Применение радиочастотного нагрева

Термическая обработка пищевых продуктов

 

Исследования в области технологии радиочастотной обработки показали возможность проведения стерилизации и пастеризации пищевых продуктов при температурах и времени, значения которых гораздо ниже аналогичных показателей при конвективном способе. Возможно, преимущество использования радиоволн связано с избирательным эффектом уничтожения микроорганизмов. Для успешного избирательного нагрева насекомых-паразитов в обрабатываемом материале отношение их диэлектрических свойств является очень важным, и значение ε''_насек/ε'_{продукт} должно быть как можно меньше, значение δ_насек/tgδ_{продукт} должно быть как можно больше. Из этого можно заключить, что низкое влагосодержание продукта является предпочтительным для избирательного нагрева вредителей. Считается, что эффект радиочастотного нагрева основан на комбинации времени и температуры.

Beckwith и Olsen в своих исследованиях обнаружили значительное сокращение количества Saccharomyces ellipsoideus и других суспензий дрожжей, обработанных радиочастотами в течение 15 минут [11]. Температуру обработанных суспензий не рекомендуется повышать выше 39 ⁰С. Fabian и Grahamобрабатывали питательные среды для Escherichia coli радиочастотной энергией 7.5, 10 и 15 МГц при постоянной температуре 19 ⁰С. Они обнаружили, что разрушение бактерий происходит при трех частотах с наибольшим летальным эффектом при 10 МГц. Около 88% E.coli разрушаются после 8 часов обработки [11].

Если тепло может генерироваться быстрее в микробиальной клетке, чем в питательной среде, эта клетка может быть разрушена термально при относительно низкой скорости нагрева питательной среды. Это зависит от химического состава питательной среды и микробных клеток. Так как большинство микробных клеток несут электрический заряд, обычно отрицательный, существует возможность механического разрушения клетки, вызываемой быстрым ее осциллированием в высокочастотном поле. Если эти осцилляции достаточно часты или из-за значительного их смещения, или эластичные пределы клетки могут быть превышены, что обуславливает разрыв и погибание клетки.

В последнее время сложилось мнение, что эффект радиочастот на инактивацию микроорганизмов обусловлен действием тепла. Однако часто объясняется, что недостаток нетермического эффекта обусловлен низкой напряженностью поля.

Термическая обработка семян

 

Проблемы плохо прорастающих семян едины для многих растениеводов полевых, плодоовощных и декоративных культур. В случае непроницаемости семенной оболочки тяжелые семена будут расти медленно и неравномерно. Общая практика повышения проницаемости семян называется скарификацией. Это абразивный процесс, имеющий повреждающий эффект на семена, из-за чего они не могут далее храниться. Для решения данной проблемы используется радиочастотная обработка. Когда семя подвергается обработке в радиочастотном поле с довольно высокой частотой и интенсивностью, его температура растет благодаря диэлектрическому нагреву, его прорастание увеличится до некоторого максимума.

Nelson и др. [19] изучили радиочастотный нагрев семян люцерны для снижения патогенных микроорганизмов. Воздействие радиочастот обеспечивает требуемое снижение патогенов вместе со значительным повреждением семени перед прорастанием. Пониженная интенсивность радиочастотной обработки обеспечивает умеренное снижение патогенов с улучшением прорастания семян за счет снижения количества тяжелых семян.

Дезинсекция продукта

 

Nelson и Stetson [19] изучили радиочастотную обработку при 39 и 2450 МГц для контроля рисовых долгоносиков в пшенице. Их результаты показали, что обработка при 39 МГц была более эффективной с полной гибелью микроорганизмов при температуре обработки 40 ⁰С, в то время как частота 2450 МГц требует температурной обработки 85 ⁰С для полного уничтожения микроорганизмов.

Dwinell и др. [20] проведены исследования по оценке радиоактивной вакуумной сушилки для уничтожения сосновых червей-нематод в распиленной древесине. Электромагнитная радиация была проведена с помощью радиочастотного генератора производительностью 10 кВ, работающего при частоте 13,56 МГц под вакуумом. В ходе исследования установлено, что черви-нематоды уничтожаются при температурах древесины, превышающей 48 ⁰С. Эта летальная температура приблизительно соответствует температуре при конвективном паровом нагреве древесины.

В экспериментах Pohleven и др. [21] радиочастотный нагрев при 4,75МГц был использован для уничтожения грибков хвойной древесины. Истребление зависело от вида грибков (Coniophora p., Lentinus l., Gloeophyllum t.), температуры (75-90 ⁰С) и продолжительности (4-12 мин) действия радиочастот. При низких температурах время термообработки было соответственно дольше.

