Ingeniería y Tecnología
Frigorífica
Ingeniería y Tecnología Frigorífica.
Sistemas de almacenamiento a bajas temperaturas
Escrito por: Alfredo Álvarez Cárdenas
1. Situación Actual de los sistemas de almacenamiento en México.
La comercialización y transportación de productos perecederos alimenticios en México, se realiza en condiciones no siempre eficientes; grandes mermas y elevados costos son características comunes en los centros de abastos. Según las estimaciones más optimistas, cerca del 45% de la producción nacional de frutas y hortalizas se pierde por las malas condiciones de almacenamiento y transportación; por su parte, el abasto de productos cárnicos y marinos también presenta problemas graves por la ineficiencia de los actuales métodos de comercialización.(2,3)
Se ha demostrado, que tanto el diseño y construcción de sistemas de almacenamiento en frío, han permanecido en estado incipiente en México, siendo todavía pocos los casos en los cuales conceptos nuevos y racionales son considerados y, en los cuales las muchas posibilidades de perfeccionamiento técnico son experimentadas. Aún en la mayoría de los casos se continua construyendo locales de albañilería, los mismos para cualquier otro objetivo, se tapizan las paredes con materiales aislantes y sobre estos se instalan las tuberías y equipo para el enfriamiento. La mayor parte de los almacenes frigoríficos que existen actualmente en México, se han diseñado y construido sin tomar en consideraciones las normas básicas de construcción. (2,3)
Algunos de los problemas más comunes encontrados son los siguientes:
• Construcción tradicional,
• De carácter polivalente,
• Inadecuado manejo interno de productos,
• Falta de eficiencia en la operación y utilización,
• Deficiencias en la regulación y control de los parámetros de acondicionamiento,
• Bajo aprovechamiento del espacio frío,
• Obsoleto equipo de enfriamiento,
• Deficiencias en la relación producción/uso del frío,
• Falta de normatividad,
• Desconocimiento del comportamiento del alimento ante el frío, etc.
2. Definición de almacén frigorífico.
El Instituto Internacional del Frío define como almacén frigorífico, a un edificio destinado al almacenamiento de determinados productos (especialmente alimenticios de carácter perecedero), a regímenes bien definidos de temperatura e hidrometría, a veces incluso en atmósfera artificial, que no pueden obtenerse en almacenes ordinarios sin aislamiento ni instalaciones frigoríficas. (1,2,4)
Figura 1: Elementos de acondicionamiento, diseño, construcción y utilización de sistemas de almacenamiento en frío.
3. Importancia de los sistemas de almacenamiento en frío.
El almacenamiento de frutas y hortalizas, o de otros productos perecederos, tiene las siguientes finalidades:(6,12,13)
• reducir al mínimo las pérdidas de estos productos;
• preservar su calidad inicial y estado sanitario;
• prolongar su período de distribución y consumo sin alteración de su estado inicial (alcanzar mercados más distantes, disponibilidad en cualquier época del año);
• en consecuencia, favorecer los intercambios comerciales.
Al revés de lo que ocurre con la mayor parte de los demás procedimientos de conservación, el frío no transforma las sustancias alimenticias, sino que retrasa, de modo más o menos enérgico, los fenómenos biológicos de la degradación y -en caso de los productos vivos- las evoluciones fisiológicas que en ellos tienen asiento.
Figura 2: Criterios de las aplicaciones del frío.
