Calculo de la fracción congelada

Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas
Depto. de Ciencia de los Alimentos y Tecnología Química
Área Ingeniería en Alimentos

Cálculo de la Fracción de Agua Congelada y
de la Temperatura Normal de Congelación
de Alimentos Congelados

Eduardo Castro Montero
Prof., Ingeniero Civíl de Industrias, Mención Química (PUC de Chile)
Magíster (U. de Chile)
JuvenalLeón Silva
Ingeniero en Alimentos (U. de Chile)
2008

Dedicado a
Patricia Bravo R.,
Luz de mi vida

Prólogo
El Ingeniero en Alimentos debe predecir como se va a comportar el alimento
antes, durante y después del proceso a que está sometido.
En la Industria de Alimentos congelado es primordial el cálculo de la fracción de
agua congelada y de la temperatura inicial de congelación para eldiseño de
procesos de congelación. La fracción de agua congelada (FWF) es importante en
la predicción de propiedades del alimento congelado, tiempo de congelamiento del
producto y el tamaño de los cristales en el alimento congelado.
El trabajo de Boonsupthip y Heldman (2007) es esencial para profundizar en esta
materia.

E. Castro
Esperando que esto sea de beneficio para todos losIngenieros involucrados en
los procesos de los alimento congelados y que además despierte el interés de los
que recién se están involucrando en este tema, es que se da a conocer este
trabajo basado en la metodología de Boonsupthip y Heldman (2007).
Con esto también buscamos que los Ingenieros en Alimentos estén siempre alerta
a los nuevos trabajos de investigación y metodología que se presentan eneste y
otros campos en el área de alimentos.

J. León

Cálculo de la Fracción de Agua Congelada y de la Temperatura Inicial de
Congelación de Alimentos Congelados
La metodología presentada está basada en el trabajo de Boonsupthip y Heldman
(2007). En este trabajo se desarrolló un modelo para la predicción de la fracción
de agua congelada basada en la concentración y peso molecular de loscomponentes del alimento.
Se verificó que la suma de las relaciones másicas de los solutos del alimento con
el peso molecular respectivo pueden representar la molalidad del alimento, la que
puede ser utilizada para predecir el descenso del punto de congelación del agua
en el alimento estudiado, el punto obtenido es la temperatura inicial de
congelación. También puede establecerse la relaciónentre temperatura y fracción
de agua no congelada.
Aplicando la termodinámica a un sistema de dos fases (agua no congelada con
solutos disueltos y agua congelada) en equilibrio a la temperatura de congelación
se puede establecer que el potencial químico del sólido puro del solvente (µ1s) es
igual al potencial químico del solvente líquido en la solución:
µ1 (sólido) = µ1 (solución)
y µ1s =µ10 + R*TA*lna1

(1)
(2)

en que µ10 es el potencial químico del agua pura no congelada. R es la constante
de los gases ideales (R = 1,978 kcal/kg-mol*K o 8,314 kJ/kg-mol*K). La
temperatura absoluta (TA) y a1 es la actividad del agua pura no congelada.
Si se divide la ecuación (2) por la temperatura y se diferencia con respecto a la
temperatura, a presión constante se obtiene:
(ð lna1/ ðTA)P = ∆HFusión/ TA0

(3)

en que ∆HFusión es el cambio de entalpía de la fusión del solvente puro.
Si la ecuación (3) se multiplica por ð TA y se integra entre la temperatura de fusión
del solvente puro (273,15 K) a una temperatura inferior TA se logra lo siguiente:
lna1 = ln p1/p0 = lnaw = -L/R*(1/ TA – 1/ TA0)

(4)

Para una solución ideal a1 = p1/p0 = aw donde p1, p0 y aw sonrespectivamente la
presión parcial de vapor del agua, presión de vapor de agua pura y la actividad de
agua. El cambio de entalpía molar por fusión llega a ser el calor latente de fusión
del agua (L = 18.515 J/mol). Al aplicar la ley de Raoult p1= n1 p0 donde n1 es la
fracción molar del agua en la solución, la ecuación (4) queda:
Ln n1 = -L/R*(1/ TA – 1/ TA0)

(5)

Para este desarrollo n1 es:...