Mikrofale w przemyśle spożywczym. Jak działa technologia mikrofalowa i gdzie znajduje zastosowanie?

Jak działają mikrofale w przemyśle spożywczym i czym różnią się od tradycyjnych metod ogrzewania? Wyjaśniamy zasadę działania technologii mikrofalowej, jej najważniejsze zastosowania, możliwości i ograniczenia oraz znaczenie częstotliwości 915 i 2450 MHz.

Przy wielu konwencjonalnych metodach rozmrażania mrożony surowiec trzeba przygotowywać do produkcji z wielogodzinnym wyprzedzeniem. Zmiana planu może oznaczać problem z dostępnością mięsa o odpowiedniej temperaturze. Rozmrażanie zajmuje powierzchnię, wymaga dodatkowej logistyki i tworzy zapas międzyoperacyjny. W innym procesie wąskim gardłem może być z kolei czas potrzebny na ogrzanie gęstego produktu, sosu czy masy spożywczej.

W takich sytuacjach warto spojrzeć nie tylko na wydajność maszyn znajdujących się na początku i końcu linii, ale również na to, w jaki sposób energia jest dostarczana do produktu i czy obecna metoda ogrzewania nie ogranicza całego procesu.

Jednym ze sposobów na usprawnienie tego etapu produkcji jest wykorzystanie energii mikrofalowej.

W przemyśle spożywczym mikrofale znajdują znacznie więcej zastosowań niż samo rozmrażanie. Mogą być wykorzystywane do temperowania mrożonych surowców, podgrzewania i gotowania, pasteryzacji, sterylizacji czy suszenia [1, 4]. W zależności od produktu mogą pracować w tunelu z przenośnikiem, urządzeniu wsadowym, zbiorniku procesowym, a nawet w systemie, w którym produkt przepływa rurociągiem.

Każde z tych zastosowań stawia przed technologią inne wymagania, dlatego w kolejnych artykułach cyklu przyglądamy się im osobno.

Co sprawia, że technologia mikrofalowa może tak bardzo skrócić niektóre procesy? Kluczem jest inny sposób dostarczania energii do produktu.

Jak mikrofale ogrzewają żywność?

W klasycznych metodach obróbki cieplnej energia jest najczęściej przekazywana do produktu z zewnątrz. Źródłem może być gorące powietrze, para, woda lub ogrzewana powierzchnia. Ciepło dociera najpierw do powierzchni produktu, a następnie stopniowo przemieszcza się w kierunku jego wnętrza.

Mikrofale działają inaczej.

Są falami elektromagnetycznymi, które wnikają w produkt i oddziałują z jego składnikami. W przypadku żywności szczególne znaczenie mają cząsteczki polarne, przede wszystkim woda, oraz znajdujące się w produkcie jony.

Zmienne pole elektromagnetyczne oddziałuje z nimi, a część dostarczanej energii elektromagnetycznej zostaje rozproszona w produkcie w postaci ciepła. Zjawisko to nazywane jest ogrzewaniem dielektrycznym [1, 5].

W praktyce oznacza to, że energia może być dostarczana nie tylko do powierzchni żywności. Ciepło może być generowane również wewnątrz jej objętości.

I właśnie ta różnica ma ogromne znaczenie dla przemysłu.

Co to oznacza dla zakładu? W procesach, w których ograniczeniem jest czas potrzebny na doprowadzenie ciepła do wnętrza produktu, ogrzewanie mikrofalowe może znacząco zmienić czas operacji. Dobrym przykładem są duże bloki zamrożonego mięsa, których przygotowanie metodami konwencjonalnymi może wymagać wielogodzinnego procesu.

Ogrzewanie objętościowe. Co właściwie oznacza?

Wyobraźmy sobie zamrożony blok mięsa.

Przy konwencjonalnym rozmrażaniu energia cieplna dociera najpierw do jego powierzchni. Zewnętrzne warstwy ogrzewają się więc wcześniej, a ciepło musi stopniowo przenikać do coraz głębiej położonych części produktu. Przy dużych blokach wymaga to czasu.

