refrigeracion y congelacion de alimentos

8/2/2019 Refrigeracion y Congelacion de Alimentos

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REFRIGERACIN Y CONGELACIN DE ALIMENTOS POR INMERSINEN HIELOS LQUIDOS. CARACTERIZACIN EXPERIMENTAL DE

TRANSFERENCIAS DE MATERIA Y ENERGA

Torres-de Mara, G.; Abril, J.; Casp, A*.

Tecnologa de Alimentos. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Agrnomos.Universidad Pblica de Navarra. Campus Arrosada, Pamplona, Espaa.

e-mail: [email protected]

PALABRAS CLAVE: Medio difsico, refrigeracin, congelacin, prdida de agua,hielo lquido, inmersin.

RESUMEN

La refrigeracin y congelacin de alimentos por contacto directo en mezclas de hielo(triturado o en escamas) y salmueras se ha venido empleando desde antiguo.

Recientemente, los avances en la generacin de hielos lquidos (mezclas demicrocristales de hielo en soluciones acuosas) han permitido un rebrote del inters por

estos procesos. Hasta ahora, los hielos lquidos se han aplicado con xito en productos

del mar, algunos vegetales y productos crnicos, generalmente en aplicaciones dealmacenamiento y transporte. Empleando como medios de inmersin distintos hielos

lquidos y salmueras, se han determinado experimentalmente tiempos y frentes de

congelacin, ganancia de solutos (NaCl) y prdidas de agua en diferentes condicionesde proceso, sobre un producto cilndrico de pequeo tamao, para tiempos de inmersin

que han variado desde 4 minutos a 20 das. Las diferencias encontradas, tanto en latransferencia de energa como de materia, han sido notables. La refrigeracin y

congelacin de alimentos mediante hielos lquidos constituye un campo de estudio muy

interesante para el conocimiento de los procesos de inmersin clsicos (en mediosmonofsicos), as como para el desarrollo de nuevos procesos de refrigeracin y

congelacin de alimentos por contacto directo.

INTRODUCCIN

La refrigeracin y congelacin por inmersin (RCPI) consiste en sumergir un alimento

en un fluido acuoso a baja temperatura. Los medios de inmersin pueden sermonofsicos (lquidos) o difsicos (mezclas de hielo y agua). Para lograr la depresin

del punto de congelacin de los medios de inmersin se han empleado mezclas de agua

con diversos solutos, como NaCl, CaCl2, KCl, azcares, etanol, etc. (Robertson et al.,1976, Cipoletti et al., 1977).

Durante el proceso se dan simultneamente transferencias de materia y energa.Mientras se da el equilibrio trmico entre el medio y el producto, se produce una

transferencia inicial de materia, en la que el producto normalmente gana solutos y

pierde agua. Estando el alimento congelado se produce una nueva transferencia de

materia en su interior o con el medio de inmersin (transferencia de materia secundaria).

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mailto:[email protected]:[email protected]


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La ganancia de solutos en el pasado ha reducido el rango de aceptabilidad de los

productos. Sin embargo, la transferencia de materia puede ser limitada y controladahasta cierto grado mediante la optimizacin de las condiciones de proceso, como han

demostrado algunos autores (Lucas et al., 1999a)Los medios de inmersin difsicos (mezclas de hielo y lquidos) pueden dividirse a

efectos prcticos en (1) mezclas de hielo triturado o en escamas con agua o salmueras, y

(2) hielos lquidos. Se diferencian por el tamao y forma de los cristales de hielo.Tradicionalmente el hielo se ha utilizado para preservar productos como pescado. Las

fuentes de hielo, hasta mediados del siglo pasado, fueron naturales, principalmentenieve o hielo importado de los casquetes polares (Wang et al., 2000). Con la aparicin

de los primeros generadores de hielo, se empezaron a utilizar estos bajo diversas

formas, como bloques o escamas, lo que flexibiliz el proceso.Las mezclas de hielo triturado o en escamas con agua se han empleado en procesos

pesqueros y en procesos postcosecha. En 1880, algunas empresas empleaban mezclas de

hielo triturado y salmueras para refrigeracin y congelacin de pescado, como arenque(Porsdal, 1982). En procesos postcosecha se pueden aadir mezclas de hielo y agua en

top icing o slush icing, sobre los productos para su almacenamiento y transporte, principalmente en brcoli, maz dulce, cebollas y melones (Vigneault et al., 1995,

