lpf-tagralia universidad politécnica de madrid y...en el campo. •vehículos cubiertos para...
TRANSCRIPT
13/10/2015
1
LPF-TAGRALIAUniversidad Politécnica de Madrid
Laboratorio de Propiedades Físicas y Tecnologías Avanzadas en Agroalimentación
Belén Diezma Iglesias
http://www.upm.es/observatorio/vi/index.jspwww.lpftag.upm.es
13/10/2015
2
www.lpftag.upm.es
http://oa.upm.es/
13/10/2015
3
Pilar Barreiro Elorza
13/10/2015
4
Máster Universitario en Agroingeniería
Enfriamiento y sistemas de almacenamiento refrigerado (conservación y transporte)
Belén Diezma IglesiasEva Cristina Correa Hernando
[email protected]@upm.es
13/10/2015
5
Enfriamiento de productos hortofrutícolas
Refrigeración: definición
“Operación que se aplica a los alimentos perecederos para prolongar el tiempo que
permanecen higiénicamente seguros y organolépticamente aceptables, mediante su conservación a temperaturas mayores
a 0ºC e inferiores a 8ºC (7-12ºC)”
Alimentos refrigerados/productos hortofrutícolas
13/10/2015
6
Objetivos
El objetivo primordial del enfriamiento y conservación en estadorefrigerado de los productos hortofrutícolas es la prolongación de suvida, una vez recolectados, durante el mayor tiempo posible y sindetrimento de los atributos sensoriales que definen su calidadcomercial:
Productos de complejidad orgánica con anatomías características y fisiologíasque comportan tres procesos fundamentales: transpiración, respiración ymaduración, con intensidades diferentes antes y después de la recolección yparticulares para cada producto. Se trata de retardar la senescencia yprolongar la vida útil.
Productos susceptibles a alteraciones microbiológicas. Se trata de controlar elcrecimiento de microorganismos, que reducen considerablemente la vida útil delproducto
Transpiración: Evaporación del agua del producto
Susceptibilidad del productos a la deshidratación: Pérdidas del 3-6% marchitamiento que hace que el producto no sea comercial
Pérdidas de hasta el 10% asumibles en algunas especies
Conducida por la diferencia entre la presión de vapor de la atmósfera interna delos tejidos y la del ambiente
Mayor a altas temperaturas, incluso con igual humedad relativa
Bajas temperaturas,
HR adecuadamente elevadas y
Circulación del aire no excesiva
13/10/2015
7
Respiración: Respiración aerobia: en presencia del oxígeno molecular, degradación de
glucosa
Respiración anaerobia: proceso fermentativo, puede llegar a ser importante enproductos senescentes o con tejidos golpeados donde pueden producirsereacciones enzimáticas anormales
Intensidad respiratoria-producción de calor: vida del producto inversamenteproporcional a la IR
Rango de actividad respiratoria: 0 -35ºC; por cada +10ºC se duplica la IR
Maduración: Degradación y biosíntesis de distintos compuestos:
Se ralentiza a bajas temperaturas
De síntesis De degradación
EtilenoAromasAminoácidos y proteínasPigmentos…
AlmidónSustancias pécticasClorofilaTaninos…
↓ Tª alimento a Tªóptima de refrigeración
Mantenimiento a Tªóptima de refrigeración
Mantenimiento a Tªóptima de refrigeración
ΔT=± 3ºC
Mantenimiento a Tªóptima de refrigeración
Cámara frigorífica por convección forzada
Mantenimiento a Tªóptima de refrigeración
Cadena de frío
Campo-refrigeración:
•Trasladar frecuentemente los productos a zonas con menor temperatura(sombreadas) o idealmente a cámaras refrigeradas.
•Utilizar cajas de campo de colores claros.
•Cubrir con tapas las cajas para evitar la exposición directa al sol.
•Establecer un área cubierta para el almacenamiento temporal del productoen el campo.
•Vehículos cubiertos para transportar productos durante viajes cortos al áreade enfriamiento emplear. En viajes largos vehículos refrigerados.