W technologii mikrofalowej energia elektromagnetyczna może wnikać w produkt i być pochłaniana również poniżej jego powierzchni. Dlatego proces ogrzewania może przebiegać znacznie szybciej.

Nie oznacza to jednak, że energia mikrofalowa bez ograniczeń dociera do środka produktu niezależnie od jego wielkości ani że każdy jego fragment ogrzewa się dokładnie w takim samym tempie.

To istotne rozróżnienie.

Ogrzewanie objętościowe nie oznacza automatycznie idealnie równomiernego ogrzewania [1, 2].

Na przebieg procesu wpływają m.in. skład i temperatura produktu, jego geometria, rozmieszczenie w urządzeniu, częstotliwość mikrofal oraz sposób dostarczania energii. Dlatego przemysłowa technologia mikrofalowa wymaga znacznie więcej niż zastosowania generatora o odpowiednio dużej mocy.

Z punktu widzenia inwestora deklarowana moc urządzenia nie powinna więc stanowić podstawowego kryterium wyboru. Istotniejsze jest to, czy system został dobrany i przetestowany dla produktu, który rzeczywiście będzie przetwarzany w zakładzie.

„W technologii mikrofalowej nie projektujemy procesu dla samej maszyny. Projektujemy go dla konkretnego produktu. Dwa surowce o tej samej masie mogą zachowywać się w polu mikrofalowym zupełnie inaczej, dlatego zawsze punktem wyjścia powinny być właściwości produktu i efekt, jaki chcemy osiągnąć” – wskazuje Rafał Szelc, Wiceprezes Zarządu w Weindich.

Dlaczego jeden produkt ogrzewa się inaczej niż drugi?

Mięso, sos, puree ziemniaczane i pieczywo mogą zostać poddane działaniu mikrofal, ale każdy z tych produktów będzie reagował na energię elektromagnetyczną inaczej.

Decydują o tym ich właściwości dielektryczne, czyli w uproszczeniu zdolność materiału do oddziaływania z polem elektromagnetycznym i pochłaniania jego energii.

Wpływ mają między innymi zawartość wody, soli i tłuszczu, temperatura, struktura produktu oraz częstotliwość zastosowanych mikrofal [1, 5].

Co więcej, właściwości produktu mogą zmieniać się podczas samego procesu.

Dobrym przykładem jest zamrożone mięso. Woda znajdująca się w nim w postaci lodu zachowuje się w polu elektromagnetycznym inaczej niż woda w stanie ciekłym. Wraz ze wzrostem temperatury zmienia się więc sposób, w jaki produkt pochłania energię [1].

Dlatego nie istnieje jeden uniwersalny „program mikrofalowy”, który można zastosować do bloku wieprzowiny, drobiu, ryby, sosu i puree.

Punktem wyjścia do zaprojektowania procesu zawsze powinien być konkretny produkt i efekt technologiczny, który chcemy osiągnąć.

Parametrów ustalonych dla jednego surowca nie należy więc automatycznie przenosić na inny. Inna zawartość wody, tłuszczu czy soli może wymagać zmiany mocy, czasu procesu, prędkości transportu lub sposobu dostarczania energii.

915 MHz czy 2450 MHz? Częstotliwość ma znaczenie

W przemysłowym przetwórstwie żywności spotyka się przede wszystkim częstotliwość 2450 MHz oraz pasma około 900 MHz, np. 896, 915 lub 922 MHz, zależnie od regionu, obowiązujących regulacji i konstrukcji systemu [3, 6].

Dla uproszczenia w dalszej części będziemy porównywać 915 i 2450 MHz, ponieważ właśnie te częstotliwości są najczęściej opisywane w literaturze dotyczącej przemysłowego przetwarzania żywności.

915 a 2450 MHz – nie jest to wyłącznie różnica techniczna dotycząca konstrukcji generatora. Częstotliwość wpływa również na sposób oddziaływania energii z produktem.

W dużym uproszczeniu niższa częstotliwość, np. 915 MHz, może zapewniać większą głębokość penetracji energii niż 2450 MHz. Jest to jeden z powodów wykorzystania pasma około 915 MHz w dużych instalacjach przemysłowych [1, 3], m.in. do temperowania mrożonych produktów.

