procesarea cu microunde 1

4. TEHNICI DE PROCESARE TERMICĂ 4.1. Procesarea cu microunde Microundele sunt radiaţii electromagnetice de frecvenţă ridicată, variind de la 300 MHz la 300 GHz şi lungimi de undă cuprinse între l m şi 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. Necesitatea de a emite unde cu lungimi din ce în ce mai scurte, pentru a obţine o rezoluţie mai bună a imaginilor reflectate, a dus la dezvoltarea radarului în timpul celui de-al doilea război mondial, aparat considerat a fi strămoşul cuptoarelor cu microunde. Apoi 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. În anii ce au urmat, mari companii au investit mulţi bani şi forţă de muncă pentru a promova acest nou mijloc de prelucrare considerat "magic". Primul procedeu reuşit de prelucrare cu microunde a fost uscarea cartofilor prăjiţi "chips". Reuşita procedeului a impulsionat dezvoltarea multor altor procedee, printre care prelucrarea cărnii de pasăre, costiţei (bacon), pateurilor din carne, salamurilor, 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, etc. Cu toate acestea procesarea industrială cu microunde nu a atins speranţele 1

anilor ‘60 şi ‘70. Astfel în 1992, în întreaga lume existau circa 500 instalaţii industriale de procesare cu microunde. Acest număr este mic în comparaţie cu succesul cuptoarelor cu microunde casnice, care, îndeosebi în SUA, concurează cu frigiderele la volumul de vânzări. Cauzele lentei dezvoltări a procesării industriale cu microunde sunt asociate costurilor şi lipsei informaţiilor tehnologice în domeniu. Totuşi, datorită avantajelor pe care le oferă în comparaţie cu metodele convenţionale, procesarea cu microunde se poate aplica în multe alte direcţii în prelucrarea alimentelor. Datorită dezvoltării utilizărilor posibile, şi în consecinţă a riscului de interferare cu comunicaţiile, s-a stabilit o convenţie internaţională care a definit frecvenţele utilizabile în domeniul industrial, ştiinţific şi medical. Pentru aplicaţii industriale se foloseşte în general frecvenţa de 2450 MHz, iar frecvenţa de 915 MHz se foloseşte în special în America de Nord şi de Sud. În Marea Britanie se utilizează frecvenţa de 897 MHz întrucât frecvenţa de 915 MHz este alocată emisiunilor de televiziune. Pentru celelalte două frecvenţe: 5800 şi 24125 MHz costurile energetice sunt deosebit de ridicate.

4.1.1. Principiile tratamentului cu microunde

Microundele sunt generate de un dispozitiv electronic numit magnetron. Acesta emite energie radiantă de înaltă frecvenţă, cu centre 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 asemănător modului de funcţionare a radarului. Spaţiul 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 şi reflectate. Astfel ele 2

traversează aerul, sticla, materialele plastice, porţelanul, ceramica şi hârtia. Totuşi unele materiale sunt numai parţial transparente pentru microunde. Metalele, ca de exemplu folia de aluminiu şi oţelul, reflectă microundele. Apa, proteinele, glucidele, lipidele, etc., deci produsele alimentare în general, absorb energia câmpului de microunde în proporţie de peste 50%, restul fiind energie transmisă sau reflectată, în funcţie de frecvenţa câmpului. Încălzirea cu microunde este deci rezultatul interacţiunii dintre constituenţii alimentelor şi câmpul electromagnetic care îşi schimbă foarte repede polaritatea. Un material, în particular un aliment, are sarcini electrice susceptibile a se deplasa sub influenţa câmpului electric al microundelor. Există două tipuri de sarcini: libere şi legate. Sarcinile libere se deplasează în material şi produc astfel fenomenul de conducţie ionică. În realitate ele nu sunt complet libere şi pentru a se deplasa intră în coliziune cu particule mai puţin mobile, în particular cu particule neutre. Frecvenţa şocurilor transformă energia electrică a undei într-o multitudine de energii cinetice slabe şi dezordonate care formează energia termică. O parte din această energie difuzează în mediul înconjurător, alta joacă un rol de acumulator de energie, determinat de capacitatea termică masică a produsului. Sarcinile legate sunt organizate în dipoli neutri, în ansamblu, dar care se pot deplasa sub acţiunea câmpului electric într-o mişcare de rotaţie. În absenţa câmpului sarcina legată revine la starea iniţială, astfel că mişcarea este asemănătoare celei a unui oscilator excitat. Schimbul de energie acumulată în decursul deplasării şi apoi redată câmpului în timpul revenirii la starea de echilibru explică propagarea undei ca un fenomen de elasticitate. Acest fenomen nu există în corpurile dielectrice perfecte. Dintre constituenţii alimentelor, apa, proteinele şi glucidele sunt printre moleculele polare care se orientează într-un câmp electric de microunde. Generarea instantanee de căldură, produsă de frecarea moleculară la schimbarea modului de orientare a centrilor de sarcină a moleculelor dipol, care este 3