13/10/2015
8
Métodos de enfriamiento inicial (para alcanzar temperatura óptima de almacenamiento: pre-refrigeración)
• Aire frío:– cámaras de enfriamiento,
– aire frío forzado,
• Agua fría (“hidrocooling”)
• Hielo troceado
• Evaporación superficial:– por vacío
– evaporativo
Tiempo de enfriamiento
• Para enfriamiento desde la Tª inicial hasta la Tª
óptima de almacenamiento
• Tipos de tiempo de enfriamiento
– Tiempo para “enfriamiento completo”
– Tiempo “medio de enfriamiento”
– Tiempo “7/8 de enfriamiento”
13/10/2015
9
Tiempo para reducir la Tª 1/2 del salto térmico total
Tiempo para reducir la temperatura 7/8 del salto térmico total
3 veces mayor que el t1/2
Cámaras de enfriamiento(almacenamiento)
Según el Instituto Internacional del Frío una cámara frigorífica es un recinto que comprende esencialmente un aislamiento térmico y un sistema de
enfriamiento tales que permiten el almacenamiento más o menos prolongado de diversos productos perecederos en condiciones muy precisas de
temperatura y humedad del aire.
13/10/2015
10
La refrigeración por compresión esun método de refrigeración queconsiste en forzar mecánicamente lacirculación de un refrigerante en uncircuito cerrado creando zonas de altay baja presión con el propósito de queel fluido absorba calor en elevaporador y lo ceda en elcondensador
• Utiliza en frutos de larga vida útil
• Ventaja: almacenamiento en la misma cámara de enfriamiento evita transferencias de productos
• Inconvenientes enfriamiento lento (t=días); excesiva pérdida de agua
13/10/2015
11
• Utiliza en frutos de larga vida útil
• Ventaja: almacenamiento en la misma cámara de enfriamiento evita transferencias de productos
• Inconvenientes enfriamiento lento (t=días); excesiva pérdida de agua
• Aire pasa por las zonas de menor resistencia al flujo
• Aire circula sobre la masa y entre el producto
• Transferencia de calor fundamentalmente por conducción
• Mejor si la estiba permite contacto de todas las superficies del contenedor con el aire
13/10/2015
12
Características de diseño• Diseño de la cámara: Estiba
– Superficie de la camara: S fruta + S pasillos y corredores
– Altura carga: 2 m (normal)-3 m
• Diseño del flujo de aire– Velocidad mínima del aire 0,3 m3/min t– Una vez alcanzada la tª de almacenamiento la velocidad del aire
puede reducirse en un 20-40%– Ventiladores
• Continuo• Discontinuo
– Flujo homogéneo en torno a la carga1. Directo por unidad evaporadora2. Pared fría + conducto de techo distribución de aire3. Pared fría ranurada4. Pared fría serpentín
)(
)()(
arg
32
mh
mVolmS
ac
frutafruta =
EstibaColocación ordenada de los
productos en el interior de la cámara frigorífica de modo
que, aprovechando al máximo el volumen de esta, se permita
la adecuada distribución del aire frío, la necesaria
circulación de personas y cargas y la inspección.
13/10/2015
13
Patrón de circulación del aire en una cámara con unaunidad de evaporación
Sistema de distribución en cámaras grandes desplazamientos del aire >15m
13/10/2015
14
Distribución del aire a través de pared fría ranurada
13/10/2015
15
Enfriamiento en celdas
13/10/2015
16
Enfriamiento en túnel
13/10/2015
17
El pre-enfriamiento por aire forzado es un método muy utilizadopara enfriar frutas, vegetales o flores cortadas
Consiste en pasar altos volúmenes de aire frío a alta presión através del producto, extrayendo rápida y uniformemente el calorcontenido en el producto
La velocidad de enfriamiento es controlada por el volumen de airefrío que pasa a través del producto; en general, se requiere de0,001 a 0,002 m3/s kg de producto
Se pueden producir pérdidas de hasta 1-2% del peso inicial
El área de los orificios deventilación deberá ser por lomenos 5% de la superficietotal del panel lateral; un áreade ventilación menor a estolimita la circulación de aire,causando un incremento en eltiempo de enfriamiento
13/10/2015
18
Características generales del enfriamiento por aire forzado
• Tiempo de enfriamiento dependerá fundamentalmente:– Caudal ventilador
• 0.5-2 Laire/skgfruta valor típico 1 Laire/skgfruta
– Diámetro del producto• A 1 Laire/skgfruta uva tiempo de enfriamiento de 2 h melón tiempo de enfriamiento de 5 h
• Envases– Más de un 5% de aperturas en los laterales de las cajas– Embalaje interno de características que maximice el adecuado flujo de
aire.
• Pérdida de peso del producto– Pequeña en frutos con baja transpiración cítricos– Importante en frutos con alta transpiración – Creciente a medida que aumentamos tiempos de almacenamiento– Recubrimientos plásticos, ceras …
13/10/2015
19
Enfriamiento evaporativo por aire forzado
13/10/2015
20
El enfriamiento evaporativo es un proceso de transferencia decalor y masa basado en la conversión del calor sensible enlatente.