Nie należy jednak przyjmować jednej uniwersalnej wartości określającej, na ile centymetrów mikrofale „wnikają” w żywność. Rzeczywista głębokość penetracji zależy od właściwości dielektrycznych konkretnego produktu, jego temperatury oraz częstotliwości.

Dla zakładu oznacza to, że dobór częstotliwości nie jest parametrem oderwanym od procesu. Musi uwzględniać m.in. rodzaj produktu, jego wymiary i sposób prowadzenia przez instalację.

Dlatego zagadnieniu 915 MHz vs 2450 MHz poświęcimy osobny artykuł naszego cyklu.

Do czego wykorzystuje się mikrofale w przemyśle spożywczym?

Technologia mikrofalowa daje możliwość realizowania bardzo różnych procesów. Wspólny pozostaje mechanizm dostarczania energii, natomiast konstrukcja instalacji, parametry i sposób prowadzenia produktu mogą być zupełnie inne.

Temperowanie i rozmrażanie mrożonych surowców

To jedno z najbardziej interesujących zastosowań z punktu widzenia przemysłu mięsnego.

Warto przy tym rozróżnić dwa pojęcia, które często są stosowane zamiennie: rozmrażanie i temperowanie.

W wielu procesach przemysłowych nie ma potrzeby całkowitego rozmrażania surowca. Celem jest podniesienie temperatury mrożonego bloku z około -18°C do wartości, która nadal pozostaje poniżej punktu zamarzania, ale pozwala już na dalsze przetwarzanie.

Tak przygotowany produkt może trafić np. do rozdrabniania, krojenia czy formowania.

To właśnie jest temperowanie.

Zastosowanie mikrofal może znacząco skrócić operację, która przy wykorzystaniu niektórych metod konwencjonalnych trwa wiele godzin. W zależności od instalacji możliwa jest również praca ciągła: mrożone bloki trafiają na przenośnik, przechodzą przez tunel i opuszczają go z temperaturą odpowiednią dla kolejnego etapu produkcji.

Z perspektywy dyrektora produkcji istotna jest tutaj nie tylko szybkość samego temperowania. Krótszy proces może oznaczać mniejszy zapas surowca przygotowywanego z wyprzedzeniem, szybszą reakcję na zmianę harmonogramu oraz możliwość bezpośredniego połączenia temperowania z kolejnymi etapami linii.

Przykładowy układ procesu może wyglądać następująco:

Na rynku funkcjonują przemysłowe systemy wykorzystujące tę technologię do ciągłego temperowania produktów mrożonych przed dalszą obróbką [6]. Przykładowe aplikacje obejmują przejście produktu z temperatur głębokiego mrożenia do temperatur nadal ujemnych, ale umożliwiających dalsze przetwarzanie.

Kluczowa jest tu sama zasada procesu, a nie konkretny model urządzenia: mikrofalowe temperowanie pozwala projektować proces tak, aby przygotować produkt do zakresu temperatur wymaganego przez kolejny etap produkcji, bez konieczności pełnego rozmrażania.

Podgrzewanie i gotowanie

Energia mikrofalowa może być wykorzystywana również do szybkiego podnoszenia temperatury produktów podczas gotowania i podgrzewania [1, 4].

Nie muszą to być wyłącznie produkty stałe. Technologia może być stosowana do żywności płynnej i półpłynnej, takiej jak zupy, sosy, puree czy różnego rodzaju masy spożywcze.

Interesującym przykładem są mikrofalowe zbiorniki procesowe. Zamiast przekazywać całe ciepło poprzez ogrzewaną powierzchnię zbiornika, energia mikrofalowa jest absorbowana przez znajdujący się w nim produkt.

W określonych zastosowaniach może to pozwolić skrócić proces oraz ograniczyć problem intensywnego ogrzewania produktu przy powierzchniach wymiany ciepła.

Dla zakładu przetwarzającego produkty gęste lub lepkie może to być szczególnie interesujące tam, gdzie klasyczny proces cieplny staje się wąskim gardłem albo wymaga intensywnego mieszania i długiego czasu osiągania zadanej temperatury.

