La refrigeración criogénica puede alcanzar temperaturas considerablemente más frías y enfriar productos mucho más rápido que la refrigeración mecánica.
Foto cortesía de Air Products.
La refrigeración industrial ha sido durante mucho tiempo una forma efectiva de proteger la calidad y la seguridad de los alimentos perecederos. Los equipos de congelación y enfriamiento han sido vitales para ayudar a los fabricantes a extender la vida útil del producto al tiempo que conservan el sabor y la textura. En los últimos años, los fabricantes de alimentos han podido cosechar aún más los beneficios de la refrigeración industrial gracias a los avances en automatización, seguridad y sostenibilidad, que han ayudado a mejorar el rendimiento y la eficiencia de los equipos de congelación y refrigeración actuales.
"La demanda en el mercado de alimentos congelados y refrigerados ha aumentado dramáticamente y también la demanda de sistemas de distribución refrigerados", dice Andrew Pipkin, director de desarrollo de proyectos en Stellar, la empresa de diseño y construcción con sede en Jacksonville, Florida. "A medida que las familias tienden a pasar más tiempo (de calidad) con los miembros de la familia en lugar de preparar comidas, hemos visto una fuerte tendencia en el mercado hacia el sector de alimentos congelados y refrigerados, y al sector de alimentos preparados".
Punto de partida
A medida que los alimentos congelados y refrigerados continúan aumentando en popularidad, los fabricantes buscan satisfacer esas crecientes demandas de producción con equipos de congelación y enfriamiento que puedan maximizar la eficiencia y aumentar la capacidad y el rendimiento. Al seleccionar equipos de refrigeración industrial, los fabricantes deben considerar principalmente los costos del ciclo de vida, que evalúan la confiabilidad a largo plazo, la eficiencia y el rendimiento del equipo para ofrecer un rendimiento óptimo de la inversión, según Pipkin. Los procesadores no solo deben tener en cuenta el desembolso de capital inicial, sino también analizar los costos de operación del equipo durante su vida útil, incluido el consumo de energía, los costos de mantenimiento, las reparaciones, el impacto ambiental, el cumplimiento normativo, el tiempo de inactividad potencial del equipo y los costos de mano de obra.
Pipkin recomienda que los fabricantes realicen un cálculo de carga de enfriamiento. La refrigeración industrial funciona de manera más eficiente cuando opera a plena carga, pero eso rara vez ocurre. Un cálculo de carga de enfriamiento evalúa si el equipo de congelación o enfriamiento puede eliminar el calor de manera eficiente mientras se mantienen las condiciones del punto de ajuste de temperatura. Evita que los fabricantes pierdan puntos de referencia de productividad, y los ayuda a evitar la ineficiencia del proceso y el desperdicio de energía.
"Es muy importante realizar un cálculo de carga adecuado, teniendo en cuenta todas las consideraciones no solo para el rendimiento máximo, sino también para el rendimiento promedio y el rendimiento a menor escala", explica Pipkin. Los sistemas de refrigeración generalmente están diseñados para esos uno o dos días más calurosos del año, para poder rechazar la cantidad de calor necesaria en las condiciones más extenuantes, agrega. "Cada dos días está funcionando a algo menos que la capacidad máxima solo porque no tiene que trabajar tan duro para poder rechazar el calor en esos otros días ... Y ese es un gran desafío en la refrigeración". [Debe] tener esa capacidad de cobertura para no tener problemas de ciclo corto y fallas prematuras del equipo. Observar el panorama general y diseñar para el escenario de baja carga que un propietario podría enfrentar es tan importante como diseñar para la capacidad de carga máxima. Las condiciones de baja carga pueden ser mucho más comunes y, por lo tanto, tienen un mayor impacto en el consumo de energía que la capacidad máxima para algunos sistemas ".
Hacia la eficiencia
Para garantizar que los equipos de refrigeración y congelación funcionen de manera eficiente, muchos expertos en refrigeración industrial sugieren aplicar unidades de frecuencia variable (VFD, por su sigla en inglés) a los equipos. Los VFD pueden reducir la velocidad del equipo, lo que ayuda a reducir los costos de energía y extender la vida útil del equipo. Pero los VFD también pueden aumentar fácilmente el congelador o el equipo de enfriamiento si está a plena carga. Por ejemplo, los VFD en los ventiladores del condensador pueden controlar la presión del cabezal flotante. Disminuir la presión del cabezal flotante a través del VFD reduce el consumo de energía para los motores del ventilador del condensador y los motores del compresor. Los VFD también pueden mejorar la eficiencia general en otras áreas de un sistema de refrigeración, incluidos los motores y bombas del ventilador del evaporador.
