Congelação criogénica: como calcular as necessidades de frio dos alimentos?

Descubra neste artigo como calcular as necessidades de frio e de fluido criogénico para um projeto de congelação.

Calcular as necessidades de frio de um alimento

Não podia ser mais simples obter os valores corretos em pouco tempo!

As necessidades de frio estão relacionadas com a composição do produto. Nem todos os componentes que constituem um produto têm as mesmas caraterísticas térmicas. Na indústria alimentar, estas são, naturalmente, conhecidas pelos industriais e aparecem, também, no rótulo da embalagem para informar o consumidor. Para simplificar, a composição dos alimentos pode ser reduzida a três elementos base:

1. a água, que é o elemento predominante nos produtos alimentares, contendo frequentemente uma percentagem entre 60 e 90%.
2. as matérias gordas que podem ter proporções variáveis entre 0 e 40%.
3. o restante, que vamos considerar como as “matérias secas”.

Na criogenia alimentar, a fórmula de Chaim é utilizada para calcular a energia necessária para congelar um alimento. É expressa em kJ/kg (ou geralmente em kcal/kg) de acordo com a fórmula apresentada abaixo.
No caso da congelação, vamos calcular a diferença de entalpia (quantidade de energia) do produto entre o seu estado inicial (quando está fresco) e o seu estado final (o produto congelado), tendo em conta a mudança de estado de parte do produto ao passar pela fase de congelação (transformação da água em gelo).

Q = ( Cs x ∆T1 ) + L + ( Cg x ∆T2 )

tendo em conta que:

• Cs, o calor específico (ou calor da massa) acima do ponto de congelação (kj/kg.°C ou kcal/kg.°C)

  Cada um dos três componentes que constituem o alimento tem um calor específico ou aproximado:

  • Água: Cs = 1,00 kcal/kg°C
  • Matérias gordas: Cs = 0,50 kcal/kg°C
  • Matérias secas: Cs = 0,35 kcal/kg°C

  Para determinar o valor global de Cs+ do alimento, basta adicionar o calor específico de cada um dos componentes do produto
  Cs+ = (1,00 x % Água) + (0,50 x % Matérias gordas) + (0,35 x % Matérias secas)

• L, o calor latente de solidificação (kcal/kg)

  Para os produtos alimentares, diversos fenómenos podem ter um impacto na quantidade de energia necessária durante a congelação. No entanto, apenas o calor de solidificação da água será tido em conta. A grande quantidade de água geralmente contida nos produtos alimentares e o valor elevado do calor latente de solidificação fazem desta etapa o fator chave para determinar as necessidades de frio do produto durante a congelação.

  Este valor é conhecido: LH₂O = 80 kcal/kg

  Para determinar o valor do calor latente de um alimento, basta tomar o calor latente da água e multiplicá-lo pela percentagem de água contida no produto:
  L(produto) = (80 x % Água)

• Cg, o calor específico (ou calor de massa) abaixo do ponto de congelação (kj/kg.°C o kcal/kg.°C)

  Tal como acontece com o calor específico acima do ponto de congelação, o calor específico abaixo do ponto de congelação é calculado a partir dos três componentes principais do alimento utilizando os seguintes valores:

  • Água: Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Matérias gordas: Cs+ = 0,50 kcal/kg°C
  • Matérias secas: Cs+ = 0,35 kcal/kg°C

  Para determinar o valor de Cg para um alimento, basta ter em conta o Cg de cada um dos componentes, consoante a composição do produto:
  Cg = (0,50 x % Água) + (0,50 x % Matérias gordas) + (0,35 x % Matérias secas)

• ∆T1, é a diferença de temperatura entre a temperatura inicial e a temperatura do ponto de congelação.
• ∆T2, é a diferença de temperatura (em °C) entre a temperatura de congelação e a temperatura final desejada do produto.

Estudo de caso: Uma abordagem orçamental para a congelação de um bife de carne picada com 15% de teor de gordura

O teor de água de um bife picado é de cerca de 66%. No nosso caso, o teor de matéria gorda é de 15%. Podemos, então, deduzir que o teor de matéria seca é de 19%.

Para efeitos deste exemplo (embora não seja realista), vamos assumir uma temperatura inicial do produto de 20°C e uma temperatura final de -20°C. Será utilizada uma temperatura de congelação de 0°C.

• Cs, calor específico acima do ponto de congelação (kcal/kg.°C)

  O calor específico do bife picado acima do ponto de congelação é determinado a partir do calor específico de cada um dos seus componentes:
  Cs = (1,00 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x0,19) = 0,80 kcal/kg°C

• L, calor latente de solidificação (kcal/kg) do bife com 66% de teor de água

  L = (80 x 0,66) = 52,8 kcal/kg

• Cg, calor específico abaixo do ponto de congelação (kcal/kg.°C)

  O calor específico do bife picado abaixo do ponto de congelação é determinado, mais uma vez, pelo calor específico de cada um dos seus componentes:
  Cg = (0,50 x 0,66) + (0,50 x 0,15) + (0,35 x 0,19) = 0,47 kcal/kg°C

• ∆T1 diferença de temperatura (em °C) entre a temperatura inicial e a temperatura de congelação do produto.
  ∆T1 = (20 - 0) = 20 °C
• ∆T2 diferença de temperatura (em °C) entre a temperatura de congelação e a temperatura final do produto.
  ∆T2 = (0 - (-20°)) = 20 °C

A fórmula de Chaim indica-nos que são necessárias 78,2 kcal/kg para congelar bifes picados com 15% de matéria gorda.
Q = ( 0,80 x 20 ) + 52,8 + ( 0,47 x 20 ) = 78,2 kcal/kg

Comparemos este resultado com dados reais

A curva de medição abaixo, efectuada sobre o produto, indica-nos que:

• A 20°C, a entalpia medida é de 17,03 kcal/kg
• A -20°C, a entalpia medida é de -56,53 kcal/kg
• Isto significa uma necessidade de frio de 73,56 kcal/kg para passar de 20°C para -20°C.

O desvio entre as necessidades reais e o cálculo teórico obtido a partir da fórmula de Chaim é da ordem dos 5%, o que é aceitável para uma primeira abordagem orçamental da solução de congelação.

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