mediante un análisis de varianza con un 95% de confianza. La validación de los supuestos, se realizó mediante la normalidad de los residuales y varianza constante de los mismos. Por último se realizó un test de comparación múltiple (post ANOVA), utilizando el estadístico Tukey, con 95% de confianza.

RESULTADOS

En la figuras 1 y 2 se muestran las curvas de congelación de arvejas verdes a diferentes alturas para lecho fijo y fluidizado.

En la figura 1 se observa que para lecho fijo se presentaron fluctuaciones de temperatura en la etapa final de congelación, lo cual no se evidencia para lecho fluidizado (ver figura 2). En general no se logra visualizar el fenómeno de sobreenfriamiento; el punto de congelación derivado de la meseta que sigue al sobreenfriamiento en promedio es de -2.9 °C ± 0.8 °C. Se obtuvieron tiempos de congelación de (217-273) s, (222-716) s y (251-777) s para 1.0, 1.7 y 2.4 cm de altura, respectivamente y fue menor (217-295) s para lecho fluidizado, comparado con el de lecho fijo (364-777) s.

En la figura 3 se muestra un diagrama de cajas, construida con base en la media y la desviación estándar de los tiempos de congelación para los diferentes tratamientos.

Según se observa en la figura 3, el tiempo de congelación es mayor para lecho fijo que para lecho fluidizado. En relación con la altura, en lecho fluidizado se presenta incrementos de alrededor de 11% y 19% al aumentar la altura del lecho desde 1.0 cm hasta 1.7 cm y 2.4 cm respectivamente, mientras que en lecho fijo los incrementos del tiempo de congelación fueron del 70 y 78% aproximadamente, al aumentar la altura del lecho desde 1.0 cm hasta 1.7 cm y 2.4 cm, respectivamente.

En la tabla 1 se muestra la media y la desviación estándar para cada uno de los tratamientos y la interacción entre los 3 factores correspondientes al post-ANOVA, ya que se obtuvo ANOVA p<0.05 para esta interacción. Las diferencias entre los tratamientos se ilustran como una agrupación de acuerdo al estadístico de Tukey con un 95% de confianza, para lo cual se le ha asignado una letra según la media, ordenadas de mayor a menor. Si los tratamientos presentan letras iguales no existen diferencias significativas entre ellos.

Al evaluar la acción de los tres factores sobre el tiempo de congelación como se muestra en la tabla 1 se encuentra que existen diferencias significativas entre algunos tratamientos.

DISCUSIÓN

Las curvas obtenidas para lecho fluidizado (ver figura 2) son semejantes a las curvas de congelación de vegetales reportadas por diferentes autores como Rahman et al. (5). Por el contrario las curvas de congelación en lecho fijo (ver figura 1) presentaron algunas fluctuaciones de temperatura en la etapa final de congelación, lo cual es una posible consecuencia de las variaciones de la temperatura del aire de enfriamiento, debido a los ciclos de prendido y apagado del compresor, el cual tiene una inercia de ±3 °C con relación a la temperatura programada. Adicionalmente, las curvas corresponden al promedio de muestras ubicadas en diferentes zonas del lecho. La diferencia en los tiempos de congelación según el tipo de lecho se puede atribuir a que en lecho fluidizado el producto está en constante movimiento lo que aumenta el área de contacto con el medio de enfriamiento y por esta razón se presentan menores tiempos de congelación, lo que coincide con lo reportado por Khairullah & Singh (3).

Aunque al observar las curvas de congelación individualmente se alcanza a observar un leve sobreenfriamiento, al realizar el análisis por promedios esto no se observó. Este leve sobreenfriamiento se debe a la cantidad de sólidos presentes en el producto como lo señala Rahman et al. (5). El aumento de temperatura debido a la liberación del calor de fusión después de sobreenfriamiento inicial representa el inicio de la cristalización del hielo, así mismo el punto inicial de congelación se deriva de este incremento de temperatura, que sigue el sobreenfriamiento, el cual corresponde a -2.9 °C ± 0.8 °C, resultados similares fueron reportados por Haiying et al. (6).

Los resultados obtenidos del tiempo de congelación para los diferentes tratamientos son homogéneos ya que el coeficiente de variación presenta valores menores al 5%.