Los VFD también pueden ayudar a los fabricantes a enfriar o congelar varios productos modificando el flujo de aire para cada producto. Por ejemplo, si un procesador congela hamburguesas gruesas de media libra, no puede usar la misma velocidad de flujo de aire para congelar hamburguesas de salchicha más delgadas porque el flujo de aire las soplará del transportador. Con un VFD, un operador puede ajustar fácilmente la velocidad del ventilador para congelar las unidades a la velocidad adecuada, acelerando el cambio. "El beneficio de un VFD es que puede regular el flujo de aire, por lo que no sopla el producto por todas partes", dice Paul Osterstrom, vicepresidente senior de marketing y ventas de Advanced Equipment Inc., un proveedor de congeladores y enfriadores, con sede en Richmond, Columbia Británica, Canadá. "Los variadores de frecuencia hacen que la maquinaria sea más flexible para cualquier producto que esté ejecutando", agrega.
“Esto es algo que encontramos cada vez más porque nuestros clientes utilizan muchos productos diferentes en un congelador. A veces son de 10 a 20 productos diferentes, y no necesitan el mismo flujo de aire ", dice Mathieu Nouhin, gerente de producto de GEA, con sede en Dusseldorf, Alemania. "Agregamos inversores de frecuencia en el motor del ventilador para que podamos optimizar el flujo de aire para el producto, seleccionando la velocidad adecuada para los ventiladores y luego también ahorrando energía", agrega.
Del lado seguro
Los fabricantes también solicitan más características de seguridad alimentaria de sus equipos de refrigeración industrial. Por ejemplo, los proveedores están diseñando sus equipos con estructuras no huecas y construcción soldada. A diferencia del equipo que usa construcción atornillada, la construcción soldada no tiene puntos que faciliten el crecimiento de bacterias. Además, algunos fabricantes están elevando sus equipos de refrigeración industrial del piso con pasadores totalmente soldados en lugar de placas, que pueden atrapar la suciedad y las bacterias. Y los equipos de congelación y enfriamiento de hoy en día a menudo tienen perfiles abiertos para permitir a los trabajadores acceder y limpiarlos fácilmente.
Muchos tipos de equipos de enfriamiento y congelación utilizan sistemas de recirculación de limpieza en el lugar (CIP), que limpian el equipo varias veces y reciclan la solución de limpieza durante el proceso CIP. Aseguran una limpieza a fondo y ahorran en el consumo de agua.Foto cortesía de Advanced Equipment Inc.Según Osterstrom, el diseño y los materiales de los equipos de congelación y enfriamiento son clave para garantizar la seguridad de los alimentos: “Si no tiene un congelador diseñado para una limpieza adecuada, realmente no importa qué tan bueno sea el sistema CIP que tenga. Si no diseña una forma que evite que los alimentos queden atrapados y reduzca la cantidad de soldaduras, disminuya cualquier estructura porosa o reduzca los pernos y ese tipo de cosas, entonces todavía no se obtiene la limpieza óptima. Por lo tanto, es una combinación de un sistema CIP y un congelador diseñado para estar limpio".
Los proveedores están aumentando las características CIP de sus equipos de congelación y refrigeración. Por ejemplo, GEA y Advanced Equipment ofrecen sistemas CIP de recirculación, que limpian el equipo varias veces y reciclan la solución de limpieza durante el proceso CIP. La solución se filtra antes de reinyectarse nuevamente en el equipo para una mayor limpieza. Este sistema CIP asegura que el equipo se limpie a fondo sin usar cantidades excesivas de agua, lo que resulta en un ahorro significativo de agua.
Algunos fabricantes, como los procesadores de carne, requieren un nivel extremadamente alto de higiene, por lo que utilizan sistemas de tratamiento térmico o pasteurización junto con CIP. Una vez que se completa el proceso de CIP, el sistema de calor eleva la temperatura dentro del refrigerador o congelador a aproximadamente 170 ° F para eliminar cualquier patógeno restante que el sistema CIP no haya detectado. Sin embargo, el tratamiento térmico solo es efectivo para equipos de congelación y enfriamiento que usan construcción soldada.