El enfriador evaporativo produce aire con algunos grados detemperatura ligeramente superiores a la temperatura de bulbohúmedo del aire exterior, que alcanzará una humedad relativapróxima al 90%
Adecuado para productos que requieran temperaturasmoderadas
Aire exterior caliente y seco
Aire refrigerante fresco y húmedo
13/10/2015
21
13/10/2015
22
13/10/2015
23
Ahorro energético
• La climatización evaporativa consume enormemente menos energía
que la refrigeración por compresor.
• Los ahorros energéticos varían según los niveles de humedad y
temperatura ahorro de entre el 60 y 80 % del consumo energético en
zonas de baja humedad, comparadas con los sistemas de compresor.
• La climatización evaporativa puede usarse con gran eficacia en el 70
% del territorio español:
– Viviendas, locales comerciales además de otras muchas aplicaciones
comerciales e industriales como escuelas, fábricas, cocinas, granjas
avícolas, granjas de todo tipo, estaciones, imprentas, exposiciones y
talleres de automóviles, etc., etc.
Inconvenientes
Consumo de agua elevado
Limitado por las condiciones del aire exterior
Legionella obliga a llevar a cabo operaciones de limpieza y mantenimiento de los equipos
13/10/2015
24
Aplicación en postcosecha
Productos que requieran mantenerse a una temperatura moderada
Productos que se comercializarán rápidamente después de la cosecha
Mercados y fruterías
Ventaja de mantener elevadas humedades relativas del aire.
13/10/2015
25
HidroenfriamientoHidrocooling
Características generales Técnica de preenfriamiento en la que los productos son rociados con
agua fría o sumergidos en un baño agitado de agua fría
Método económico y efectivo de preenfriamiento
Puede producir efectos fisiológicos y patológicos en ciertos alimentos.
Por eso su uso es limitado
Productos normalmente hidro enfriados: espárragos, habas, maíz dulce,
melón, apio, arvejas, rábanos, guindas y peras.
Productos ocasionalmente hidro enfriados son: los pepinos, pimientos,
melones y patatas de siembra temprana.
El agua de hidroenfriamiento siempre es recirculada se requiere una
apropiada sanitización
– Filtración
– Cloración: 100-150 ppm
13/10/2015
26
El hidroenfriamiento enfría rápidamente los alimentos.
– El agua enfriada por métodos indirectos, fluye alrededor de los productos provoca que
la temperatura de la superficie sea prácticamente igual a la del agua.
– La resistencia a la transferencia de calor en la superficie es mínima y la tasa de
enfriamiento interno del producto es limitado a la tasa de transferencia de calor desde el
interior a la superficie.
Ventaja evita una pérdida de humedad de los frutos. De hecho, incluso puede
rehidratar productos levemente marchitos.
Desde el punto de vista del consumidor, la calidad de los productos hidroenfriados
es alta, mientras que desde el punto de vista del productor el peso resultante es
alto.
Los productos pueden ser hidroenfriados a granel o envasados. Si los productos
son enfriados en el embalaje, éste debe permitir un adecuado fluido de agua
desde dentro y tolerar el contacto con agua sin pérdida de resistencia.
Características generales
13/10/2015
27
13/10/2015
28
13.6-17 lagua /s·m2
13/10/2015
29
13/10/2015
30
Vacuum cooling
Evaporación de una parte de agua del productoen condiciones de baja presión atmosférica(vacío parcial)
Productos Liberan con facilidad el agua tiempos de
enfriamiento 20-30 min
Hortalizas con una alta relación superficie/peso
Se pueden enfriar productos ya envasados enbolsas y cajas
Pérdidas de peso de 1% por cada 6 °C de enfriamiento
13/10/2015
31
Pérdidas: 2 -4% del peso, depende de la temperatura inicial.Pulverización con agua antes del enfriamiento reduce pérdidas de humedad.El vapor de agua dentro de la cámara es eliminado mediante condensación en unserpentín de refrigeración.
13/10/2015
32
Hielo troceado
13/10/2015
33
Características generales• Sistema muy práctico de aplicar debido a la disponibilidad comercial de hielo
molido.
• Limitado a productos que toleran un contacto directo con agua-hielo como
espinacas, brócoli, col de bruselas, rábano, zanahorias y cebollitas verdes.