Si falta la protección frigorífica, las pérdidas por evaporación y por alteración biológica oscilan frecuentemente entre el 20% y el 50% del volumen total inicial, de acuerdo con la naturaleza y la alterabilidad del producto, el tiempo y las condiciones ambientales. Al reducir -a veces de modo espectacular- el ritmo de degradación y desecación de los productos y al preservar su estado sanitario, el frío constituye un medio de aumentar la disponibilidad de alimentos, tanto para el consumo nacional como para la exportación a mercados del exterior.(4,8)
Pero la aplicación del frío implica el cumplimiento de una serie de exigencias; los productos perecederos, inicialmente de buena calidad, deberán estar sometidos ininterrumpidamente a la acción del frío, desde la producción hasta el consumo o hasta su utilización por la industria. Es, por tanto, necesario disponer de instalaciones de almacenamiento en la zonas de producción, de vehículos de transporte con temperatura regulada, de locales de almacenamiento en los mercados o bien en las proximidades de las industrias transformadoras y de los medios adecuados para la distribución a los comercios minoristas. Este conjunto de equipos e instalaciones constituyen la “cadena del frío”. (2,8,11)
La cadena del frío sólo puede establecerse si se tiene un conocimiento del comportamiento de los productos perecederos ante el frío, y si, por otra parte, se cuenta con la competencia necesaria de ingenieros o técnicos que realicen las instalaciones, ya sean fijas o móviles, que satisfagan de forma adecuada las condiciones óptimas necesarias para la conservación de los productos. Por tanto, sea cual sea el país, toda mejora en la cadena del frío constituye una condición que se manifiesta en progreso económico y social.
4. Cadena del Frío.
Se denomina cadena del frío al sistema integrado de almacenes y medios de transporte encargados de conservar alimentos perecederos a bajas temperaturas. (11,12)
Los eslabones que conforman la cadena del frío son:
• almacenes frigoríficos industriales en la zona de producción,
• vehículos frigoríficos de transporte a larga distancia,
• almacenes frigoríficos en la zona de distribución,
• vehículos frigoríficos de distribución,
• almacenes frigoríficos en los centros consumidores,
• cámaras y muebles frigoríficos de los comercios al menudeo,
• frigoríficos domésticos.
Figura 3: Eslabones y componentes de una cadena de frío.
Actualmente la cadena del frío en México se encuentra desarticulada y se ha venido implementando solo parcialmente, solo para aquellos productos de alta rentabilidad, tanto para el mercado nacional como de exportación, presenta en su conformación problemas de carácter técnico, económico, social y geográfico, entre los cuales se pueden mencionar: (3)
• Falta de organización de productores,
• Insuficiente organización comercial,
• Falta de integración agroindustrial,
• Desconocimiento de mercados,
• Intermediación excesiva,
• Financiamiento inoportuno,
• Insumos básicos dispersos y caros,
• Baja utilización de asistencia técnica,
• Falta de almacenamiento especializado,
• Transporte inadecuado, de servicio público sin fuente de frío,
• Productos sin normalizar,
• Envases inadecuados,
• Desconocimiento del comportamiento del producto ante el frío,
• Actividades intensivas en el uso de mano de obra no calificada,
• Las centrales de abastos operan a nivel regional y concentran toda clase de productos,
• Transporte especializado solo para productos de exportación,
• Mal manejo del producto, etc.
Figura 4: Principales problemas en la comercialización de alimentos en México.
5. Clasificación de los sistemas de almacenamiento en frío. (2.14)
• Según la temperatura de almacenamiento: almacén de conservación para producto refrigerado y de conservación para producto congelado;
• Según la naturaleza de los productos: almacén frigorífico monovalente o polivalente;
• Según la prestación de servicios: almacén frigorífico privado o público;
• Según su función económica: almacén frigorífico de producción, de distribución y de consumo.
6. Parámetros de acondicionamiento interno.
Los principales parámetros de acondicionamiento que influyen en la vida útil de los producto perecederos en los sistemas de almacenamiento en frío son:(2, 5, 8, 12, 14)
Figura 5: Parámetros de acondicionamiento en sistemas de almacenamiento en frío.
6.1 Temperatura.
El control de la temperatura es el medio principal para reducir al mínimo la actividad fisiológica en frutas y hortalizas. La temperatura influye de modo diferente sobre cada reacción en particular, por lo que se pueden generalizar desequilibrios tales de provocar alteraciones de diferente naturaleza en el producto almacenado, de ahí la necesidad de establecer una oportuna escala de valores a adoptar en función de las características del producto que se considera. En efecto, la selección de la temperatura óptima no puede ser igual para las diferentes especies, así como no puede ser igual para todas las variedades de la misma especie y en el ámbito de la misma variedad puede variar en función de diversos factores, siendo el estado de madurez el más apreciable.
Para el control de la temperatura óptima de conservación se deben considerar:
• el efecto de la temperatura mínima;
• el efecto de la temperatura diferenciada o alternada;
• el efecto de la velocidad de disminución de la temperatura.
