Refrigerazione

Obiettivi della conservazione degli alimenti

Stabilizzazione e solidificazione (cristallizzazione/vetrificazione) sono processi chiave per la conservazione degli alimenti. La refrigerazione consente di preservare la qualità degli alimenti (organolettica, nutrizionale e sicurezza) per diversi giorni, rallentando i fenomeni di decadimento. Infatti, le basse temperature di refrigerazione riducono la velocità di crescita microbica (patogeni e alterativi) e delle reazioni enzimatiche che possono avvenire normalmente all'interno dello stesso.

Il congelamento permette di preservare la qualità degli alimenti per diversi mesi, inibendo i fenomeni di deperimento. Le basse temperature di congelamento bloccano la crescita microbica e le reazioni enzimatiche. Rispetto alla refrigerazione, il congelamento presenta un vantaggio e uno svantaggio: inibisce totalmente la crescita microbica e l'attività degli enzimi presenti nell'alimento (maggiore shelf-life), ma porta alla formazione di macrocristalli di ghiaccio che possono provocare la rottura delle strutture cellulari, con conseguente peggioramento della qualità dell'alimento dal punto di vista nutrizionale e sensoriale.

Surgelamento

Attualmente, il metodo di conservazione più sicuro è il surgelamento, che consiste nel congelare rapidamente l'alimento fino a raggiungere una temperatura a cuore del prodotto pari o inferiore a -18°C. Ciò conferisce i benefici del congelamento, cioè l'arresto totale dello sviluppo microbico e dell'attività enzimatica, e permette il mantenimento ottimale della qualità organolettica e nutrizionale grazie alla formazione di microcristalli che non danneggiano le strutture cellulari dell'alimento.

Macchina frigorifera a compressione di vapore

Il processo di raffreddamento avviene grazie all'impiego di sistemi di refrigerazione meccanica. Un sistema di refrigerazione meccanica è una macchina che, utilizzando una potenza meccanica, assorbe una potenza termica da una sorgente a bassa temperatura e cede la potenza termica a una sorgente ad alta temperatura. Il trasferimento di calore avviene tramite un refrigerante che assorbendo calore cambia stato da liquido a vapore.

I refrigeranti utilizzati hanno un punto di ebollizione più basso di quello dell'acqua, ad esempio l'ammoniaca, comunemente utilizzata, ha un punto di ebollizione di -33°C. Poiché i refrigeranti sono costosi, devono poter essere riutilizzati. La macchina frigorifera deve permettere la raccolta del refrigerante allo stato gassoso e la sua riconversione allo stato liquido, grazie all'uso di macchine frigorifere a compressione di vapore, all'interno delle quali il refrigerante circola in un circuito chiuso.

Componenti del circuito di refrigerazione

• Compressore: Fornisce potenza meccanica al refrigerante, aumentando la pressione e la temperatura del vapore.
• Condensatore: Il refrigerante condensa cedendo calore alla sorgente ad alta temperatura e ritorna allo stato liquido.
• Valvola di espansione: Controlla il flusso del refrigerante, causando una caduta di pressione e temperatura.
• Evaporatore: Il refrigerante evapora sottraendo calore alla sorgente a bassa temperatura.

Valvola di espansione: La valvola di espansione è una valvola di regolazione che controlla il flusso del refrigerante. Essa separa la regione del sistema ad alta pressione da quella a bassa pressione, e provoca una riduzione di pressione, trasformando parte del refrigerante liquido in gas (flashing). La miscela liquido-vapore che ne risulta è chiamata "flash gas".

Evaporatore: La miscela liquido-vapore entra nell'evaporatore, dove il refrigerante evapora sottraendo calore alla sorgente a bassa temperatura e si converte in vapore saturo secco o vapore surriscaldato, favorendo il trasferimento di calore dal gradiente di temperatura.

Compressore: I vapori raggiungono il compressore, che fornisce potenza meccanica al refrigerante, aumentando la pressione e la temperatura, con il refrigerante sotto forma di vapore surriscaldato.

Condensatore: I vapori surriscaldati vengono convogliati al condensatore, dove il refrigerante condensa e cede calore alla sorgente ad alta temperatura, ritornando allo stato liquido. Dopo la condensazione, la temperatura può abbassarsi, permettendo al liquido di essere sottoraffreddato prima di entrare nella valvola di espansione.

Trasformazioni termodinamiche del fluido frigogeno

Andremo a rappresentare il ciclo di refrigerazione, descrivendo le trasformazioni termodinamiche a cui è sottoposto il refrigerante nel diagramma pressione/entalpia.

• Evaporazione: Il refrigerante, sotto forma di miscela liquido-vapore, evapora sottraendo calore alla sorgente a bassa temperatura, convertendosi in vapore saturo secco.
• Compressione: Il vapore saturo secco viene compresso, aumentando pressione e temperatura, e convertendosi in vapore surriscaldato.
• Condensazione: Il vapore surriscaldato condensa cedendo calore, si converte in liquido saturo, e infine viene sottoraffreddato.
• Valvola di espansione: Il liquido saturo subisce una caduta di pressione e temperatura, con parte del liquido che diventa gas.

Nelle applicazioni reali, possono verificarsi variazioni del ciclo ideale descritto. Ad esempio, per evitare che un refrigerante allo stato liquido entri nel compressore, viene convertito completamente allo stato di vapore saturo prima dell'uscita dell'evaporatore, e se il vapore è ancora nel fascio tubiero, viene surriscaldato dall'ambiente, trovandosi così in forma di vapore surriscaldato.