• Deberá procurarse que el hielo permanezca en contacto directo con el producto
el mayor tiempo posible, por lo que deberá casi rodear a la fruta u hortaliza.
• Principio:
– Fusión de hielo absorbe del producto el calor latente una vez transformado el agua
disminuye drásticamente la absorción de calor (calor sensible)
• Desventajas:
– Si se aplica durante el transporte fletar el hielo que pesa y ocupa un espacio de la
carga.
– El recipiente de envasado deberá ser resistente al agua y hielo.
• El enhielado superficial consistente en aplicar solamente una capa de hielo en la
parte superior de la caja práctica suplementaria a un previo preenfriamiento
con aire forzado u otro método de tal manera que el hielo mantenga la
temperatura baja y provea agua que retenga la frescura del producto en tránsito
13/10/2015
34
Transporte refrigerado
Remolque frigorífico terrestre
Fuente: Kader y col. 2010.
13/10/2015
35
Contenedores marítimos y barcos refrigerados
Barcos Contenedores multimodales
Más de 350.000 unidades Entre 1.000 y 1.500 unidades
Sistema de refrigeración in situ: carga de menos equipos
Pequeñas unidades individuales de refrigeración
Carga y descarga en abierto (rotura cadena de frío)
Descarga en muelles refrigerados, continuidad cadena de frío
Fuente: Kader y col. 2010.
Contenedores marítimos refrigerados
• El sistema de refrigeración con conducción de aire porel fondo requiere que la carga esté colocada de talmodo que el aire refrigerado sea forzado a través yalrededor de la mercancía y no se permita que evite elpaso alrededor de las unidades de un pallet
Fuente: Kader y col. 2010.
13/10/2015
36
Elegir un sistema de enfriamiento
Las características físicas y fisiológicas del producto condicionan la selección del método de enfriamiento: Fresas:
o No toleran alta humedad (pudriciones): no hielo ni agua
o Requieren rápido enfriamiento: no cámaras de enfriamiento
o Susceptibles a pérdidas de humedad: no vacío
o AIRE FORZADO
Frutos caducifolios y hortalizas aceptan varios métodos de enfriamiento
En general:o Vacío, cámaras de enfriamiento y hielo troceado, son métodos usados para
pocos productos
o El enfriamiento por agua se utiliza para una mayor diversidad de productos
o El aire forzado resulta el método más adaptable a la mayoría de los productos
13/10/2015
37
13/10/2015
38
13/10/2015
39
Manejo efectivo de equipos de enfriamiento y conservación
Registro Muestreo temperatura del producto a la entrada y a la
salida
Temperatura del “producto más caliente”, del “producto más frío”
Temperatura de la cámara de enfriado
Duración de los ciclos de enfriado
Cantidad de producto enfriado en cada ciclo
Condiciones del sistema de refrigeración: presiones en el compresor
Energía consumida
Tanto en las cámaras de enfriamiento como en los sistemas de aire fríoforzado, el producto más cercano al aire frío se enfría más rápido queaquellos más alejados del aire frío. Por tanto, la carga debe ser estibada paraque los productos más calientes alcancen una temperatura baja antes de quetermine el enfriamiento.
13/10/2015
40
Una correcta actuación en el momento adecuado y en el lugar preciso
Ajuste de las prácticas postcosecha a las necesidades de cada producto, reducción del
impacto ambiental y social vinculado a las pérdidas postcosecha, aumento de la
competitividad a través de una mayor eficacia de las prácticas
•
Postcosecha de precisión
Sistemas de información
13/10/2015
41
Supervisión de precisión de almacenamiento y transporte refrigerado:
Series temporalesAplicaciones de los diagramas de fases
Eva Cristina Correa HernandoBelén Diezma Iglesias
[email protected]@upm.es
Sensores
I. espacial
I. contextual
I. compleja
Actuadores
I. temporal
13/10/2015
42
1. Información temporal
http://oa.upm.es/9590/
13/10/2015
43
14:44 18:20 19:20 21:56 01:32 05:08 08:44
-4
-2
0
2
4
6
Caja 1Caja 2Caja3Caja 4Caja 5
Carga
Descarga
Tª(
ºC)
tiempo
13/10/2015
44
Cº 0.8- 0.25 - 0.55- hielo delción cristaliza ª