datorată acţiunii alternative a câmpului de microunde, este accentuată de migrarea electroforetică a ionilor de săruri. Deci în cazul alimentelor, cele două fenomene numite conducţie ionică şi rotaţia dipolului, se produc simultan. Prin urmare încălzirea cu microunde este o încălzire de volum. Aceasta se poate explica prin însăşi modul de producere a încălzirii. Microundele penetrează materialul dielectric constituit de produsul alimentar (cu ambalajul său), iar prin cele două mecanisme prezentate mai sus se produce căldură, care este apoi difuzată spre suprafaţă. Din această cauză temperatura suprafeţei va avea o valoare mai mică decât interiorul produsului. Realizarea încălzirii va depinde de adâncimea de penetrare a microundelor. Astfel la 915 MHz microundele pătrund produsele alimentare până la 30 cm, iar la 2450 MHz până la 10 cm. 4.1.2. Factorii care influenţează încălzirea cu microunde Încălzirea cu microunde este influenţată de o serie de proprietăţi ale materialului supus încălzirii, proprietăţi ale instalaţiei respectiv sursei de microunde şi proprietăţi ale ambalajului utilizat. 4.1.2.1. 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 Constanta dielectrică este o măsură a încălzirii şi pătrunderii microundelor. Ea măsoară distanţa între sarcinile electrice dintr-o moleculă şi scade cu creşterea temperaturii. Constanta dielectrică, deci, reprezintă capacitatea unui material de a înmagazina energie electrică. 4

Factorul de pierdere dielectric este componenta părţii imaginare a permitivităţii complexe. El este o măsură a capacităţii unui material de a disipa energie electrică. Alimentele cu factori de pierdere mari sunt încălzite mult mai repede cu microunde. Tangenta la pierdere este raportul între factorul de pierdere şi constanta dielectrică. Ea este legată de capacitatea materialului de a fi penetrat de un câmp electric şi de a disipa energia electrică sub formă de căldură. Proprietăţile dielectrice ale alimentelor variază cu temperatura şi frecvenţa la care se realizează procesul. În multe situaţii proprietăţile dielectrice ale alimentelor şi altor materiale biologice sunt dependente de conţinutul de umiditate şi sare. Astfel microundele au o adâncime de penetrare mai mică în alimentele cu conţinut mai mare de umiditate şi sare.  Proprietăţile fizice şi termice ale alimentelor Forma şi mărimea produsului, densitatea, aria suprafeţei, conţinutul de umiditate, conductivitatea electrică şi termică, temperatura, capacitatea termică masică sunt proprietăţi fizice şi termice care determină adâncimea de penetrare a microundelor, viteza de încălzire şi transferul de căldură, deci procesul de prelucrare cu microunde în general. Forma produsului supus încălzirii are o influenţă considerabilă asupra încălzirii cu microunde deoarece acestea străpung alimentele din toate părţile. Cu cât forma este mai regulată, cu atât încălzirea este mai uniformă. Formele cu margini ascuţite şi colţuri trebuie evitate întrucât acestea vor tinde spre supraîncălzire. Forma rotundă este mai bună decât cea pătrată, iar sfera şi torul sunt forme ideale pentru încălzirea cu microunde, urmate de forma cilindrică. Astfel, la o frecvenţă de 2450 MHz încălzirea poate fi realizată în sfere cu diametrul cuprins între 20 şi 60 mm. Pentru forme cilindrice, centrul maxim de încălzire este atins la diametre cuprinse între 20 şi 35 mm. Aria suprafeţei. Ca şi în încălzirea convenţională, încălzirea cu microunde este mai rapidă în alimentele cu o arie a suprafeţei mai mare. Alimentele cu un 5