Tanto la temperatura del aire como la del producto deben ser revisadas diariamente. Para el control de la temperatura el elemento sensor del termostato debe ser colocado en algún lugar cerca del centro del local o en el camino de retorno del aire al evaporador. Es también conveniente mantener una continua revisión del trabajo del evaporador, midiendo regularmente la temperatura, tanto del lado de entrada, como de salida del aire.
6.2 Velocidad y cantidad de aire en movimiento.
Los productos hortofrutícolas, a causa de su continua producción de calor, de anhídrido carbónico y de vapor de agua, debido a los fenómenos de respiración y de transpiración, provocan continuas modificaciones de las condiciones termohigrométricas y de la composición del gas de la atmósfera en el local donde son conservados.
Para mantener estables y uniformes las condiciones del ambiente en cualquier punto del almacén y para sustraer el calor emitido por el producto, es necesario una activa circulación del aire.
La velocidad y la cantidad de aire en movimiento están en función de diversos factores:
• cantidad de calor emitido por el producto conservado;
• dimensiones internas del almacén;
• modalidad o patrón de estibamiento;
• rapidez con la que se desea enfriar el producto;
• método de distribución del aire.
Para medir el movimiento del aire forzado se utilizan los anemómetros; para medir la circulación de aire se utilizan los catatemómetros
Figura 6: Modelos de distribución de aire sobre carne en canal.
6.3 Grado higrométrico.
El control del grado higrométrico de un almacén frigorífico es un problema de muy particular importancia por los efectos técnicos y económicos que implica, pero en la mayoría de los casos, ese control es descuidado por los técnicos tal vez por doble motivo: porque resulta complejo realizar el control de las instalaciones o porque ignoran la importancia y los efectos negativos sobre el producto conservado.
La humedad relativa es inversamente proporcional a la temperatura, disminuyendo la temperatura aumenta la humedad relativa y se puede alcanzar el punto de saturación o de rocío (condensación del vapor de agua), por tanto, basta un punto cualquiera del ambiente que tenga una temperatura suficientemente baja, para provocar el fenómeno de condensación. En un almacén frigorífico el evaporador representa el punto frío.
Durante el almacenamiento la húmeda relativa debe ser considerada en relación a la naturaleza del producto. Con la condensación de vapor de agua en el evaporador, se provoca un desequilibrio entre las presiones de vapor del aire ambiental y la presión de vapor del producto, siendo éste último el que cede vapor de agua para alcanzar de nuevo el punto de equilibrio, se efectúa el fenómeno de pérdida de peso.
Las pérdidas de peso en los productos alimenticios perecederos se deben a factores:
a) físicos: por variaciones en temperatura, humedad relativa y circulación de aire, en forma individual o conjunta.
b) en el caso de frutas y hortalizas, fisiológicos, por respiración y por transpiración.
La regulación del grado higrométrico se puede efectuar por dos métodos:
1. regulación directa: con humidificadores.
2. regulación indirecta: considerando la diferencia de temperaturas entre temperatura de evaporación y temperatura de almacenamiento.
Para la obtención de una alta humedad relativa en una almacén frigorífico, la temperatura de evaporación del refrigerante deberá estar los más cercana posible a la temperatura del aire del almacén. Entre mayor sea la diferencia de temperaturas entre el aire y la de evaporación, más rápidamente el aire perderá humedad y la humedad relativa descenderá. Este efecto se muestra en la siguiente tabla:
6.4 Influencia de compuestos gaseosos sobre la conservación.
Los compuestos gaseosos que tienen influencia negativa en la conservación de productos hortofrutícolas a bajas temperaturas son, entre otros:
• anhídrido carbónico (combinado con la baja concentración de oxígeno, modifica la atmósfera interna),
• vapor de agua (pérdida de peso en el propio producto y el exceso en el aire favorece desarrollo de microorganismos), • compuestos volátiles: etileno (acelera la maduración),
• compuestos olorosos: aromas (tiene influencia en la maduración del fruto y en la aparición de alteraciones fisiológicas)
El grado de concentración de estos compuestos en la atmósfera puede regularse mediante recambios y lavados del aire interno.