Goyette et al., 2000; Vigneault y Goyette, 2001).Los hielos lquidos surgieron como alternativa al uso de CFCs en refrigeracin y aire

acondicionado. Son mezclas de microcristales de hielo (de 50 a 300m) en soluciones

acuosas anticongelantes. Se pueden almacenar en tanques y transportar por tubera. Sugeneracin normalmente se realiza con evaporadores de superficie rascada, por los

cuales discurre una solucin inicial de partida. Al formarse el hielo, la solucin seconcentra (el hielo se forma a partir de agua pura) hasta equilibrio termodinmico.

Algunos autores han propuesto el uso de hielos lquidos en refrigeracin y congelacin

de alimentos. Actualmente, los hielos lquidos estn siendo cada vez ms aceptados enla industria pesquera, ya que el proceso permite numerosas ventajas. Esta aplicacin ha

sido el campo de estudio que ms inters ha suscitado, en productos como gambas,

sardinas, jurel, o marisco (Wang et al., 2000; Huidobro et al., 2001, Arias Gonzlez etal., 2003)

En rgimen de congelacin, la literatura es prcticamente inexistente. Bartlett (1947) propone el empleo de mezclas difsicas formadas mediante soluciones de agua y

azcares para congelacin de vegetales, frutas y productos crnicos. Aplic estas

mezclas a pltanos, uvas, bayas, manzanas, judas, guisantes, habas, pollo y cerdo. Los

experimentos indicaron que muchos productos mejoraron sus propiedades despus delproceso debido a la ganancia de solutos.

Una de las escasas referencias en el uso de hielos lquidos para congelacin porinmersin de alimentos la encontramos en la Hidrofluidizacin mediante hielos lquidos

(Fikiin y Fikiin, 1999). El mtodo consiste bsicamente en usar un sistema de

circulacin que impulse el medio de fluidizacin (hielo lquido) hacia arriba, por mediode orificios o inyectores, para formar un lecho fluidizado de alta turbulencia,

consiguindose unos altos coeficientes superficiales de transmisin de calor.Hasta el presente, el proceso ha sido poco estudiado. Se han sugerido ventajas de la

aplicacin de los hielos lquidos, por varios autores (Rivet, 1996; Pearson y Brown,

1998, Lucas et al., 1999b) pero no se han realizado sino escasos experimentos al

respecto (Fikiin y Fikiin, 1998, 1999). En este trabajo se muestran datos experimentales

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que comparan la transferencia de materia y energa entre salmueras convencionales y

hielos lquidos.

MATERIALES Y MTODOS

Los medios de inmersin se preparan mezclando NaCl comercial con agua corriente. Elcontenido de NaCl se cuantifica mediante un refractmetro porttil Atago S28 y un

conductivmetro Crison GLP32. Los medios se enfriaron en el dispositivo experimentaldetallado a continuacin. Para determinar el punto de congelacin de la solucin se

aplic la ecuacin [1], vlida para altas fracciones de NaCl (ASHRAE, 1983), donde

Tsat es el punto de congelacin (C), y XNaCl es la fraccin de NaCl en la solucin(kg/kg)

2

NaClNaCl 182,01X46,30X0,027Tsat = (C) Ec. [1]

Como equipo de produccin de hielo lquido a una temperatura de 4,5C, se utiliz elgenerador STS Miniligs B103. El hielo lquido a 18C se produjo en el dispositivo de

inmersin, llevando la solucin de generacin hasta la temperatura deseada, inferior a la

de su punto de congelacin, en agitacin. Las caractersticas termofsicas del hielolquido se han determinado a partir de las expresiones descritas en Snchez Recarte et

al. (2002) y Torres de Mara et al. (2003).El experimento se desarrolla en un recipiente plstico de seccin cuadrada y aristas

achaflanadas, que contiene 2 litros de medio de inmersin. Este recipiente se coloca enla cuba de un criostato Thermo Haake C30P, controlado por un equipo Thermo HaakePhoenix P1. La abertura del recipiente de inmersin se acopl a una lmina aislante para

limitar las prdidas de calor. La temperatura en su interior se mantuvo constanterespecto a la consigna de la cuba del criostato con una desviacin mxima de 0,1C.