raport suprafaţă pe volum mai mare se încălzesc mai repede şi de asemenea se răcesc mai repede. Răcirea cu evaporare la suprafaţă este mai evidentă în cazul alimentelor supuse tratamentului cu microunde datorită lipsei radiaţiei de căldură în jurul suprafeţei alimentului. Densitatea unui produs influenţează constanta dielectrică a acestuia. Constanta dielectrică a aerului este l, aerul fiind complet transparent pentru microunde la frecvenţele industriale utilizate. Incluziunile de aer într-un material vor contribui la reducerea constantei dielectrice a acestuia. De aceea, dacă densitatea unui material creşte, şi constanta sa dielectrică va creşte, adesea într-o variaţie liniară. Materialele foarte poroase, cum ar fi aluaturile pentru pâine, sunt bune izolatoare datorită porilor cu gaze, şi devin şi mai bune izolatoare dacă sunt coapte întrucât la coacere densitatea lor scade. Astfel transferul de căldură în aceste materiale este foarte dificil şi încet în cazul încălzirii convenţionale. În cazul procesării cu microunde, în schimb, microundele pătrund adânc şi sunt capabile să coacă pâinea în o treime sau mai puţin din durata de coacere convenţională. Mărimea. Dacă mărimea fiecărei piese individuale este foarte mare în comparaţie cu lungimea de undă şi, mult mai important, cu adâncimea de penetrare, încălzirea nu va fi uniformă. În alte cazuri în care mărimea produsului este apropiată de lungimea de undă, temperatura poate fi foarte mare în centrul produsului. În cazul produselor mari se poate realiza încălzirea la o frecvenţă de 915 MHz, întrucât la această frecvenţă adâncimea de penetrare a microundelor poate compensa mărimea produselor. Când este posibilă alegerea mărimii produsului, ea trebuie să fie menţinută la valori mici şi comparabilă cu lungimea de undă. Masa produsului. În tratarea acestui factor există două considerente: cantitatea totală ce este încălzită în acelaşi timp şi masa unei bucăţi individuale. Ultima a fost tratată mai sus din punctul de vedere al formei geometrice şi densităţii, în privinţa întregii cantităţi de produs supusă încălzirii există o relaţie 6

directă între aceasta şi cantitatea de putere a sursei de microunde necesară pentru a obţine încălzirea dorită. Astfel când cantitatea totală este mică, ea poate fi cel mai bine prelucrată în şarje în cuptorul cu microunde, în timp ce cantităţi mai mari se prelucrează mai bine în instalaţii continue cu bandă transportoare. Cantitatea totală de produs ce poate fi prelucrată în unitatea de timp poate fi influenţată de costul total al instalaţiei, iar pentru o instalaţie anume, de grosimea stratului de material pe banda transportoare. Această grosime nu trebuie să depăşească 90 până la 120 mm pentru ca încălzirea să fie uniformă. Conţinutul de umiditate. Apa este de obicei principalul factor ce influenţează absorbţia energiei câmpului de microunde de către alimente. Cu cât este prezentă mai multă apă, cu atât este mai mare factorul de pierdere dielectric, deci cu atât mai bună este încălzirea. Totuşi un produs cu un conţinut mai mic de umiditate poate fi de asemenea încălzit bine, întrucât capacitatea termică masică scade. La un conţinut de umiditate mic apa este legată şi nu liberă, pentru a fi afectată de câmpul de microunde ce alternează cu repeziciune. Când conţinutul de umiditate este mai mare decât cel critic, factorul de pierdere creşte şi produsul devine mai receptiv la încălzirea cu microunde. În general: •

cu cât este mai mare conţinutul de umiditate, cu atât mai mare este

constanta dielectrică; •

factorul de pierdere creşte de obicei cu creşterea conţinutului de

umiditate, dar la o valoare de circa 20 - 30% se nivelează, iar la concentraţii mai mari de umiditate scade; •