También la presencia de estos compuestos sugieren alternativas o posibilidades de almacenar diferentes especies en el mismo ambiente y que inconvenientes podría provocar tal mezcla de especies. Habrá que analizar la compatibilidad entre: temperatura, humedad relativa, olores, atmósfera especial. 7. Diseño de sistemas de almacenamiento en frío.
7.1 Proyecto de un Almacén frigorífico.(2, 7, 8,14)
Un almacén frigorífico, constituido fundamentalmente por uno o varios locales aislados térmicamente y con equipo de enfriamiento, tiene por finalidad asegurar todo un conjunto de servicios, por lo que es importante analizar cada uno de los puntos necesarios para realizar un proyecto frigorífico de cualquier dimensión.
7.1.1 Elaboración del proyecto: pliego de condiciones.
Corresponde al proyectista definir, muy claramente y con todo detalle, los servicios que se esperan del almacén y las condiciones del entorno. Estas informaciones, que forman la parte técnica del pliego de condiciones, se refieren especialmente a:
a) Productos:
• naturaleza, cantidad,
• frecuencia de entradas y de salidas,
• calendario de cosechas y expediciones (frutos estacionarios),
• temperaturas de los productos a la entrada,
• tonelaje diario de los productos que se han de refrigerar o congelar,
• tonelaje diario de hielo que se ha de fabricar,
• naturaleza y dimensiones de envases y embalajes,
• perspectivas de evolución de la producción (a 10 años).
b) Condiciones de almacenamiento:
• temperatura(s) recomendada(s),
• diferencial(s) de ajuste(s),
• duración del almacenamiento, por producto o categorías,
• modo de manejo de los productos al interior,
• modo de estibar,
• productos que pueden almacenarse juntos.
c) Almacén:
• es un edificio ya existente o que ha de ser construido,
• plano general y distribución en planta,
• número y características de las cámaras frigoríficas,
• características de otros equipos (congeladores, etc.),
• medios de accesos (carreteras, etc.),
• ampliaciones y evoluciones previsibles (a 10 años),
• otros locales de servicios básicos.
d) Entorno:
• clima: temperaturas máximas, medias y mínimas,
• humedad relativa: valores extremos,
• lluvias: frecuencia, importancia de las precipitaciones,
• vientos: frecuencia, orientación, polvos,
• recursos energéticos: naturaleza, potencia, modo de aprovisionamiento,
• recursos hídricos: origen, temperatura, caudal, composición química, presencia o no de barros o de arenas.
e) Disponibilidad local de mano de obra:
• personal técnico de dirección y vigilancia (número y nivel de formación),
• personal para el manejo de productos y mantenimiento general (número, aptitudes).
f) Otras especificaciones: Cualquier otra información que sirva para indicar con precisión los servicios que se esperan (ejemplo, sí forma parte de una central hortofrutícola).
8. Dimensionamiento interno.
Para el dimensionamiento interno se deben tener en cuenta:
1) Naturaleza del producto,
2) Cantidad máxima de producto a almacenar,
3) Densidad de almacenamiento,
4) Manejo interno de producto, envases, embalajes, elementos de estibamiento, manual, mecánico, etc.
5) Patrón de estibamiento, con convertidores, racks, estanterías fija, etc.
Una decisión importante es la de definir si dimensionar almacenes de pequeña o gran capacidad.
Los almacenes de grandes dimensiones son más económicos, en cuanto son menores los gastos de construcción por unidad de volumen, pero en estos es fácil encontrar una irregular ventilación y temperaturas no uniformes, difíciles de llenar en breve tiempo e irregularidades en el acomodo del producto.
Por otra parte, los almacenes pequeños resultan poco convenientes sea desde el punto de vista constructivo, como administrativo.
Además, la forma y dimensiones del frigorífico guardan relación con la velocidad de deshidratación del producto. En proporción con la cantidad de productos que contienen, en un almacén pequeño penetra más calor que en una grande, porque su volumen aumenta más que el área de su superficie. Por esto es más probable que un almacén grande ofrezca mejores condiciones de almacenamiento que dos más pequeñas de la misma capacidad.