"Esto solo es posible con recintos totalmente soldados", dice Nouhin. Afirma que algunos proveedores de congeladores usan paneles aislados, que se ensamblan con juntas calafateadas. “Estas juntas pueden resistir una temperatura máxima de 140 ° F, lo que significa que no puede alcanzar la temperatura de pasteurización. Pero con los recintos totalmente soldados, no hay juntas calafateadas ni juntas de silicona. Por lo tanto, podemos aumentar la temperatura y alcanzar la temperatura de pasteurización de 170 ° F para asegurarnos de que se eliminen todas las bacterias ".
Los fabricantes también están recurriendo a la automatización para fortalecer sus protocolos de seguridad alimentaria y cumplir con las normas en este campo. Los sensores, los controladores lógicos programables y otros dispositivos similares de Internet de las Cosas les permiten a los operadores garantizar un control de temperatura constante y un monitoreo continuo de la temperatura. Además, la automatización incorporada en los equipos de congelación y refrigeración registra y almacena los datos que los fabricantes deben verificar a las agencias reguladoras que cumplen con las pautas de seguridad alimentaria.
"A medida que la seguridad alimentaria se vuelve cada vez más estricta, los requisitos para que los sistemas de refrigeración funcionen correctamente y mantengan temperaturas adecuadas también se vuelven cada vez más estrictos", dice Pipkin. "Por lo tanto, los programas de control informático y el registro de datos se han vuelto muy importantes no solo para el procesamiento, sino también para el sistema de refrigeración". Los fabricantes tienen la obligación de mantener esos datos durante largos períodos para demostrar que están siguiendo los procedimientos, los requisitos reglamentarios y las buenas prácticas de fabricación, agrega.
GEA utiliza sensores CALLIFREEZE en su línea de congeladores para controlar el estado de los productos que salen de los congeladores y luego calibra automáticamente los parámetros de los congeladores para garantizar que los productos se congelen según los requisitos óptimos. El sistema de control monitorea continuamente el nivel de agua cristalizada en los alimentos y luego ajusta automáticamente el tiempo de retención del producto en el congelador, la temperatura del aire y la velocidad del ventilador para lograr el nivel preciso de congelación requerido con un consumo mínimo de energía.
CALLIFREEZE de GEA utiliza sensores para controlar el estado de los productos que salen del congelador y luego calibra automáticamente los parámetros del congelador para garantizar que los productos en el congelador se congelen según los requisitos óptimos, incluida la temperatura del aire y el tiempo de retención.Foto cortesía de GEA.Con los congeladores tradicionales, los operadores suelen extraer un lote aleatorio de producto de la línea para medir la temperatura. Debido a que los productos generalmente se congelan por completo, los operadores no pueden insertar sondas de temperatura en ellos. Entonces miden la temperatura de congelación entre los productos.
GEA utiliza un sensor que mide de forma automática y continua a través del producto y mide su nivel de congelación y temperatura, dice Nouhin. “Ahora tenemos una medición en línea que proporciona información precisa y confianza sobre la calidad congelada del producto a la salida del congelador. Y también podemos usar este sensor para controlar nuestro congelador para asegurarnos de que los parámetros del este estén ajustados para cumplir con los requisitos objetivo".
Con CALLIFREEZE, los procesadores pueden monitorear el producto continuamente, dice Nouhin. "Esto mejora la seguridad alimentaria porque pueden asegurarse que el producto entregado desde el congelador cumpla con los objetivos [de temperatura] que establecieron para ese proceso".
Preocupaciones verdes
Más allá de mejorar la seguridad alimentaria, muchos fabricantes desean que sus equipos de congelación y enfriamiento les ayuden a reducir su impacto ambiental, lo que los lleva a considerar los mejores refrigerantes. Los refrigerantes sintéticos rentables, como los clorofluorocarbonos y los hidroclorofluorocarbonos, han caído en desgracia debido a su alto potencial de calentamiento global (GWP). Muchas agencias de seguridad y medio ambiente alientan a los fabricantes a usar refrigerantes naturales, como dióxido de carbono, amoníaco anhidro y propano, porque no dañan el medio ambiente y tienen poco o ningún potencial de agotamiento de ozono y GWP.