valoarea constantei dielectrice a unui amestec se află de obicei între

valorile constantelor dielectrice ale componentelor sale. Temperatura materialului influenţează încălzirea cu microunde în câteva moduri: a) Pierderea în dielectric poate creşte sau descreşte cu temperatura în funcţie de material. Întrucât temperatura şi conţinutul de umiditate se schimbă 7

pe parcursul încălzirii, ele pot avea un efect profund asupra proprietăţilor dielectrice

ale produselor şi este important să se ştie că există relaţii

fundamentale între aceşti parametri în orice material. b) În cazul produselor congelate capacitatea de încălzire a materialului este mult influenţată de proprietăţile dielectrice ale gheţii, foarte diferite de ale apei. Apa are o capacitate mare de absorbţie a microundelor şi se încălzeşte bine. În schimb gheaţa este transparentă şi nu se încălzeşte bine deloc. Acesta este motivul pentru care temperarea, adică aducerea produsului congelat până aproape de punctul de decongelare, se preferă decongelării. Decongelarea cu microunde este evitată deoarece o parte a produsului se încălzeşte foarte mult datorită absorbţiei microundelor de către apa rezultată din topirea gheţii, în timp ce restul este încă îngheţat. c) Temperatura iniţială a produselor alimentare supuse încălzirii cu microunde trebuie să fie controlată sau cunoscută ca să se poată regla puterea sursei de microunde pentru a obţine temperaturi finale uniforme. De exemplu dacă o instalaţie este reglată să încălzească un produs de la 25°C la 80°C dar temperatura iniţială a produsului supus operaţiei este de 15°C, acesta va fi încălzit doar până la 75 °C dacă nu se modifică puterea generatorului de microunde. Conductivitatea electrică reprezintă capacitatea unui material de a conduce curentul electric prin deplasarea electronilor şi ionilor. Deşi rotaţia dipolului este mijlocul de generare a căldurii cel mai frecvent discutat, conducţia ionică joacă un rol important în multe cazuri, în special în prelucrarea alimentelor. Folosirea conducţiei ionice trebuie făcută cu discernământ deoarece afectează adâncimea de penetrare a microundelor, producând o încălzire mai intensă spre suprafaţă şi lăsând interiorul mult mai rece. Astfel procentul de sare trebuie controlat cu atenţie în produsele cu carne, cum sunt pateurile cu carne, întrucât sarea poate produce sinereză şi fluidul de la suprafaţă va concentra 8

sarea şi va contribui la încălzirea neuniformă. Conductivitatea termică poate avea un efect important la încălzirea cu microunde pentru o durată mai lungă sau la încălzirea materialelor cu grosime mai mare decât adâncimea de penetrare a microundelor, situaţie în care încălzirea în interiorul produsului nu este uniformă. Dacă timpul de încălzire este scurt conductivitatea termică va juca un rol secundar. Capacitatea termică masică este un parametru adesea neglijat, deşi fiind strâns legat de conţinutul de umiditate al produselor are o influenţă considerabilă asupra încălzirii cu microunde. Ea poate face ca un produs cu un factor de pierdere relativ scăzut să se încălzească bine într-un câmp de microunde. Un exemplu este încălzirea grăsimilor şi uleiurilor. Capacitatea termică masică a uleiului comestibil este 2000 J/(kgK) în timp ce a apei este 4180 J/(kgK). La prima vedere se poate prezice că uleiul nu se va încălzi bine într-un cuptor cu microunde, dar în realitate el se încălzeşte mult mai repede decât apa datorită capacităţii termice masice mai mici. Controlul capacităţii termice masice este un instrument important în prelucrarea cu succes a produselor alimentare cu microunde, în special a celor multicomponente. 4.1.2.2. Proprietăţile sursei de microunde Încălzirea cu microunde este influenţată şi de proprietăţile instalaţiei, îndeosebi ale sursei de microunde. Impactul fiecăreia dintre aceste proprietăţi trebuie să fie luat în considerare la proiectarea unui procedeu de prelucrare. Frecvenţa. Cele două frecvenţe utilizate în procesarea industrială sunt 915 MHz şi 2450 MHz. Lungimile lor de undă în aer sunt 32,8 cm respectiv 12,2 cm. Frecventa influenţează adâncimea de penetrare a microundelor într-un produs. De exemplu adâncimea de penetrare în apă este de circa 2,3 cm la 2450 MHz şi 20 cm la 915 MHz. Alegerea frecvenţei sursei de microunde este 9