Para reducir al mínimo el paso del calor por el aislamiento, la forma ideal sería un cubo, que combina el mayor espacio de almacenamiento con la menor área de superficie. Los productos pueden estibarse hasta alturas mayores de 8 m, utilizando montacargas apropiados; los límites a las alturas de los almacenes están determinados por los medio de manejo interno del producto y por la utilización de envases, embalajes, tarimas, etc.
Hay que tener en cuenta, por otra parte, que la altura de un almacén es igual a la altura de la estiba de los productos más de 0.8 a 1.2 m. Este espacio libre es indispensable para una buena circulación del aire.
La longitud y el ancho del almacén estarán en función de las condiciones de explotación prevista y del tipo de equipo de enfriamiento interno que se adopten.
Para mantener una adecuada circulación del aire con la consecuente uniformidad de las condiciones internas y, para facilitar el dimensionamiento interno de los almacenes, normalmente se deben de considerar los siguientes espacios libres:
- entre pared y estiba: de 0.20 a 0.40 m,
- entre estiba y estiba: de 0.10 a 0.20 m,
- pasillo interno: depende del modo de manejo interno de productos.
9. Construcción y aislamiento de almacenes frigoríficos.(2,5,8,12,14,15)
9.1 Construcción.
Los factores de carácter técnico y económico que se relacionan con el diseño y construcción son:
a) Funcionalidad, es decir, que se disponga de un almacenamiento frigorífico con los requerimientos de construcción necesarios que faciliten el manejo y control del producto almacenado.
b) Tecnológicas, que cuente con el sistema de producción de frío adecuado a las condiciones de operación.
c) Versatilidad, que el sistema pueda operar a condiciones diferentes (de HR, T, etc.), de acuerdo a tipo de producto almacenado.
d) Estética, que satisfagan las demandas actuales de diseño de acuerdo al tipo de construcción que se disponga.
e) Económicas, que la inversión requerida sea costeable.
Actualmente los almacenes se construyen de una sola planta, por motivos de ahorro de inversiones y para facilitar el manejo de los productos, así como su explotación.
Las características constructivas dependen en gran medida de:
• la naturaleza del terreno,
• de la zona de localización,
• de la orientación al interior de la planta,
• de los materiales de construcción disponibles en la región.
Según la construcción y estructura de los almacenes frigoríficos, estos se clasifican en dos tipos:
• Almacenes frigoríficos de construcción clásica,
• Almacenes frigoríficos prefabricados.
9.2 Aislamiento.
La producción de frío es tanto más costosa cuanto más baja es la temperatura; por consiguiente, es indispensable economizar el frío producido protegiendo los locales contra las entradas de calor, está es la principal finalidad del material aislante.
Para que un material sea “aislante”, y por ello mal conductor de calor, hace falta que este material esté formado por un gran número de celdillas cerradas conteniendo aire seco en reposo u otros gases, con un coeficiente de conductividad térmica muy bajo.
Estas consideraciones explican porqué todos los materiales aislantes son ligeros y también el hecho de que el poder aislante varía en función inversa a su peso específico.
Los objetivos del aislamiento son:
• Reducir al mínimo la transmisión de calor del exterior al interior del almacén, este es el objetivo económico del aislamiento,
• Evita consecuencias inconvenientes y molestas de la transmisión de calor: verificación de condensación de vapor de agua del aire, bajo forma líquida o sólida (escarchamiento), contra la cara externa de un pared, inadecuadamente aislada,
• Contribuye, con su resistencia mecánica, a la rigidez de las paredes, constituir el soporte de un revestimiento ligero, reducir la difusión de vapor de agua, obstaculizar la propagación de incendios, etc.
Algunas de las características de trabajo que deben reunir los materiales aislantes son:
• pobres conductores de calor,
• resistentes a los choques y a las manipulaciones,
• deben ser ligeros,
• no ser higroscópicos,
• características aislantes inalterables con el tiempo,
• inodoros,
• no deben ser nocivos a la salud de los operadores,
• deben ser imputrescibles, neutro frente a otros materiales,
• no inflamables, ni explosivos,
• de fácil aplicación,
• disponible en el mercado,
• de precio accesible.
Entre los principales materiales aislantes utilizados en la industria frigorífica, están:
1) Poliestireno expandido (k= 0.028 A 0.030 kcal/hmoC)
2) Poliuretano expandido (k= 0.016 a 0.020 kcal/hmoC).