"Por lo general, sugerimos mantener refrigerantes naturales como opciones viables debido a la longevidad que hemos visto con refrigerantes naturales", dice Pipkin. "Hemos pasado tres décadas de prohibiciones de refrigerantes artificiales, y parece que la lista de usos disponibles se está volviendo cada vez más pequeña, mientras que los refrigerantes naturales, especialmente CO2, amoníaco y propano, todavía se usan comúnmente hoy en día".
El amoníaco sigue siendo la opción de refrigerante natural más popular entre los fabricantes. Es un recurso natural abundante y de bajo costo que ofrece propiedades termodinámicas superiores. Debido a que puede absorber grandes cantidades de calor a medida que se evapora, los fabricantes pueden usar menos amoníaco para lograr el mismo nivel de rendimiento que otros refrigerantes, así como también usar tuberías y componentes más pequeños y delgados. Sin embargo, el amoníaco también es altamente tóxico e inflamable, por lo que está sujeto a numerosas reglamentaciones por parte de agencias gubernamentales, incluida la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional y la Agencia de Protección Ambiental.
Para mitigar el riesgo de exposición al amoníaco para los trabajadores y reducir la cantidad de amoníaco utilizado en los equipos de congelación y refrigeración, algunos fabricantes están utilizando sistemas en cascada de amoníaco y dióxido de carbono. Un sistema en cascada hace circular amoníaco y dióxido de carbono a través de sus propios compresores independientes, haciendo circular los refrigerantes por circuitos separados. Los dos circuitos están conectados por un intercambiador de calor llamado condensador en cascada. El amoníaco atraviesa el circuito de alta temperatura, mientras que el dióxido de carbono fluye a través del circuito de baja temperatura. Esta configuración permite que la carga de amoníaco se limite a la sala de máquinas, mientras que el dióxido de carbono está presente en las áreas de procesamiento y almacenamiento y se puede canalizar a otras partes de la planta.
Otra alternativa segura y respetuosa con el medio ambiente a un sistema tradicional de dos etapas con solo amoníaco es un sistema de baja carga, que utiliza amoníaco en volúmenes muy bajos. Por ejemplo, el Sistema Central de Baja Carga (LCCS) de FRICK ayudó a Congebec, el mayor proveedor de servicios refrigerados en la provincia de Quebec, Canadá, a minimizar su carga de amoníaco en un 80%. LCCS minimiza el amoníaco líquido mediante la distribución de vapor de amoníaco en toda la planta. El vapor de amoníaco solo se condensa en líquido en el punto de uso. No hay amoníaco líquido en la sala de máquinas, y solo existe en la planta cerca de donde se necesita. El sistema reduce drásticamente la cantidad de amoníaco en el espacio refrigerado, lo que reduce el daño potencial del producto y las fugas de amoníaco que pueden dañar a los trabajadores.
El sistema central de baja carga de FRICK utiliza unidades de condensación distribuidas a distancia para minimizar el amoníaco líquido. Distribuye solo vapor de amoníaco en toda la planta. El vapor de amoníaco solo se condensa en líquido en el punto de uso.Foto cortesía de FRICK."No estamos moviendo líquido por toda la instalación. Solo estamos moviendo vapor. Así que estamos interconectando todo con líneas de vapor en lugar de líneas de líquido ", explica Nevin Forry, gerente de producto senior de FRICK. “Condensamos cerca del punto de uso, almacenamos solo una cantidad mínima de líquido en esos puntos, y luego usamos tecnología de baja carga para los evaporadores. Estamos utilizando evaporadores de expansión directa, lo que significa que no tenemos mucho líquido en los evaporadores en funcionamiento, agrega.
"Y luego solo estamos moviendo el vapor del punto A al punto B, de vuelta a la sala de compresión", agrega. "Entonces, la sala de compresión es lo que consideramos un sistema central, y luego mantenemos nuestro líquido al mínimo fuera de esas ubicaciones remotas".
El gran escalofrío
Si bien la mayoría de los fabricantes utilizan refrigeración mecánica, como los sistemas de amoníaco de baja carga, la refrigeración criogénica es otra opción ecológica que no utiliza amoníaco. La refrigeración mecánica utiliza refrigerantes para enfriar las bobinas para bajar la temperatura del aire. Ese aire frío pasa sobre los productos alimenticios para eliminar el calor de ellos. Con la refrigeración criogénica, por otro lado, los alimentos se rocían o se sumergen directamente en nitrógeno líquido o dióxido de carbono. La comida se congela o se enfría casi al instante.