importantă deoarece este legată de mărimea produsului ce urmează a fi încălzit. În general materialele foarte mari cum sunt blocurile de peşte congelat supuse temperării pot fi prelucrate mai bine la 915 MHz, în timp ce coacerea pateurilor cu came este favorizată la 2450 MHz. Frecvenţa afectează şi proprietăţile dielectrice. De exemplu pentru apă pură la temperatura camerei factorul de pierdere este de aproximativ de trei ori mai mare la 2450 MHz ca la 915 MHz, în timp ce pentru o soluţie de NaCl 0,1 molal, factorul de pierdere este mai mult decât dublu la 915 MHz. Totuşi acest efect este adesea de o mai mică importanţă în cazul alimentelor cu constituţie complexă. Puterea microundelor si viteza încălzirii. Majoritatea instalaţiilor industriale cu microunde lucrează la puteri ce variază între 5 şi 100 kW. Cu cât puterea la ieşire este mai mare, cu atât încălzirea pentru o anumită cantitate de produs este mai rapidă. Viteza încălzirii cu microunde este controlată de obicei prin variaţia puterii. Ea este cea mai atractivă caracteristică a încălzirii cu microunde. Totuşi aceasta este o sabie cu două tăişuri întrucât este posibil ca produsul să fie încălzit prea repede şi să nu fie timp pentru desfăşurarea reacţiilor biochimice specifice procesului (coacere, uscare, etc.). De exemplu, dacă un proces de uscare se realizează într-un timp prea scurt, are loc generarea unei presiuni a vaporilor într-un ritm mai mare decât cel al eliminării lor din produs. Rezultă astfel o expansiune mărită a vaporilor, urmată de ruptură sau chiar explozie. De asemenea poate avea loc o distribuire neuniformă a temperaturii. Mărirea timpului necesar desfăşurării procesului se realizează cel mai uşor prin reducerea puterii; cu toate acestea procesul se va desfăşura mult mai repede decât în varianta convenţională. În general instalaţiile de 915 MHz folosesc un singur magnetron cu putere variind între 25 şi 50 kW datorită absenţei surselor de putere mică la această frecvenţă. În schimb, cele mai multe instalaţii de 2450 MHz sunt multimodulare, folosind o serie de magnetroane cu putere individuală cuprinsă 10

între 2,5 şi 3 kW. În acest al doilea caz este foarte uşoară alegerea puterii corespunzătoare vitezei dorite a procesului prin cuplarea numărului necesar de magnetroane. 4.1.2.3. Proprietăţile ambalajului utilizat Ambalajul influenţează încălzirea cu microunde a produsului alimentar atât prin natura materialului folosit pentru confecţionarea sa, cât şi prin formă şi dimensiuni.  Influenta materialelor din care sunt confecţionate ambalajele Alegerea unui material pentru ambalarea produselor care urmează să fie procesate cu microunde este determinată de proprietăţile sale dielectrice şi termice, cât şi de rezistenţa sa la temperatură. Din punct de vedere al comportării la microunde materialele pot fi transparente, pot capta sau pot reflecta microundele. Materiale transparente la microunde. Toate materialele dielectrice (carton, sticlă, materiale plastice, porţelan), când au grosimea mai mică decât lungimea de undă, sunt transparente la microunde şi nu modifică repartizarea undelor decât într-o manieră neglijabilă. Ele sunt cele mai utilizate materiale pentru confecţionarea de ambalaje. În general, însă, ele creează o reflexie a unei părţi din energia microundelor. Materialele dielectrice sunt bune izolatoare termice, putând avea deci o acţiune termică. Utilizate drept capace pentru ambalaje, ele împiedică migrarea elementelor ieşite din produsul alimentar. Ele evită evaporarea apei ceea ce conduce la accelerarea încălzirii produsului, împiedică deshidratarea şi omogenizează temperatura prin curenţii de convecţie creaţi. Materialele care captează microundele absorb o parte din energia microundelor şi o transformă în energie termică. Din acesta categorie fac parte 11