La mayoría de los almacenes frigoríficos modernos está aislados térmicamente con paneles prefabricados de poliestireno expandido o poliestireno expandido.
9.3 Barrera al vapor.
Puesto que una de las causas por las que un material aislante ve reducida su eficiencia es la presencia de agua, y como la cara caliente y húmeda es la exterior, el vapor de agua tiende a pasar a través del aislamiento, con riesgo de condensación e incluso de formación de hielo (en almacenes de congelación), es necesario proteger los materiales aislantes contra la acumulación de agua y la formación de hielo, de lo contrario, se estropearían rápidamente.
Esto se logra:
a) montando una barrera al vapor (pantalla antivapor) en la cara caliente del material aislante (parte exterior): emulsiones de compuestos asfálticos, hojas flexibles de aluminio o mezcla de ambos,
b) utilizando materiales aislantes estancos por naturaleza, es decir, con celdillas cerradas,
c) recubriendo la cara interna del aislamiento, si ha de protegerse contra los choques, con un revestimiento poroso para favorecer la eliminación del agua hacia el evaporador,
d) evitando o aislando con sumo cuidado los “puentes térmicos”, que son zonas preferentemente de condensación del vapor de agua ambiental.
Figura 7: Esquematización de los componentes del muro frigorífico y perfil de temperaturas a través del mismo.
10. Explotación de los Almacenes Frigoríficos.
Para la explotación de los almacenes frigoríficos se supone el conocimiento de:(7,8)
• las condiciones de almacenamiento de los productos,
• las directrices que se han de seguir para la carga y descarga, su mantenimiento y su conservación en buenas condiciones higiénicas,
• las operaciones de control y mantenimiento del equipo para el enfriamiento.
10.1 Plan de Carga.
El plan de carga prevé superficies reservadas a los productos y otras que han de quedar libres para el manejo interno, para el acceso a los equipos de enfriamiento y para la circulación de aire.
Es útil, además, dibujar y localizar en el suelo el sitio exacto de las estibas, sobre todo si se usan tarimas. La inadecuada colocación de las estibas puede acarrear una pérdida de espacio considerable (baja densidad de almacenamiento); por otro lado, la localización de las estibas permite llevar un libro-registro de almacenamiento.
Cuando el local se destina a almacenar distintos productos, es conveniente agruparlos por categorías o lotes.
10.2 Envases y Embalajes.
La elección de los envases y embalajes ha de hacerse en función a la naturaleza del producto y de las condiciones de temperatura, estiba, transporte, etc.
El envase debe estar concebido de manera que:
• ser de “calidad para alimentos”,
• ser químicamente inerte,
• no retener ni despedir olores,
• favorecer el enfriamiento o congelación,
• ser compatible con el modo de calentamiento utilizado (para la descongelación y la preparación de platillos precocinados congelados),
• ser parcialmente permeable a los gases y vapores,
• sea comercialmente atractivo,
• permita colocar las inscripciones reglamentarias,
• tengan cierta resistencia mecánica a golpes y aplastamiento durante el manejo.
El embalaje que agrupa cierto número de envases, tiene que:
• tener buena resistencia a la compresión,
• tener buena resistencia a los diferentes tipos de esfuerzos a que pueden estar sometidos durante el manejo y transporte,
• tener una longitud y anchura que sean submúltiplos de las dimensiones de las tarimas normalizadas,
• tener una profundidad que esté en función de la resistencia mecánica de los productos que contengan.
10.3 Estiba.
La estiba es uno de los aspectos más importante a la hora de manipular cualquier producto empaquetado. Su altura viene definida por el límite de carga.
El modo de estibamiento depende de las siguientes consideraciones:
• resistencia de los embalajes, hay que señalar que los productos refrigerados son más frágiles que los congelados; si los embalajes van sobre tarimas, la altura máxima de la tarima cargada no ha de ser superior a 1.70 m, si hay peligro de aplastamiento, las tarimas van provistas de convertidores (armazones metálicos que pueden quitarse, situados alrededor de la carga y que transmiten la presión de las tarimas superiores a las inferiores),
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