Diseño de una cámara frigorífica para la conservación de espinacas

Ciencia & Futuro

V. 13. No. 4 diciembre 2023-febrero 2024

ISSN 2306-823X

Recibido: 19 agosto 2023/ Aceptado: 6 noviembre 2023.

Diseño de una cámara frigorífica para la conservación de espinacas

Design of a cold fridge for the preservation of spinach

David Alejandro Reyes Rómulo drromulo@mecanica.ismm.edu.cu

Universidad de Moa (Cuba)

Yenisleidis Tamayo Sánchez yenisleidistamayosanchez@gmail.com

Universidad de Ciencias Médicas de Holguín (Cuba)

Resumen: Se diseñó una cámara frigorífica para la conservación de espinacas con el fin de prolongar las propiedades de esta verdura por un mayor periodo de tiempo. La cámara se pretende ubicar en el Hogar Materno Municipal de Moa para el consumo de las gestantes por el alto contenido de micronuntrientes de esta verdura y la importancia de su consumo por parte de las embarazadas. La refrigeración de la cámara conserva el color, la apariencia, el sabor y el aroma de la verdura extendiendo su utilidad culinaria y sus aportes vitamínicos por un mayor periodo de tiempo.

Palabras claves: cámara refrigerante; conservación de alimentos; conservación de vegetales; sistema de refrigeración; Spinacea Oleracea L.; tratamiento térmico

Abstract: A cold room was designed for the preservation of spinach in order to prolong the properties of this vegetable for a longer period of time. The camera is intended to be located in the Municipal Maternity Home for the consumption of pregnant women due to the high micronutrient content of this vegetable and the importance of its consumption by pregnant women. The refrigeration of the chamber preserves the color, appearance, flavor and aroma of the vegetables, prolonging their culinary usefulness and their vitamin contributions.

Keywords: cooling chamber; food preservation; vegetable preservation; refrigeration system; Spinacea Oleracea L.; heat treatment

Introducción

La refrigeración es el tratamiento de conservación de alimentos más extendido y el más aplicado, tanto en el ámbito doméstico como industrial (Benítez-Cortés et al., 2022). Su aplicación tiene la ventaja de no producir modificaciones en los alimentos. El propósito de la refrigeración es retardar el daño por microorganismos y el deterioro por procesos químicos y físicos (Par, 2017). Los sistemas de refrigeración son de gran utilidad en el sector alimentario, especialmente en la conservación, manipulación y procesamiento de alimentos perecederos (Zamora et al., 2022) que necesitan condiciones de tratamiento, manipulación y conservación (Garrido et al., 2022).

La espinaca (Spinacea Oleracea L) es una planta anual, dioica, de la familia de las amarantáceas, cultivada como verdura por sus hojas comestibles, grandes y de color verde muy oscuro. Es rica en nutrientes y varios antioxidantes. También contiene ácido oxálico por lo que se ha de consumir con moderación. Es un alimento bajo en calorías, con bajo contenido de grasas, relativamente bajo en proteínas y buen aportador de fibra y micronutrientes como vitaminas A, B, C, E y K y minerales, especialmente hierro (Pighín & Rossi, 2010).

Su cultivo se realiza en cualquier época del año y se puede consumir fresca o cocida. En la actualidad es una de las verduras que habitualmente se encuentra helada o congelada.

Hernández et al. (2019) aseguran que la espinaca es un elemento naturalmente rico en folato natural y abordan la importancia de este micronutriente en el embarazo para la prevención de patologías frecuentes como las infecciones, preeclampsia, hemorragia uterina, desprendimiento abrupto de la placenta, retardo del crecimiento intrauterino y prematuridad (Hodgetts et al., 2015). El ácido linolénico (omega 3) se ha reportado también en la espinaca, con grandes beneficios en la reducción del riesgo de enfermedades cardiovasculares, mejora de la función mental, de la vista y efectos anti-inflamatorios (Jackson y Paliyath, 2011; Román et al., 2018).