pe de o parte materialele cu pierderi dielectrice, ca de exemplu unele sticle, porţelanuri, faianţa, ceramica şi pe de altă parte "susceptorii". Susceptorii sunt straturi metalice foarte fine depuse pe un suport transparent la microunde. Ei captează energie printr-un procedeu asemănător cu conducţia, dar fiind foarte subţiri nu pot acumula energie termică, redistribuindo sub formă de radiaţii infraroşii. Susceptorii nu captează întreaga energie primită, deci o parte este transmisă produsului alimentar. Astfel microundele încălzesc produsul alimentar, în timp ce radiaţiile infraroşii produc îmbrunarea suprafeţei (neîmbrunarea suprafeţei produsului este considerată ca un dezavantaj

al procesării

minime

cu

microunde

faţă

de

prelucrarea

convenţională). Dar susceptorii prezintă şi câteva inconveniente, deoarece suportul se încălzeşte şi este dificil să i se controleze temperatura, care nu trebuie să depăşească un anumit prag. De aceea, adesea este preferabilă utilizarea ceramicilor disipative, care funcţionează ca plăci brunificatoare şi care joacă rolul de susceptor, fără a prezenta probleme de rezistenţă la temperatură (ele rezistă până la 1000°C). Obţinute prin turnare, ele pot avea toate formele necesare pentru ambalarea produselor alimentare. Ele au şi un alt mare avantaj şi anume, în funcţie de compoziţia lor, este posibil controlul procentual al energiei transferată sub formă de radiaţii infraroşii şi de energie transmisă direct produsului sub formă de microunde. Există şi alte materiale captatoare care produc energie termică: feritele. Aceste materiale sunt sensibile nu numai la energia electrică ci şi la energia magnetică, dar din cauza costului ridicat sunt încă puţin utilizate în industria alimentară. Materiale care reflectă microundele. În general, materialele metalice reflectă perfect undele electromagnetice. Trebuie remarcat însă că dacă o suprafaţă metalică este expusă la microunde, o mică parte din energie pătrunde în metal, unde produce curenţi electrici de suprafaţă. În aluminiu, de exemplu, penetrarea acestor curenţi este de ordinul unei sutimi de milimetru. Dacă 12

ambalajul metalic este foarte subţire, cum este cazul capacelor confecţionate din film metalic, curenţii induşi, localizaţi într-o grosime de metal foarte mică, pot deveni suficient de intenşi pentru a topi filmul metalic. Deci ambalajul metalic introdus într-un cuptor cu microunde trebuie să aibă o grosime corespunzătoare. Dacă la început materialele metalice utilizate pentru ambalaje au fost considerate total incompatibile cu tehnica de procesare cu microunde a produselor alimentare, acum situaţia este alta. Pentru aceasta trebuie arătate avantajele şi inconvenientele utilizării lor la procesarea cu microunde. Materialele metalice impun distribuţia câmpurilor electromagnetice în produs. Astfel, folosind tehnica simulării pentru compararea repartiţiei energiei pentru acelaşi produs alimentar aflat în tăviţe de aluminiu sau din plastic, s-a demonstrat că în tăviţele metalice distribuţia câmpurilor este impusă de undele staţionare care se stabilesc între pereţii tăviţei, în timp ce în cazul celor din plastic ea este impusă de undele staţionare dintre pereţii cuptorului. Ambalajul metalic poate proteja o parte din produs care nu trebuie încălzit. De asemenea, el poate favoriza penetrarea microundelor doar prin partea superioară, dând posibilitatea îmbrunării sale prin folosirea unui strat de acoperire corespunzător. Un alt avantaj decurge din proprietăţile termice ale metalelor care sunt bune conducătoare de căldură, astfel că un ambalaj metalic contribuie la omogenizarea încălzirii. Introducerea unui ambalaj metalic în cuptorul cu microunde produce, însă, o dereglare a cuptorului cu microunde, care are ca inconvenient diminuarea randamentului şi este cauza creării unor câmpuri intense, dacă cuptorul nu este destul de încărcat. Câmpurile pot crea arcuri electrice. Dacă totuşi se folosesc ambalaje metalice, trebuie prevăzută o masă suficient de mare de produs pentru a mări puterea absorbantă a încărcăturii într-o astfel de manieră, încât să evite câmpurile puternice. Durata tratamentului va fi, evident, ceva mai mare. 13