Pasteryzacja i sterylizacja

Kolejnym obszarem są procesy, których celem jest zapewnienie bezpieczeństwa mikrobiologicznego i odpowiedniej trwałości produktu.

Szczególnie ciekawym kierunkiem są przepływowe systemy mikrofalowe.

Produkt, np. sos, zupa czy puree, jest pompowany przez instalację rurową, a w kolejnych sekcjach energia mikrofalowa podnosi jego temperaturę. W przeciwieństwie do klasycznego wymiennika ciepła energia nie musi być przekazywana do produktu wyłącznie poprzez ogrzewaną ściankę.

Według SinnovaTek, rozwiązania typu Continuous Flow Microwave Processing pokazują, że technologia mikrofalowa może być wykorzystywana również w ciągłej obróbce cieplnej produktów płynnych, lepkich i zawierających cząstki [7]. Ma to znaczenie zwłaszcza wtedy, gdy klasyczny przepływowy proces termiczny ogranicza sposób przekazywania ciepła do wnętrza produktu lub zawartych w nim cząstek.

Z biznesowego punktu widzenia warto zwrócić uwagę właśnie na produkty zawierające cząstki. W ich przypadku klasyczna obróbka termiczna musi zapewnić odpowiednią temperaturę także we wnętrzu kawałka produktu, bez nadmiernego obciążenia termicznego fazy płynnej. To jeden z obszarów, w których sposób dostarczania energii może mieć bezpośredni wpływ na czas procesu i jakość produktu.

W pasteryzacji i sterylizacji pojawia się bardzo ważne zagadnienie: cold spot, czyli miejsce produktu ogrzewające się najwolniej.

Nie wystarczy osiągnąć odpowiedniej średniej temperatury. Proces musi zapewniać wymagane parametry czasowo-temperaturowe również w najbardziej krytycznym miejscu produktu. Dlatego przemysłowa pasteryzacja mikrofalowa wymaga odpowiedniego zaprojektowania, walidacji i kontroli procesu [2, 3].

Suszenie

Mikrofale można wykorzystywać także do usuwania wody z żywności [1, 4].

W tradycyjnym suszeniu ciepło dociera zazwyczaj od powierzchni produktu, podczas gdy wilgoć znajdująca się w jego wnętrzu musi przemieścić się na zewnątrz.

Dostarczenie energii mikrofalowej do objętości produktu może intensyfikować ten proces.

Szczególnie interesujące są technologie hybrydowe, w których mikrofale współpracują np. z gorącym powietrzem lub próżnią. W przypadku suszenia mikrofalowo-próżniowego obniżenie ciśnienia zmniejsza temperaturę wrzenia wody, a mikrofale dostarczają energię do wilgotnego materiału [1, 4].

Technologia znajduje zastosowanie m.in. w przetwarzaniu owoców, warzyw, mięsa, przekąsek, składników spożywczych czy produktów pet food.

Co mikrofale mogą zmienić w procesie produkcyjnym?

Sama szybkość ogrzewania nie powinna być jedynym argumentem za zastosowaniem mikrofal.

Znacznie ciekawsze jest pytanie: co krótszy i inaczej prowadzony proces zmienia w funkcjonowaniu całego zakładu?

W przypadku temperowania może oznaczać możliwość przygotowania mrożonego surowca bliżej momentu, w którym rzeczywiście jest potrzebny na produkcji. Zamiast planować wielogodzinny proces rozmrażania z dużym wyprzedzeniem, zakład może zyskać większą elastyczność.

Krótszy proces może także zmniejszyć zapotrzebowanie na powierzchnię przeznaczoną na etap pośredni oraz ograniczyć liczbę operacji logistycznych związanych z przemieszczaniem i magazynowaniem surowca.