Una de las dificultades en el empleo de hielos lquidos es el escaso desarrollotecnolgico en su manejo. Debido a los resultados obtenidos con los agitadores

habituales para fluidos viscosos, se opt por el diseo de un agitador y soporte para los productos. Los experimentos se llevaron a cabo en esttico y con agitacin. En

agitacin, 3 cilindros de producto (patata variedad Monalisa, =2cm., l=3cm, a una

temperatura inicial To=20C) describan una circunferencia (= 9cm.) en el interior del

recipiente de inmersin, con una velocidad de 30 rpm.Se emplearon 3 cilindros en cada replicacin y se realizaron 2 repeticiones de cadaensayo. La temperatura en el medio de inmersin y en el centro y superficie de los

cilindros fue registrada cada 5 segundos mediante termopares tipo K conectados a un

adquisidor de datos AMR.El contenido de NaCl en el producto (wNaCl) se determin mediante un equipo ORION

290A-plus, con electrodos selectivos para cloruros ORION 94-17bn y ORION 90-02.Se pesaron 5g de producto triturado, con un error de 0,001g, y se introdujeron en un

vaso de precipitados, junto a 100ml de solucin de extraccin 0,1M de HNO3 y 2 ml de

ISA. El producto triturado y la solucin de extraccin se mantuvieron en agitacinmoderada mediante un agitador magntico.

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4/10

Para el anlisis del contenido de humedad, una muestra triturada del producto (5

0,01g) se pes anteriormente y con posterioridad a la desecacin en estufa (104C, 24horas). El contenido de agua (wa) se expresa en kg agua/kg muestra.

La prdida de agua (PA) y ganancia de NaCl (GS) se expresan en kg/100kg de materiainicial (%m.i.), segn las ecuaciones [2] y [3] respectivamente, donde m(t) y m(0) son

las masas (kg) de la muestra en el tiempo t y 0 respectivamente, wa es el contenido en

agua de la muestra (kg/kg) y wNaCl es el contenido de NaCl de la muestra (kg/kg).

=

)0m(

m(t)(t)w)0(w100PA(t) aa

(%m.i.) Ec. [2]

= (0)w

m(0)

m(t)(t)w100GS(t) NaClNaCl

(%m.i.) Ec. [3]

Para estudiar el proceso en tiempos de inmersin superiores a una hora, los cilindros se

cubrieron por un film de aluminio y se congelaron en cmara para evitar ganancias deNaCl. Una vez congelados a -18C, se retir el film, y los cilindros se introdujeron en

botes (3 cilindros / bote) que contenan distintos medios de inmersin, uno monofsicoy dos difsicos, formados a partir de soluciones iniciales XNaCl =0,210, XNaCl,i =0,174 y

XNaCl,i =0,100. En los fluidos difsicos, las fracciones msicas de hielo fueron de

Xh=0,20 y Xh=0,52 y la concentracin de la solucin residual tras la generacin, encondiciones de equilibrio termodinmico, fue de XNaCl,f=0,210. Los botes, de 0,7 litros

de capacidad, equipados con una rejilla plstica que permita la identificacin de los

cilindros y su permanencia en la parte central, fueron almacenados (-18 0,4C) durante20 das. En cada tiempo (t), se obtuvieron los cilindros del bote correspondiente para su

anlisis.

