Tehnici de procesare termică - procesarea cu microunde

Microundele sunt radiaţii electromagnetice cu frecvenţă ridicată, variind de la 300 MHz la 300 GHz şi lungimi de undă cuprinse între l m si l mm, situate aşadar printre undele radio, a căror existenţă a fost mai întâi presupusă matematic de Maxwell, apoi verificată experimental în 1885 de către Hertz.

La puţin timp după război, Percy Spencer de la compania Raytheon a descoperit posibilitatea încălzirii alimentelor folosind căldura generată de o antenă radar. Descoperirea sa s-a concretizat în apariţia primelor patente, respectiv a primelor cuptoare cu microunde, cât şi în iniţierea studiilor asupra alimentelor care pot fi supuse tratării cu microunde. Spencer a proiectat şi primul cuptor cu microunde cu funcţionare continuă, dar adevărata dezvoltare a instalaţiilor continue se datorează companiei Cryodry care a început să le construiască în 1962.

Primul procedeu reuşit de prelucrare cu microunde a fost uscarea cartofilor prăjiţi „chips”.Reuşita procedeului a impulsionat dezvoltarea altor procedee, printre care: prelucrarea cărnii de pasăre, costiţei (bacon), pateurilor din carne, salamului, uscarea pastelor făinoase, legumelor, alimentelor tip snack, concentratelor pentru sucuri, condimentelor, temperarea cărnii, peştelui şi untului, dospirea gogoşilor şi a pâinii, prăjirea gogoşilor, pasteurizarea pâinii, a sucurilor de fructe.

Astfel în 1992, în întreaga lume existau circa 500 instalaţii industriale de procesare cu microunde. Cauzele lentei dezvoltări a procesării industriale cu microunde sunt asociate costurilor şi lipsei informaţiilor tehnologice în domeniu. Datorită avantajelor pe care le oferă în comparaţie cu metodele convenţionale, procesarea cu microunde se poate aplica în multe direcţii în prelucrarea alimentelor.

Datorită dezvoltării utilizărilor posibile, şi în consecinţă a riscului de interferare cu comunicaţiile, s-a stabilit o convenţie internatională care a definit frecventele utilizabile în domeniul industrial, ştiinţific şi medical. Aceste frecvente sunt redate în tabelul 1.

Tabelul 1 Frecvenţele rezervate pentru utilizarea industrială a microundelor

Frecvenţa, , MHz

915

2450

5800

24125

Lungimea de unda, λ, cm 32,8 12,2 5,2 1,24

Principiile tratamentului cu microunde

Microundele sunt generate de un dispozitiv electronic numit magnetron. Acesta emite energie radiantă de înalta frecvenţă, cu centri de încărcare pozitivă şi negativă care îşi schimbă direcţia de miliarde de ori pe secundă. Energia este transmisă în incinta cuptorului printr-un tub, numit ghid de unde, cu ajutorul unei antene, în mod asemanător modului de funcţionare a radarului. Spatiul închis constituit de pereţii metalici ai incintei cuptorului serveşte la reflectarea microundelor şi crearea unui sistem de rezonanţă. Produsul alimentar cu sau fără ambalaj situat în incinta cuptorului cu microunde va capta energia câmpului de microunde.

Microundele pot fi absorbite, transmise si reflectate. Astfel ele traversează aerul, sticla, materiale plastice, porţelanul, ceramica şi hârtia. Totuşi unele materiale sunt numai marţial transparente pentru microunde. Apa, proteinele, glucidele, lipidele, deci produsele alimentare în general, absorb energia câmpului de microunde în proporţie de peste 50 %, restul fiind energie transmisă sau reflectata, în funcţie de frecvenţa câmpului. Încalzirea cu microunde este deci rezultatul interactiunii dintre constituenţii alimentelor şi câmpul electromagnetic care îşi schimbă foarte repede polaritatea.

Un material, în particular un aliment, are sarcini electrice succeptibile a se deplasa sub influenţa câmpului electric al microundelor. Exista doua tipuri de sarcini: libere si legate.

Sarcinile libere se deplaseaza în material si produc astfel fenomenul de conductie ionica. În realitate, ele nu sunt complet libere si pentru a se deplasa intra în coliziune cu particule mai putin mobile, în particular cu particule neutre.

Frecventa socurilor transforma energia electrica a undei într-o multitudine de energii cinetice slabe si dezordonate care formeaza energia termica. O parte din aceasta energie difuzeaza în mediul înconjurator, alta joaca un rol de acumulator de energie, determinat de capacitatea termica masica a produsului.

Sarcinile legate sunt organizate în dipoli neutri, în ansamblu, dar care se pot deplasa sub actiunea câmpului electric într-o miscare de rotatie. În absenta câmpului, sarcina legata revine la starea initiala, astfel ca miscarea este asemanatoare celei a unui oscilator excitat. Schimbul de energie acumulata în decursul deplasarii si apoi redata câmpului în timpul revenirii la starea de echilibru explica propagarea undei ca un fenomen de elasticitate. Acest fenomen nu exista în corpurile dielectrice perfecte.

Dintre constituentii visinelor, apa, proteinele si glucidele sunt printre moleculele polare care se orienteaza într-un câmp electric de microunde. Generarea instantanee de caldura, produsa de frecarea moleculara la schimbarea modului de orientare a centrilor de sarcina a moleculelor dipolare, care este datorata actiunii alternative a câmpului de microunde, este accentuata de migrarea electroforetica a ionilor de saruri. Deci, în cazul alimentelor, cele doua fenomene numite conductie ionica si rotatia dipolului, se produc simultan.

Microundele penetreaza materialul dielectric constituit de produsul alimentar (cu ambalajul său), iar prin cele doua mecanisme prezentate mai sus se produce caldura, care este apoi difuzata spre suprafata. Din aceasta cauza, temperatura suprafetei va avea o valoare mai mica decât interiorul produsului . Realizarea încalzirii va depinde de adâncimea de penetrare a microundelor. Astfel, la 915 MHz, microundele patrund în produse pâna la 30 cm, iar la 2450 MHz pâna la 10 cm.

Factorii care influentează încalzirea cu microunde

Încalzirea cu microunde este influentata de o serie de proprietati ale materialului supus încalzirii proprietati ale instalatiei, respectiv sursei de microunde şi proprietati ale ambalajului utilizat.

Proprietăţile produsului alimentar supus încălzirii

Produsul alimentar supus tratamentului cu microunde va influenţa procesul printr-o multitudine de proprietăţi care pot fi grupate în proprietăţi dielectrice, proprietăţi fizice şi proprietăţi termice.

- Proprietăţile dielectrice ale alimentelor

Proprietăţile dielectrice ale materialelor biologice şi ale alimentelor, pot fi exprimate în termeni ai permitivităţii complexe a acestor materiale:

ε* = ε, - jε”

în care: ε* - permitivitatea complexă, F/m;

ε, - constanta dielectrica, F/m;

j - coeficientul partii imaginare a unui numar complex.

Constanta dielectrică este o masura a încalzirii si patrunderii microundelor. Ea masoara distanta dintre sarcinile electrice dintr-o molecula si scade cu cresterea temperaturii. Constanta dielectrica reprezinta capacitatea unui material de a înmagazina energie electrica.