Przy odpowiednio zaprojektowanym temperowaniu istotny może być również uzysk produktu. Podczas rozmrażania może dochodzić do wycieku i związanej z nim utraty masy. W literaturze dla produktu mrożonego często mówi się o thaw loss, natomiast określenie drip loss jest szeroko stosowane w odniesieniu do utraty płynu z mięsa. Wielkość strat zależy nie tylko od czasu procesu, ale również od historii zamrażania i przechowywania, właściwości surowca oraz parametrów rozmrażania. Ograniczenie strat o nawet niewielki procent przy produkcji liczonej w wielu tonach dziennie może mieć zauważalne znaczenie ekonomiczne.

W materiałach producenta systemów AMTek dotyczących przemysłowego temperowania mikrofalowego ograniczenie wycieku wskazywane jest jako jedna z potencjalnych korzyści procesu. Nie jest to jednak efekt, który można automatycznie przenieść na każdy produkt i każdą instalację. Wynik zależy od rodzaju surowca, parametrów procesu i temperatury końcowej [6].

Podobnie należy podchodzić do zużycia energii. Krótki czas procesu i bezpośrednie dostarczanie energii do produktu mogą dawać przewagę w określonych zastosowaniach, ale nie oznacza to, że każdy proces mikrofalowy będzie automatycznie bardziej energooszczędny od rozwiązania konwencjonalnego.

Dla osoby podejmującej decyzję inwestycyjną oznacza to, że samego CAPEX-u nie warto analizować w oderwaniu od kosztu obecnego procesu. Istotne są również TCO (Total Cost of Ownership), wydajność, czas, uzysk surowca, zajmowana powierzchnia, liczba operacji logistycznych i wpływ technologii na kolejne etapy linii.

Przy analizie inwestycji warto więc zadać kilka konkretnych pytań:

Ile godzin trwa obecny proces? Ile produktu trzeba przygotowywać z wyprzedzeniem? Jakiej powierzchni wymaga ten etap? Ile pracy ręcznej i transportu wewnętrznego generuje? Jaki jest uzysk? Czy ogranicza wydajność kolejnych maszyn? Jak zakład reaguje dziś na zmianę harmonogramu produkcji?

Dopiero takie spojrzenie pozwala porównać rzeczywisty koszt technologii, a nie wyłącznie cenę urządzenia.

Kiedy warto zainteresować się technologią mikrofalową?

Nie każdy proces wymaga mikrofal. Są jednak sytuacje, w których warto przynajmniej przeanalizować ich zastosowanie. Dotyczy to szczególnie zakładów, w których:

• przygotowanie mrożonego surowca trwa wiele godzin,
• rozmrażanie lub temperowanie utrudnia elastyczne planowanie produkcji,
• występują istotne straty surowca podczas rozmrażania,
• proces cieplny jest wąskim gardłem całej linii,
• zwiększenie wydajności wymagałoby rozbudowy dużych stref procesowych,
• istnieje potrzeba przejścia z procesu wsadowego na ciągły,
• produkt jest wrażliwy na długi czas oddziaływania wysokiej temperatury,
• zakład chce połączyć obróbkę termiczną z automatycznym przepływem produktu.

Spełnienie jednego z tych warunków nie oznacza automatycznie, że mikrofale będą najlepszym rozwiązaniem. Jest natomiast sygnałem, że warto wykonać analizę procesu i próby technologiczne.

Mikrofale nie rozwiązują wszystkiego

Duża szybkość ogrzewania jest jednocześnie jednym z powodów, dla których przemysłowy proces mikrofalowy trzeba dobrze kontrolować.

W produkcie mogą powstawać miejsca nagrzewające się szybciej, czyli hot spots, oraz obszary ogrzewające się wolniej – cold spots [2].

Ich powstawanie może zależeć m.in. od kształtu i wymiarów produktu, jego składu, rozmieszczenia w urządzeniu, temperatury oraz rozkładu pola elektromagnetycznego.

Przy temperowaniu miejscowe przegrzanie może oznaczać, że fragment mrożonego produktu zacznie się rozmrażać znacznie szybciej niż pozostała część.

Przy pasteryzacji sytuacja jest jeszcze bardziej wymagająca. Jeżeli cold spot nie osiągnie wymaganych parametrów procesu, może to mieć znaczenie dla bezpieczeństwa mikrobiologicznego produktu [2, 3].