RESULTADOS Y DISCUSIN

Transferencias de energa en medios monofsicos y difsicos

En la Figura 1 se muestra la evolucin de las temperaturas en el centro de un cilindro(To=20C), inmerso a 18C en un hielo lquido o en una salmuera, con agitacin de

30rpm. El tiempo caracterstico de congelacin (tcc) se define como el necesario paraque se produzca el cambio de fase en el alimento. En este caso, se consider el tiempodesde que se logra una temperatura en el cilindro de -2,1C (temperatura de congelacin

para la patata) hasta que logra una temperatura de -7,3C. El tiempo de equilibriotrmico (teq) se define como el tiempo necesario para que el centro del producto alcance

una temperatura 1C inferior a la temperatura del medio de inmersin.Se observa que durante la etapa de refrigeracin del alimento, no existen diferencias

significativas entre el uso de hielos lquidos o de salmueras monofsicas. Sin embargo,la meseta de cambio de fase es atravesada ms rpidamente empleando hielos lquidos,

por lo que el tiempo de congelacin caracterstico (tcc) y el de equilibrio trmico (teq)

se reducen. As, en hielos lquidos, tcc=15812s, y teq=43813s, y para salmuera,tcc=18411s., y teq=48710s.

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-20

-15

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0

5

10

15

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25

0 125 250 375 500

t (s)

T(C)

T centro Hielo

Lquido -18C, 30rpm, XNaCl,i:0,174,

XNaCl,f:0,210

T centro Salmuera -

18C, 30rpm,

XNaCl:0,210

Figura 1. Evolucin de la temperatura en el centro de cilindros de producto inmersos en un

hielo lquido y en una salmuera a -18C, con agitacin de 30rpm.

Los frentes de congelacin fueron superiores en el caso de emplear hielos lquidos. Las

observaciones visuales revelaron que los frentes de congelacin obtenidos con hielolquido se mostraron definidos. Los obtenidos utilizando salmuera fueron difusos. En

estos casos no se detect la existencia de sobreenfriamiento en ningn cilindro.A -4,5C, temperatura cercana a la de cambio de fase del producto (-2,2C), la evolucin

de temperaturas en el centro del producto fue distinta. La temperatura ms baja quealcanzaron los cilindros inmersos en hielo lquido fue de -3C, y no se detect

sobreenfriamiento alguno. En el caso de emplear salmueras monofsicas, se detectsobreenfriamiento (2,2C con una duracin variable, de 5 a ms de 60 minutos) en la

totalidad de los cilindros (26 cilindros). Este sobreenfriamiento es el responsable de la

ganancia de solutos de manera incontrolada.

Transferencia de materia en condiciones de congelacin (-18C) para tiemposcortos.

En las Figuras 2 y 3 se muestran las ganancias de sal (GS) y prdidas de agua (PA) decilindros de patata (To=20C) inmersos en una salmuera y un hielo lquido. En ambos

casos la temperatura es la misma, y la concentracin de la fase lquida residual (XNaCl,f)

tras la generacin en el hielo lquido es igual a la concentracin de la salmueramonofsica. Por otra parte, las condiciones operativas de temperatura y concentracin

de la salmuera (XNaCl) son ptimas para minimizar la ganancia de NaCl (se opera a unaT muy prxima a la temperatura de congelacin de la solucin).

En la Figura 2 se puede observar que la ganancia de solutos en el medio difsico esaproximadamente la mitad (t=60min.) que la obtenida para salmueras convencionales.

La GS empleando hielos lquidos se produce en los primeros minutos de inmersin, y

se mantiene con una pequea variacin a lo largo del proceso. Para un tiempo de 4minutos, se produjo una ganancia de sal del 76% respecto a la ganancia de sal en una

hora. En este sentido, al emplear hielos lquidos se produce un impedimento a la entradade solutos que comienza a ser efectivo a partir de un tiempo reducido. Empleando

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salmueras, para un tiempo de 4 minutos, se produjo una GS del 47% sobre el total para

una hora.