25.007.3719.4946.14
902.0
º 55.0
2
==
−=−+−=Δ
=−=
T
XXT
X
CT
aguaaguaF
agua
F
Riesgo de congelación y daños en los tejidos por
cristalización o nucleación del hielo
(Chang H.D. and Tao L.C., 1981)
14:44 18:20 19:20 21:56 01:32 05:08 08:44
-4
-2
0
2
4
6
Caja 1Caja 2Caja3Caja 4Caja 5
Carga
Descarga
Tª(
ºC)
tiempo
13/10/2015
45
2. Información espacial
http://oa.upm.es/5025/
13/10/2015
46
Contenedor trabajando en: vacío, modo on-off, set-point 0ºC
Contenedor trabajando en: lleno, modo on-off, set-point 0ºC
13/10/2015
47
3. Información contextual
ΔTni,j =Ti,j - Tsi
Tai - Tsi
Diferencia de temperatura normalizadaPara el experimento i y la sonda j
Ti,j : temperatura media de la sonda j para el experimento i
Tsi : temperatura de consigna
Tai : temperatura media ambiente para el experimento i
13/10/2015
48
Vni,j=Vcij
Vai
Varianza normalizadaPara el experimento i y la sonda j
Vni,j : varianza normalizada de latemperatura para el experimento iy la sonda j
Vcij : varianza de la temperaturainterior para el experimento i y lasonda j
Vai : varianza de la temperaturaambiente para el experimento i
13/10/2015
49
4. Información compleja4.1. Diagrama psicrométrico4.2. Diagrama de fases
4.1 Diagrama psicrométricoGarcía-Hierro y cols.
2010
13/10/2015
50
4.2. Diagrama de fases
Packard et al. (1980), Takens (1981),Eckmann and Ruelle (1985)
Un atractor es el conjunto al que el sistema evoluciona después de un tiempo suficientemente largo
13/10/2015
51
Un ciclo límite es una órbita periódica del sistema que está aislada. Ejemplos: el circuito de sintonía de una radio (Vanderpool)
Atractor de lorenz: atractor extraño tienen estructura a todas las escalas
13/10/2015
52
http://oa.upm.es/21298/
13/10/2015
53
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 353
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Time (days)
Te
mp
era
ture
(ºC
)Optimum storage temperature for lemmons
Set point temperature
1 2 3 4 5 6 7a b c
13/10/2015
54
13/10/2015
55
Lechugas baby leaf tipo Salanova® producidas en invernadero
13/10/2015
56
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
2
4
6
8
10
12
No. Datos
Tem
pera
tura
(ºC
)
4411
15
45
14
1240
Análisis respuesta dinámica de i-button encapsulados
13/10/2015
57
Fecha Sensores / Localización / Resolución temporal
2-4 Dic 2014
(45 horas)
15 TurboTagInvernadero (altura 40 cm)5 min/dato
2-4 Dic 2014
(45 horas)
9 i-buttonInterior cogollo lechuga4 min/dato
4 Dic 2014
(5 horas + 20 horas)
9 i-buttonLínea de procesadoBandejas en cámara industria5 min/dato
Fecha Sensores / Localización / Resolución temporal
5-6 Dic 2014
(1 hora + 19 horas + 28 horas)
9 i-buttonBandejas en transporteBandejas en cámara de supermercado Bandejas en góndola supermercado 5 min/dato
6 Dic 2014
(28 horas)
12 TurgoTagSobre bandejas en la góndola 5 min/dato
7-9 Dic 2014
9 i-buttonBandejas en transporte a domicilioBandejas en nevera consumidor
13/10/2015
58
Resultados: I. temporal
Resultados: I. temporal
6 ºC
0,75 ºC/h
13/10/2015
59
Resultados: I. compleja
Temperatura (Tk
ºC)0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Procesadoindustria
Cámara refrigeraciónindustria
Cámara refrigeraciónen punto de venta
Transporte alpunto de venta
Temperatura (Tk
ºC)0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Procesadoindustria
Cámara refrigeraciónindustria
Transporte alpunto de venta
Góndola en puntode venta
Resultados: I. temporal
9:14 11:15 13:17 15:18 17:20 19:21 21:23 23:24 1:26 3:27 5:29 7:30 9:32-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Horas
Te
mp
erat
ura
ºC
Temperaturas en la góndola
Nivel medio
Nivel superior
Nivel inferior trasera
Nivel inferior frontal
0,5 ºC/10 cm
13/10/2015
60
Resultados: I. compleja
Representación acotada al rango de la variablede control de cada proceso (independiente deltiempo)
Identificación de puntos calientes y fríos
Identificación de los PCC
Identificación de eventos o perturbaciones
Aplicable a cualquier sistema dinámico
Herramienta de control