Радиочастотная сушка

 

Сушка древесины

Так как при одинаковой частоте (10-30 МГц) и температуре среднее значение диэлектрической постоянной (ε') для воды в 20 раз больше чем сухой клеточной стенки, под действием радиочастот вода нагревается с большей скоростью, чем древесина. Поэтому вода избирательно нагревается больше, чем материал клеточных стенок, таким образом устраняя низкую теплопроводность от поверхности к глубине бревна, что происходит при сушке в конвективной обжиговой печи.

Когда радиочастотное поле комбинируется с низким атмосферным давлением, могут образоваться градиенты высоких температур и давлений в продольном и поперечном сечениях бревна. Так как оба типа градиентов образовываются в одном направлении, из центра наружу, влага быстро удаляется в жидкой и паровой фазах в начальной стадии сушки. Углубление градиентов увеличивает скорость диффузии связанной влаги при влагосодержании ниже точки насыщения волокна. В лабораторных опытах, проведенных Avramidis и Liu [22], общая продолжительность сушки при частоте 13,56 МГц, абсолютном давлении 2,7 кПа, при 0,6 кВ составила 24 часа при обезвоживании от начальной влажности 38 до конечной 15%. при 1 кВ общая продолжительность сушки сократилась до 14 часов.

 

Сушка пищевых продуктов

Радиочастотная сушка преимущественно используется для контрольной сушки печенья, сухарей и макарон после выпечки. Печенье и сухари при выходе из печи имеют неравномерное распределение влаги, что может привести к их разламыванию при использовании. Радиочастотный нагрев помогает распределению в продукте влаги после его выпечки, выявляя оставшиеся водяные зоны. Радиочастоты могут быть использованы для приготовления вареного упакованного мяса, потому что их применение способствует значительному снижению времени термообработки. Срок хранения упакованного мяса, приготовленного методом радиочастотной обработки, повышается, а органолептические показатели улучшаются. Радиочастоты можно использовать для сушки злаковых культур, макарон, дезинфекции фруктов и орехов, быстрого оттаивания мяса и рыбы, тепловой обработки молока и фруктовых соков в потоке.

Последние направления в радиочастотной сушке пищевых продуктов – исследование гибридных сушильных систем с применением радиочастот для обезвоживания термочувствительных пищевых продуктов.

 

Выводы

Достоинства радиочастотной обработки:

- благодаря избирательному нагреванию влаги решает множество проблем теплообмена;

- значительное сокращение времени обработки;

- действует как процесс выравнивания влаги по объему продукта;

- высокая энергоэффективность;

- повехность продукта не пересушивается и не перегревается;

-низкие эксплуатационные расходы.

 

Недостатки радиочастотной обработки:

- высокие капитальные затраты на оборудование;

- наблюдаются колебания электрических затрат;

- для настройки требуется квалифицированная рабочая сила;

- все генераторы и устройства должны быть как следует защищены и специально конструированы с целью соответствия специфическим требованиям продукта.

Промышленное использование радиочастотной обработки интересно с точки зрения ее более глубокого проникновения в продукт, чем микроволновой обработки. Перспективно использование радиочастотной обработки в гибридных системах, где используются преимущества объемного диэлектрического нагревания и конвективной обработки, ведущие к сокращению продолжительности процесса и сохранению качества продукта.

6.3 Омический нагрев [11]

Омический нагрев, или нагрев электрического сопротивления, это метод нагрева пищевых продуктов (и таким образом пастеризации и стерилизации продуктов) пропусканием напрямую через них переменного электрического поля. Этот процесс иногда считают электрическим или джоулевым нагревом. Тепло образуется внутри продуктовой массы благодаря его электрическому сопротивлению. Нагревание происходит быстро и поэтому омический нагрев является примером HTST-процесса (высокотемпературная кратковременная пастеризация). Инактивация микроорганизмов происходит в результате теплового эффекта, хотя очевиден электрический эффект на скорость роста микроорганизмов. Идея омического нагрева не нова и низкочастотный ток использовался для пастеризации молока в 1930-х годах.

Омический нагрев значительно отличается от традиционных методов нагрева, которые основаны на кондукции и конвекции, потому что, как и в случае микроволновой обработки, нагрев продукта происходит по массе продукта, а не на поверхности. Однако, омический нагрев имеет преимущество над микроволновым, потому что нагрев происходит по всему объему продукта, в то время как микроволны, хотя проникают ниже поверхности продукта, ограничены в глубине проникновения. Это неравномерное нагревание, которое является потенциально серьезным недостатком микроволн, можно избежать при омическом нагреве.