Utilizarea

materialelor

care

absorb

şi

reflectă

microundele

la

confecţionarea ambalajelor, alături de materialele transparente, permite obţinerea cineticii termice dorite prin controlul energiei microundelor. Un exemplu îl constituie încălzirea pizzei. Aceasta poate fi descrisă ca un produs eterogen simplu, constituit din două straturi: la partea superioară un sos care absoarbe bine microundele, iar la partea inferioară o pastă în care absorbţia microundelor este dificilă. Sucul din sos are tendinţa naturală de a migra în timpul încălzirii către regiunile mai reci, adică spre pastă, pe care o înmoaie, fenomen nedorit. Pentru a împiedica sosul să absoarbă microundele şi pentru a încălzi în mod artificial pasta, creând un gradient termic de la pastă către sos, care să se opună migrării sucului, se foloseşte un ambalaj transparent la microunde, prevăzut cu un capac metalic care protejează sosul de radiaţii, iar sub ambalaj se plasează un susceptor pentru încălzirea pastei. De asemenea, s-au descoperit capace metalice prin care microundele suferă o difracţie prin efect de lupă şi sunt concentrate către suprafaţa produsului, având astfel aceeaşi acţiune de îmbrunare ca şi susceptorii.  Forma si dimensiunile ambalajului Forma şi dimensiunile ambalajului influenţează tratamentele cu microunde într-o manieră asemănătoare cu modul în care influenţează forma şi dimensuinile produselor alimentare. Condiţia indispensabilă este ca volumul şarjei să fie mult mai mic decât cel al cuptorului, în plus, la instalaţiile cu funcţionare discontinuă, pentru ca acţiunea elementelor mobile (platou turnant, agitator) să fie eficace, trebuie evitate volumele perfect cilindrice şi plasate în centru. Este de preferat ca ambalajele să aibă o formă eliptică, cu înălţime nu prea mare, pentru că adâncimea de penetrare este mică, de asemenea, să se evite colţurile şi muchiile, care pot conduce la supraîncălzire. În general, în cazul ambalajelor metalice trebuie evitate formele cilindrice 14

înalte şi cu diametru mic, fără capac sau cu capac transparent, pentru a asigura o deschidere suficientă pentru pătrunderea microundelor 4.1.3. Principiul de funcţionare a unei instalaţii cu microunde Instalaţiile cu microunde se compun dintr-un generator de microunde, un dispozitiv de dirijare a microundelor şi un spaţiu închis în care are loc procesul propriu-zis. Reprezentarea schematizată a principiului de funcţionare a unei instalaţii cu microunde este redată în fig. 1. Radiaţiile emise de generatorul (1) sunt captate de antena (2) şi trimise în ghidul de unde (3). De aici ajung în difuzorul (4) prevăzut cu reflectorul de radiaţii (5). În cavitatea formată de reflectorul (5) este introdus produsul ce urmează a fi supus tratamentului cu microunde. Generatorul de microunde este un tub electronic cu modulaţii de frecvenţe denumit magnetron. Există magnetroane de puteri variate, în general cuprinse între 2,5 şi 50 kW. Ele sunt alimentate cu curent electric de înaltă tensiune, de ordinul a 3000-10000 V şi transformă energia electrică în energie a microundelor cu un randament de 5060%. Durata de funcţionare este de 3000-4000 de ore.