La refrigeración criogénica tiene muchos beneficios sobre la refrigeración mecánica. Como refrigerantes, el nitrógeno o el dióxido de carbono tienen un impacto ambiental insignificante. Además, la refrigeración criogénica puede alcanzar temperaturas considerablemente más frías y enfriar los productos mucho más rápido que la refrigeración mecánica. Por ejemplo, la congelación mecánica puede llegar a temperaturas tan bajas como -40 ° F. La congelación criogénica puede bajar hasta -160 ° F con nitrógeno líquido y -80 ° F con dióxido de carbono líquido. Ese tipo de congelación rápida reduce significativamente la deshidratación o la quema del congelador, protegiendo así la textura y el sabor del producto.
"Si puedo congelar algo más rápido, significa que obtendré cristales de hielo más pequeños, lo que significa una mayor calidad del producto", dice Scott Robertson, gerente de la industria alimentaria de América del Norte en Air Products, una compañía de gases industriales con sede en Allentown, Penn.
La refrigeración criogénica también tiene costos iniciales más bajos. La compra e instalación de equipos es económica y ocupa menos espacio en el piso en comparación con los equipos de refrigeración mecánica. Pero la refrigeración criogénica requiere grandes volúmenes de refrigerante, un gasto continuo y costoso.
Wolverine Packing Co., un procesador de carne en Detroit, ya ha visto un retorno de la inversión desde que instaló dos sistemas de enfriamiento de inyección de fondo criogénico (BI) de Messer, una compañía con sede en Bridgewater, NJ que suministra gases industriales y equipos de congelación y enfriamiento para la industria de alimentos. El procesador utiliza el sistema para mezclar su producto de carne molida antes de moler y formar las unidades. El sistema inyecta nitrógeno líquido desde múltiples puntos en la parte inferior de los mezcladores gemelos de Wolverine, aprovechando las propiedades termodinámicas del nitrógeno. El nitrógeno comienza a enfriar el producto en el momento en que se inyecta y continúa enfriándolo a medida que se dispersa y se mezcla con el producto alimenticio. Según Riley Cronk, planificador de producción en Wolverine, el sistema de BI enfría la temperatura de la carne entre 29 ° F y 31 ° F, el rango de temperatura ideal para formar las unidades, aproximadamente 30 segundos más rápido por lote que el sistema de enfriamiento anterior de la compañía.
Wolverine utilizó anteriormente un sistema de enfriamiento criogénico de dióxido de carbono que funcionó bien hasta que la compañía tuvo que aumentar la producción. Cuando se inyectó el dióxido de carbono líquido en la carne, Wolverine tuvo que darle al criógeno suficiente tiempo para sublimarse. Pero a medida que crecieron las demandas de producción, la empresa no tuvo tiempo de esperar la sublimación completa. Entonces, las finas partículas de dióxido de carbono se convirtieron en humedad en lugar de gas, atrapando la humedad en la carne. Eso creó un líquido rojo y una fuga de aire de la carne en el empaque.
Cuando Wolverine cambió al sistema de BI, no tuvo que esperar mucho para que se produjera la sublimación con el nitrógeno después de la mezcla. Como resultado, el nuevo sistema de BI está ayudando a la compañía a ganar 50 minutos más de tiempo de producción al día, o de tres a cinco lotes más por día. Eso equivale a 30,000 lb adicionales de unidades de carne molida al día.
"Ya no tenemos problemas de empaque de calidad", dice Cronk. "No tenemos que preocuparnos de que la nieve de CO2 quede atrapada en la carne y cause problemas de calidad, y simplemente acelera todo nuestro proceso. Eso es un gran beneficio. Ganar esos 30 segundos adicionales por lote fue muy útil ".
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Muchos tipos de equipos de enfriamiento y congelación utilizan sistemas de recirculación de limpieza en el lugar (CIP), que limpian el equipo varias veces y reciclan la solución de limpieza durante el proceso CIP. Aseguran una limpieza a fondo y ahorran en el consumo de agua.Foto cortesía de Advanced Equipment Inc.