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0,2

0,4

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0,8

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1,2

0 20 40 60

t(min)

GS(%m.i.) Hielo Lquido -18C, 30

rpm, XNaCl,i:0,174

XNaCl,f:0,210

Salmuera -18C, 30

rpm, XNaCl:0,210

Figura 2. Ganancias de NaCl (GS) de cilindros de producto (To=20C) inmersos en una

salmuera (XNaCl=0,210), y un hielo lquido (XNaCl,i=0,174, XNaCl,f=0,210) a 18C, 30 rpm.

-6,0

-4,0

-2,0

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2,0

4,0

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0 20 40 60

t(min)

PA(%m.i.)

Hielo Lquido -18 C, 30

rpm, XNaCl,i:0,174XNaCl,f:0,210

Salmuera -18C, 30

rpm, XNaCl:0,210.

Figura 3. Prdida de Agua de cilindros de producto (To=20C) inmersos en una salmuera

(XNaCl=0,210), y un hielo lquido (XNaCl,i=0,174, XNaCl,f=0,210) a 18C, 30 rpm.

En cuanto a la Prdida de Agua (PA), los cilindros inmersos en salmuera perdieron

agua, en un porcentaje aproximado del 3,4%m.i. (t=60min). En el caso de emplear hielolquido, se produce en algunos casos ganancia de agua. Los cilindros analizados ganaron

agua en un porcentaje del 1,08%m.i (t=60min). Para tiempos ms cortos de tratamiento,

de 4 a 20 minutos, la ganancia de agua fue superior, del orden del 2%m.i.

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Transferencias de materia a -4,5C para tiempos de inmersin reducidos.

Para analizar la ganancia de solutos en estado parcialmente congelado del producto, se

realiz un experimento a una temperatura de -4,5C, cercana a la temperatura de cambiode fase de la patata (-2,2C).

0,0

0,2

0,4

0,6

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0 20 40 60

t(min)

GS(%m.i.) Hielo Lquido -4,5C,

30 rpm, XNaCl,i:0,05

XNaCl,f:0,075

Salmuera -4,5C, 30

rpm, XNaCl:0,075

Figura 4. Ganancia de NaCl para cilindros de producto (To=20C) inmersos en una salmuera

(XNaCl=0,075) y en un hielo lquido (XNaCl,i=0,050, XNaCl,f=0,075) a 4,5C, con agitacin.

0,0

2,0

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8,0

10,0

12,0

0 20 40 60

t(min)

PA(%m.i.)

Hielo Lquido -4,5 C,

30 rpm,

XNaCl,i:0,050

XNaCl,f:0,075.

Salmuera -4,5C, 30

rpm, XNaCl:0,075

Figura 5. Prdida de Agua de cilindros de producto inmersos en una salmuera (XNaCl=0,075) y

en un hielo lquido (XNaCl,i=0,050, XNaCl,f=0,075) a 4,5C, con agitacin.

Las ganancias de NaCl por el producto inmerso en salmuera son superiores a las

obtenidas para cilindros de patata inmersos en hielo lquido. El cambio de fase fue

parcial. Al tacto, los cilindros inmersos en salmuera, tras un tiempo de 60 minutos,presentaban un aspecto ms blando que aquellos inmersos en hielo lquido.

Para una hora de tratamiento, las PA de cilindros sumergidos en salmueras monofsicasrondaron el 9,6%m.i., mientras que en hielos lquidos fueron de 3,26%m.i.

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Transferencia de materia para tiempos de inmersin prolongados.

A continuacin se muestran los resultados obtenidos al almacenar cilindros de patata

previamente congelados, en medios de inmersin, para tiempos de entre 1 a 20 dias, a -18C. Se compara la ganancia de NaCl (GS) y prdida de agua (PA) empleando un

medio de inmersin monofsico, y dos hielos lquidos con distintas fracciones de hielo.

0,0

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4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0 4 8 12 16 20

t(dias)

GS(%m.i.)