Fig. 1. Principiul de funcţionare a unei instalaţii cu microunde 1 - generator de microunde; 2 – antenă; 3 - ghid de unde; 4 – difuzor; 5 cavitate-reflector de radiaţii; 6 - bandă transportoare; 7 - produs supus 15

procesării. Antena este plasată la capătul dinspre magnetron al ghidului de unde pentru a colecta radiaţiile şi a le transmite prin ghidul de unde. Pentru o mai bună uniformizare a câmpului de radiaţii din instalaţie se folosesc antene rotative sub formă de disc sau benzi. Ghidul de unde este dispozitivul de dirijare a microundelor în cavitatea cuptorului. El este un cablu coaxial sau cel mai adesea un tub din aluminiu cu secţiune dreptunghiulară, cu dimensiuni de 42x84 mm. Lungimea ghidului de unde este factorul important în asigurarea eficientă a energiei microundelor în cavitatea cuptorului. El permite de asemenea localizarea magnetronului în afara cavităţii cuptorului, ceea ce facilitează curăţirea. După capacitatea de prelucrare cuptoarele cu microunde se clasifică în cuptoare cu funcţionare discontinuă şi continuă. Din prima categorie fac parte cuptoarele cu microunde casnice şi cele industriale de capacitate mică. Cuptoarele cu microunde cu funcţionare continuă sunt la rândul lor de două tipuri principale: cu cavitate rezonantă şi cu dirijare a undelor. Instalaţiile cu cavitate rezonantă constau într-o bandă transportoare care trece prin câmpul de microunde din cavitatea cuptorului. Instalaţiile cu dirijare a undelor au un dispozitiv standard pliat înainte şi înapoi, iar banda transportoare cu produs trece printr-o deschizătură perpendiculară pe câmpul de unde. În unele instalaţii actuale se combină încălzirea convenţională cu încălzirea cu microunde. În funcţie de produsul alimentar încălzirea convenţională este folosită pentru a produce îmbrunarea, a facilita uscarea, a reduce bacteriile la suprafaţă sau a preîncălzi produsul. Instalaţiile cu microunde sunt proiectate şi adaptate de obicei proceselor, ambalajelor şi produselor alimentare. Avantajele costului procesării cu microunde sunt funcţie de aplicaţie. Aceste avantaje rezultă din economii de energie ridicate, productivitate ridicată şi calitate a produsului, în plus pot fi 16

obţinute unele avantaje economice care conduc la o reducere a pierderilor de producţie. 4.1.4. Folosirea microundelor în industria alimentară Folosirea microundelor în industria alimentară este considerată de unii specialişti ca o "revoluţie tehnologică". Asistăm în ultima vreme la o creştere spectaculoasă a utilizării microundelor atât în domeniul casnic, prin folosirea cuptoarelor cu microunde casnice, cât şi în domeniul industrial. Decareau (1986) arată că, dacă se compară lista de aplicaţii ale microundelor din 1974 cu cea din 1986, nu se observă decât diferenţe minore. Diferenţa majoră este în valoarea puterii instalate a generatoarelor de microunde. Există însă în continuare un interes crescut în ceea ce priveşte perfecţionarea tehnicilor de procesare cu microunde, aşa cum o indică activitatea de cercetare şi numărul mare de patente apărut în ultima vreme. Tabelul 1 prezintă cele mai importante aplicaţii ale procesării cu microunde în industria alimentară. Tabelul 1

Aplicaţii ale microundelor în industria alimentară Procesul Produsele prelucrate Decongelare şi temperare - carne, peşte, păsări, unt, fructe Uscare - paste făinoase, ceapă, prăjituri cu orez, - uscare sub vid gălbenuş de ou, produse de tip snack, alge, - liofilizare cartofi prăjiţi "chips" - suc de portocale, cereale - carne, legume, fructe Pasteurizare şi sterilizare - pâine, iaurt, lapte, smântână - produse ambalate în pungi, mâncăruri "gata preparate" în tăvi, produse ambalate în recipiente ermetice - condimente

17

Coacere Prelucrare termică industrială Opărire Prăjire Topire Expandare Dezinsecţie

- pâine, gogoşi, prăjituri - costiţă (bacon), cârnaţi. cartofi, sardine, pui - porumb, cartofi, fructe - nuci, boabe de cacao, boabe de cafea - untură, seu - porumb de floricele - cereale, faină

18