Los micronutrientes presentan variadas funciones en el cuerpo humano: las vitaminas ayudan al crecimiento y desarrollo y al mantenimiento del sistema inmunológico mientras que los minerales ayudan a la formación ósea, al equilibrio de la tensión arterial y la transmisión de los impulsos nerviosos (Etxebeste, 2023).

Conservar las espinacas para el consumo humano y específicamente para la dieta de las embarazadas del hogar materno contribuirá al equilibrio dietético de las pacientes que, por diversas patologías, se encuentren internadas en este centro asistencial de salud.

Tudela et al. (2013) y Gutiérrez, Casóliba & Rodríguez (2015) señalan que al ser la espinaca altamente perecedera debido a su actividad respiratoria y su elevada pérdida de agua su vida útil es corta permaneciendo fresca menos de tres días a temperatura ambiente y menos de 7 días a 7°C, almacenadas con alta humedad relativa ambiente (Medina et al., 2012).

La temperatura recomendable de conservación es 0 °C, con una humedad relativa de 95 %. En condiciones óptimas, se conserva de 10 a 14 días. Es un producto con baja producción de etileno y altamente susceptible al mismo, el cual se manifiesta a través del amarillamiento de las hojas y aumento de pudriciones (Gutiérrez, Casóliba & Rodríguez, 2015).

Las magnitudes a tener en cuenta para la conservación de la espinaca se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Valores considerados para la conservación de espinacas

Calor latente	71.7 Kcal/Kg
Temperatura congelación	-0,9 °C
Contenido de agua	90,0%
Calor refrigeración	1251(0°C)
Velocidad máx aire	0,30 m/s

El objetivo de este trabajo es diseñar una cámara frigorífica para la conservación de espinacas para el consumo de las gestantes internadas en el Hogar Materno Municipal de Moa.

Materiales y métodos

Dentro de los principales métodos de conservación de los alimentos se encuentran: la conservación por frío, el cual inhibe los agentes alterantes (algunos de forma total y otros de forma parcial) lo que permite su conservación a largo plazo (Par, 2017).

La cámara frigorífica en la cual se han de almacena las espinacas se prevé instalar en el Hogar Materno Municipal de Moa, Holguín, Cuba.

El clima de la zona donde se ha de colocar la cámara es del tipo tropical húmedo, con abundantes lluvias, influenciado por la orografía de la región. Las montañas del grupo Sagua-Baracoa sirven de barrera a los vientos Alisios del noreste, los cuales descargan toda su humedad en forma de abundantes precipitaciones en la parte norte. La distribución de las precipitaciones se caracteriza por dos períodos de lluvia, (mayo-junio) y (septiembre enero) y dos períodos de seca (febrero-abril) y (julio-agosto). La temperatura media anual oscila entre 21,5^oC y 30,41 ^oC (Lezcano Rodríguez, 2018).

Características del producto a conservar

Materiales para la construcción de la cámara frigorífica

La cámara de refrigeración será construida con una estructura de cemento y cubierta con Polyfoam, un excelente aislante térmico, también conocido como poliestireno extruido (XPS).

El XPS es un aislante térmico compuesto por una espuma rígida, de carácter termoplástico y de estructura celular cerrada que se obtiene a partir de la extrusión del poliestireno (PS). Es considerado uno de los mejores productos para el aislamiento por el exterior dada su elevada durabilidad. Entre sus propiedades se destacan su resistencia mecánica y que es un producto reciclable y reutilizable al 100% (Palomares, García & Arnal, 2022). Normalmente se sirve machihembrado, en planchas y con espesores típicos de 40/50/60/80 mm. Posee una conductividad térmica típica entre 0,025 W/mk y 0,040 W/mk. Presenta una baja absorción de agua y unas prestaciones mecánicas muy altas. Tiene una densidad operante entre 30 y 33 kg/m³.