Рисунок 6.6 – Схема процесса омического нагрева [24].

 

Скорость переноса теплоты к продукту Q определяется по формуле:

 

Q=mc_pΔT (6.8)

 

где m – скорость потока массы, c_p – теплоемкость и ΔT – повышение температуры. Электроэнергия Р – это произведение напряжения и силы тока:

 

P=VI, (6.9)

 

которое, используя закон Ома V=RI, становится

 

. (6.10)

 

Электрическое сопротивление R омического нагревательного прибора:

 

(6.11)

 

где R_s – удельное сопротивление (или сопротивляемость) продукта, L – расстояние между электродами, А – площадь электродов. Удельное сопротивление электролитического раствора (измеряемое в Ωм) – сопротивление единицы объема раствора в единицу длины и единицу площади поперечного сечения. Альтернативная номенклатура – определение электропроводности σ как обратной величины удельного сопротивления, т.е.:

 

. (6.12)

 

По системе СИ единица электропроводности есть сименс на метр (См/м). В таблице 6.3 приведены округленные значения электропроводности некоторых пищевых продуктов.

 

Таблица 6.3 – Приблизительные значения электропроводности некоторых пищевых продуктов

 

Вид продукта	Электропроводность σ (См/м)
25 0С	100 0С
Яблоко	0,07	0,42
Земляника	0,19	0,98
Картофель	0,04	1,3
Курица	0,67	1,7
Свинина	0,56	1,4
Говядина	0,49	1,2

 

Различают три группы электропроводности пищевых продуктов [12]:

· σ>0,05 См/м – хорошая электропроводность: приправы, яйца, йогурты, молочные десерты, фруктовые соки, вина, желатин, гидроколлоиды и т.д.;

· 0,005<σ<0,05 См/м – невысокая электропроводность, требующая высокой напряженности электрического поля: маргарин, мармелад, порошки и т.д.;

· σ<0,005 См/м – низкая электропроводность, требующая высокой напряженности электрического поля, часто трудно обрабатывать омическим нагревом: замороженные продукты, пена, сироп, ликер и т.д.

 

Подставляя значение R из уравнения (6.12) в уравнение (6.10), выражение для электрической энергии примет следующий вид:

 

(6.13)

 

Приравнивание этого в свою очередь к скорости переноса тепла (6.8) показывает, что скорость нагрева пропорциональна площади напряжения и электропроводности продукта. Электропроводность зависит от ионной силы продукта и решающим образом от его температуры; электропроводность увеличивается значительно с увеличением температуры (рисунок 6.7 [12]) Омический нагрев не подходит для продуктов с низкой электропроводностью, например, продуктов, содержащих высокое содержание жира. Это эффективный процесс, т.к. 90-95% электрической энергии рассеивается в виде тепла.

Рисунок 6.7 – Электропроводность пищи с коктейльными томатами в зависимости от температуры и содержания соли.

 

Принципиальные преимущества омического нагрева по сравнению с конвективными процессами, это, во-первых, что нагревание происходит быстро и (в гомогенном потоке) равномерно со скоростью порядка 50К в 0,1 сек. Во-вторых, в продукте не возникают значительные температурные градиенты и отсутствует горячий поверхностный теплоперенос, снижающий вероятность засорения, а также коагуляции или перегрева продукта возле стенки трубы. Следовательно, нет нужды для создания больших нагревающих поверхностей. В-третьих, существует возможность почти мгновенного запуска и остановки оборудования.

В-четвертых, и возможно главнее всего, возможно обрабатывать твердожидкие смеси или суспензии, содержащие до 80% твердых веществ. Это полезно, когда перемешивание для усиления теплообмена является недостатком из-за вероятности механического повреждения твердых продуктов, например, в шнековом теплообменнике. Механическое повреждение можно избежать с кусками продукта размером до 5 см. Можно добиться одинаковой скорости нагрева как в жидкости, так и в твердой фазе, если каждая фаза имеет одинаковую электропроводность, поэтому омический нагрев может использоваться для частичек продукта в жидкости без их перегрева. Также возможно нагреть твердые частицы до более высокой температуры, чем жидкость, что невозможно при конвективном или кондуктивном нагреве из-за плохой теплопроводности твердых продуктов. Однако может быть необходимым контролировать электропроводность каждой фазы, например, регулированием содержания соли в продукте. Омический нагрев можно также использовать для вязких продуктов, которые трудно перемешивать.