Salmuera -18C,

0rpm, XNaCl:0,210,

Xh:0,0

Hielo Lquido -

18C,0rpm,

XNaCl,i:0,174,

XNaCl,f:0,210,Xh:0,20Hielo Lquido -18C,

0rpm, XNaCl,i:

0,100, XNaCl,f:

0,210, Xh:0,52

Figura 6. Ganancias de NaCl (GS) de cilindros de producto inmersos en una salmuera

(w1=0,210, Xh=0) , y dos hielos lquidos (XNaCl,i = 0,174, Xh=0,20) y (XNaCl, i=0,100, Xh=0,52) a

-18C, durante 20 dias.

-6,0

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0,0

2,0

4,0

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0 4 8 12 16 20

t(dias)

PA(%m.i.)

Salmuera -18C,

0rpm, XNaCl:0,210,

Xh:0,0

Hielo Lquido -

18C,0rpm,

XNaCl,i:0,174,

XNaCl,f:0,210,

Xh:0,20Hielo Lquido -18C,

0rpm, XNaCl,i:

0,100, XNaCl,f:0,210, Xh:0,52

Figura 7. Prdidas de Agua (PA) en cilindros de producto inmersos en una salmuera

(XNaCl=0,210, Xh=0), y dos hielos lquidos (XNaCl,i=0,174, Xh=0,19) y (XNaCl,i=0,100, Xh=0,52) a

-18C, durante 20 dias.

La ganancia de NaCl en medios monofsicos fue superior a la obtenida empleando

medios difsicos. Al cabo de 20 dias, las ganancias de NaCl para medios monofsicosfueron de 9,51%m.i., mientras que usando medios difsicos se obtuvieron GS de 3,55 y

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2,97%m.i. (entre un 62-68% inferiores). La GS fue dependiente de la fraccin de hielo

presente en el fluido. A mayores fracciones de hielo, la GS se redujo. As, en la Figura 6se puede observar cmo empleando un hielo lquido con Xh=0,52, la ganancia de sal

fue inferior a la obtenida para un hielo lquido con una Xh=0,20. La GS se redujo en un42% (t=3 dias), un 20% (t=10 dias) y un 16% (t=20 dias).

Las prdidas de agua son inferiores utilizando hielos lquidos respecto a las obtenidas

para salmueras convencionales. Para hielos lquidos (t=20 dias), las PA fueron cercanasa cero (-0,18 a 1,19%m.i.), mientras que en salmuera fueron del 9,02%m.i. Empleando

hielos lquidos las prdidas de agua se minimizaran hasta un valor cercano a cero, obien el producto ganara agua.

Se ha observado la aparicin de frentes de descongelacin y tacto blando cuando se

emplean medios monofsicos, entre 1mm. (t=3 dias) y 3mm. (t=20 dias), quizs debidoa la mayor penetracin de sal desde el medio de inmersin hacia el producto, lo que

llevara a la modificacin de la temperatura de congelacin en el interior del alimento.

Este mecanismo podra ser el responsable de la alta transferencia de materia. En hieloslquidos no se observ la presencia de frentes de descongelacin, y al tacto los

productos permanecieron completamente congelados.

CONCLUSIONES

Los procesos de inmersin de alimentos en hielos lquidos no han sido objeto deestudios rigurosos hasta el presente. Sobre la existencia de hielo en la superficie exterior

del producto, y la influencia que pueda tener el empleo de mezclas difsicas respecto ala transferencia de materia y energa, no se ha desarrollado ningn tipo de hiptesis. En

este trabajo experimental se ha podido comprobar como en condiciones operativas

similares, la refrigeracin y congelacin por inmersin en hielos lquidos presentaventajas respecto al empleo de medios de inmersin monofsicos. En cuanto a la

transferencia de energa, los tiempos de congelacin se reducen, se elimina el

sobreenfriamiento de los productos, y los frentes de congelacin son superiores. Sobrela transferencia de materia, se reduce en un gran porcentaje la ganancia de solutos y

prdida de agua por el producto, tanto para tiempos cortos como para elalmacenamiento en inmersin. Estas particularidades hacen muy interesante el proceso

de cara al desarrollo de nuevas tecnologas de congelacin.

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refrigeracion y congelacion de alimentos

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