Las placas de Polyfoam tendrán un espesor de 30, 40, 50 y 60 mm de espesor. La conductividad térmica (λ) del material es de 0,0340 (W/mK).

Las verduras se guardarán en cajas de cartón con medidas de 600 mm de largo, 400 mm de ancho y 500 mm de alto, con un peso de 0,7 kg cada una y un calor específico de 0,30 Kcal/Kg^°C, colocadas en estibas de 3.

Características físicas de la cámara

Volumen de la cámara: Vc = 36 m³

Cantidad de espinacas por cajas: Mpcj = 18 Kg

Cantidad de cajas: Ncj = 162

Masa de producto que entra a la cámara: Mp = 2,91T

Carga de transmisión de calor: Te = 305,15K

Humedad específica exterior: We = 0,025 Kgua/Kgas

Temperatura de la cámara: Tc = 267,25 K

Coeficiente global de transferencia de calor (NC): k(NC)= 0,407 W/(m²K)

Coeficiente de conductividad térmica: λct = 0,0340 W/(mK)

Espesor del aislante requerido: δN = 90 mm (40+50).

Dimensiones exteriores de la cámara:

Lec = Lc + δN = 6 + 0,09 = 6,09 m

Aec = Ac + δN = 3 + 0,09 = 3,09 m

Hec = Hc + δN = 2 + 0,09 = 2,09 m

Dónde:

Lec: Longitud exterior de la cámara

Lc: Largo de la cámara

Ac: Ancho de la cámara

Aec: Ancho exterior de la cámara

Hc: Alto de la cámara

Hec: Altura exterior de la cámara

Área exterior de la cámara

Sec = 76,0086 m²

Qa = 28 138,930 Kcal

Dónde:

Qa: Carga sensible

Coeficiente global de transferencia de calor: Ktc = 0,377 W/(m²k)

Humedad específica interior: Wc = 0,004

Infiltración promedio del aire exterior (Qv) a menos de 0°C en cambios por 24 h

Potencia frigorífica NR = 11,9 W

Qv = 113 903,76 Kcal/h

Enfriamiento del producto a temperatura inferior a su temperatura de congelación:

Tep = 296,15 K

Carga de enfriamiento del producto de su temperatura de entrada en la cámara hasta su temperatura de congelación:

Qp1 = 63,985 Kcal/24h

Carga latente de solidificación o congelación del producto:

Qcg = 208,647 Kcal/24h

Carga de enfriamiento del producto desde su temperatura de congelación hasta la temperatura de la cámara:

Qp2 = 7,420 Kcal/24h

Qp = 980,045 Kcal/24h

Carga de respiración de frutas y vegetales:

Qresp =187 369,84 Kcal/24h

Carga de personas:

Qper = 4 384 Kcal

Carga del equipo eléctrico:

Qeq = 1 765,583 Kcal

Carga diaria total:

QdT = 308 403,228 Kcal

Carga horaria:

CH = 212022, 721925 Kcal/h

CH = 24,642274 kW

TR = 7,000646023

Volumen de la cámara: Vc = Lc×Ac×Hc

Vc = 36 mᶟ

Cantidad de espinacas por cajas: Mpcj = 18 Kg

Cantidad de cajas: Ncaja = 162

Masa de producto que entra a la cámara:

Mp = Mpcj×Ncaja

Mp = 18 Kg×162 = 2,91T

Temperatura del aire exterior

Carga de transmisión de calor:

Te = 32°C+273,15K= 305,15K

Humedad específica exterior:

We = 0,025 Kgua/Kgas

Temperatura de la cámara:

Tc = Tcg-5 K

Tc = 267,25 K

Coeficiente global de transferencia de calor (NC):

k(NC) = 0,407 W/(m²K)

Coeficiente de conductividad térmica:

λct = 0,0340 W/(mK)

Espesor del aislante requerido:

δ c = λct/kNC

δ c = 83,5 mm

δN = 90 mm

Área exterior de la cámara:

Sec = 2(Lec× Aec + Lec×Hec + Aec×Hec)

Sec = 76,0086 m²

Qa = Sec×kNC (Te-Tc)×24 h

Qa = 28 138,930 Kcal

Coeficiente global de transferencia de calor:

Ktc = λct/δ

Ktc = 0,377 W/(m²k)

Carga de infiltración:

Humedad específica interior: Wc = 0,004

Infiltración promedio del aire exterior a menos de 0°C en cambios por 24 h

NR = 11,9

Qsv = ×Vc×NR (Te-Tc) = 0,29×36×11,9(305,15K-267,25K) = 4 739,60 kcal

Qv = (Qsv+Qlv)×24h = (4 739,60 kcal + 6,387 Kcal)×24h = 113 903,76 Kcal/h

Enfriamiento del producto a temperatura inferior a su temperatura de congelación

Temperatura de entrada del producto:

Tep = 23°C + 273,15 K = 296,15 K

Carga de enfriamiento del producto de su temperatura de entrada en la cámara hasta su temperatura de congelación:

Qp1 = mp×Cps(Tep-Tcg)

Tcg = -0,9+273,25 K = 272,25 K

Qp1 = 2,91×0,92(296,15 K - 272,25 K)

Qp1 = 63,985 Kcal/24h

Carga latente de solidificación o congelación del producto:

Qcg = mp×hlcg

Qcg = 208,647 Kcal/24h

Carga de enfriamiento del producto desde su temperatura de congelación hasta la temperatura de la cámara:

Qp2 = mp×Cps(Tcg-Te)

Qp2 = 2,91×0,51(272,25 K - 267,25 K)

Qp2 = 7,420 Kcal/24h

Qp = Qp1 + Qcg + Qp2

Qp = 63,985 + 208,647 + 7,420

Qp = 980,045 Kcal/24h

Carga de respiración de frutas y vegetales:

Qresp = mp×Cresp×24h

Qresp = 369,84 Kcal/24h

Carga de personas:

Calor disipado por las personas: Cper = 274Kcal/h

Cantidad de personas: Nper = 2

Tiempo de permanencia de las personas:

Tper = 8 h

Qper = Nper × Cper × tper

Qper = 4 384 Kcal

Carga del equipo eléctrico:

Potencia el motor: Nmotor = 90 W

Tiempo de funcionamiento:

tmotor = 18 h

tiluminación = 8 h

Potencia luminaria:

Nlum = 54 W

Qmotor = Nmotor × tmotor = 90 W × 18 h = 1 393,881 Kcal

Qlum = Nlum × tlum = 54 W × 8 h = 371,702 Kcal

Qeq = Qmotor + Qlum = 1 393,881 Kcal + 371,702 Kcal

Qeq = 1 765,583 Kcal

Carga diaria total:

QdT = Qv + Qp + Qresp +Qper + Qeq

QdT = 308 403,228 Kcal

Carga horaria

CH = 24,642274

El tiempo máximo de almacenamiento de las espinacas en la cámara frigorífica debe ser de 14 días, conservadas con una humedad relativa inicial de 95 % con una variación de 90-95 %. La temperatura inicial de conservación en la cámara será de 0°C con variaciones hasta 0,2 °C.

Este diseño de cámara puede resultar útil para la preservación de espinacas a consumir por las gestantes y puede ser una opción viable por su sencillo diseño y su funcionalidad práctica. El tratamiento térmico, permitirá mantener en óptimas condiciones las espinacas a consumir.

Conclusiones

Se estima que con la refrigeración en la cámara frigorífica las espinacas mantengas sus contenidos vitamínicos y nutricionales para el consumo de las gestantes internadas en el hogar materno de Moa.

El almacenamiento en refrigeración prolonga las características de las hojas de espinacas para su posterior consumo por un promedio de entre 10 y 14 días.

La refrigeración en la cámara frigorífica conserva los atributos de calidad dentro del rango de aceptación para los consumidores.

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