El mayor tiempo de congelación se obtuvo en el tratamiento lecho fijo, altura del lecho 2.4 cm y velocidad del medio de enfriamiento 7.9 m/s, mientras el menor tiempo corresponde al tratamiento lecho fluidizado, altura del lecho 1.0 cm y velocidad del medio de enfriamiento 7.9 m/s. Al considerar los lechos por separado ya que son significativamente diferentes (ver tabla 1), se observa que en general para el lecho fluidizado no hay diferencia al fijar la velocidad en cada uno de los niveles de la altura, este comportamiento se puede atribuir a que la transferencia de calor es mayor a medida que se aumenta la altura del lecho, puesto que aumenta la caída de presión y el tiempo de contacto entre el fluido y el producto es mayor. Por el contrario para este mismo lecho si se fija la altura del lecho y se varía la velocidad no hay diferencias en el tiempo de congelación a excepción de la altura 1.7 cm a una velocidad de 7.9 m/s y la altura de 2.4 cm para la misma velocidad los cuales presentan tiempos de congelación significativamente mayores con los otros tratamientos; el no obtener diferencias significativas del tiempo de congelación al variar la velocidad del medio de enfriamiento puede ser atribuido al rango de velocidad utilizado, limitado por las características del equipo. En los resultados para lecho fijo (ver tabla 1) se encuentra que para una misma velocidad el tiempo de congelación para la altura de 1.0 cm es menor en comparación con las alturas de 1.7 cm y 2.4 cm y entre éstas últimas los tiempos son muy cercanos siendo iguales a la velocidad de 7.9 m/s, el incremento del tiempo de congelación al aumentar la altura del lecho se debe posiblemente a que a medida que se aumenta la cantidad de producto aumenta la resistencia a la transferencia de calor en la zona intermedia del lecho. En cambio sí se fija la altura a 1.7 y 2.4 cm se encuentra que el menor tiempo se obtiene para la velocidad de 7.9 m/s, lo cual corrobora que el aumento de la velocidad no necesariamente implica disminución del tiempo de congelación. Resultados similares fueron reportados por Salvadori & Mascheroni (2), quien argumenta que esto puede deberse a un insuficiente contacto entre las partículas y el aire de enfriamiento cuando se incrementa la velocidad del mismo.

Limitaciones de la investigación

El límite de velocidad del equipo de congelación IQF es de 8.5 m/s, lo que dificultó trabajar en un rango amplio de velocidades debido a que la velocidad de fluidización mínima de las arvejas es de 7.3 m/s.

CONCLUSIONES

Las curvas de congelación obtenidas permitieron apreciar que el tiempo de congelación es menor al utilizar lecho fluidizado, comparado con lecho fijo. Así mismo, a medida que se aumenta la altura para ambos lechos el tiempo de congelación aumenta. Por otra parte, no se observó un efecto definido de la velocidad sobre el tiempo de congelación. Finalmente, no se observó el fenómeno de sobreenfriamiento.

Las variables de operación analizadas presentan efectos significativos sobre el tiempo de congelación de las arvejas, el más notable es el tipo de lecho, pues los tiempos son en promedio 45.5% menores al utilizar lecho fluidizado en comparación con el lecho fijo. Por otro lado los factores altura del lecho y velocidad de aire depende del tipo de lecho que se elija, pues presentan eficiencias diferentes debidas a la circulación del aire a través del producto y la resistencia que éste opone a la transferencia de calor según su cantidad. En general, al fijar la altura para el lecho fluidizado, la velocidad no tuvo efecto sobre el tiempo de congelación. Lo mismo se observó al dejar la velocidad fija y variar la altura. Para el lecho fijo se presentaron diferencias significativas con relación a la altura, con una diferencia más notoria entre la altura de 1.0 y 1.7 cm, comparado con las diferencias entre las alturas 1.7 y 2.4 cm. Con relación a la velocidad en este lecho, al fijar la altura se encontró que para las alturas 1.7 y 2.4 cm el menor tiempo de congelación se obtuvo para una velocidad de 7.9 m/s.

References

REFERENCIAS

1. Montes LM, Castrillón JJ, Orrego CE. Evaluación del sistema de congelación rápida "IQF" (Individual Quick Freezing) para la conservación de la mora de castilla. Cenicafé. 2005 Oct-Dec; 56(4): 365-380.

2. Salvadori V, Mascheroni R. Analysis of impingement freezers performance. J Food Eng. 2002 Sep; 54(2): 133-140.

3. Khairullah A, Singh R. Optimization of fixed and fluidized bed freezing processes. Int J Refrig. 1990 Nov; 14(7): 176-181

4. Eek L. A convenience born of necessity: The growth of modern food freezing industry. In: Bald W.B. Food freezing: today and tomorrow. New York: Springer Series in Applied Biology; 1991. 143-155 p.

5. Rahman S, Guizani N, Khaseibi M, Al-Hinal S, Al-Maskri S, Al-Hamhami K. Analysis of cooling curve to determine the end point of freezing. Food Hydrocolloid. 2002 Nov; 16(6): 653-659.

6. Haiying W, Shaozhi Z, Guangming C. Experimental study on the freezing characteristics of four kinds of vegetables. Food Sci Technol Leb. 2007 Aug; 40(6): 1112-1116.