Dlatego stwierdzenie, że „mikrofale ogrzewają równomiernie”, jest zbyt dużym uproszczeniem.

Lepsze pytanie brzmi:

jak zaprojektować system, żeby energia została dostarczona do konkretnego produktu w możliwie kontrolowany sposób?

I właśnie tutaj zaczyna się inżynieria przemysłowych systemów mikrofalowych.

Dlatego przed inwestycją warto pytać nie tylko o moc generatora czy nominalną wydajność. Jednym z najważniejszych pytań powinno być: czy proces został sprawdzony na produkcie o właściwościach zbliżonych do surowca, który rzeczywiście będzie przetwarzany?

Od produktu do instalacji, a nie od maszyny do produktu

Przy projektowaniu procesu mikrofalowego moc generatora jest tylko jednym z parametrów.

Najpierw trzeba odpowiedzieć na znacznie bardziej podstawowe pytania.

• Jaki produkt będzie przetwarzany?
• Jaka jest jego masa, geometria, skład i temperatura początkowa?
• Jaką temperaturę powinien osiągnąć? Jaka ma być wydajność procesu?
• Co stanie się z produktem bezpośrednio później?

Inaczej będzie wyglądać instalacja przeznaczona do temperowania bloków mięsa, inaczej do ogrzewania sosu, a jeszcze inaczej system służący do pasteryzacji produktu przepływającego przez rurociąg.

Dlatego właściwa kolejność wygląda raczej tak:

Takie podejście jest szczególnie ważne w przypadku zakładów, które nie szukają pojedynczej maszyny, ale chcą zmienić lub usprawnić cały fragment procesu produkcyjnego.

Jeśli zakład chce wstępnie ocenić możliwość zastosowania mikrofal, warto przygotować pięć podstawowych informacji:

1. rodzaj i postać produktu,
2. temperaturę produktu na wejściu,
3. oczekiwaną temperaturę na wyjściu,
4. wymaganą wydajność w kg/h lub l/h,
5. informację, jaki proces następuje bezpośrednio później.

Już te dane pozwalają rozpocząć analizę, czy i w jaki sposób technologia mikrofalowa może zostać włączona w istniejącą linię.

Technologia mikrofalowa wymaga myślenia procesowego

Najważniejszym wnioskiem nie jest więc to, że mikrofale mogą zastąpić konkretną maszynę czy metodę ogrzewania. Ich wartość ujawnia się wtedy, gdy pozwalają inaczej zaprojektować cały etap procesu.

W jednym zakładzie będzie to skrócenie czasu temperowania mrożonego surowca. W innym, zmniejszenie liczby operacji logistycznych, a w jeszcze innym, możliwość przejścia z procesu wsadowego na ciągły albo szybsza obróbka produktu płynnego.

Dlatego zastosowanie mikrofal powinno być poprzedzone analizą produktu, parametrów procesu, oczekiwanej wydajności oraz miejsca danego etapu w całej linii technologicznej. Próby technologiczne są w tym przypadku nie dodatkiem, lecz jednym z podstawowych elementów właściwego doboru rozwiązania.

Mikrofale to narzędzie. Najważniejszy pozostaje proces

Mikrofale mogą temperować zamrożony blok mięsa, ogrzewać sos, wspomagać pasteryzację produktu przepływającego przez instalację czy przyspieszać usuwanie wilgoci podczas suszenia.

Za każdym razem wykorzystujemy energię elektromagnetyczną, ale produkt, konstrukcja urządzenia oraz sposób prowadzenia procesu mogą być zupełnie inne.

Dlatego pytanie nie powinno brzmieć: czy mikrofale są lepsze od tradycyjnego ogrzewania?

Znacznie bardziej użyteczne jest inne:

w którym miejscu naszego procesu sposób dostarczania energii ogranicza dziś czas, wydajność, jakość produktu lub elastyczność produkcji?

Dopiero odpowiedź na to pytanie pozwala ocenić, czy technologia mikrofalowa może przynieść zakładowi realną korzyść.

Jeżeli takim ograniczeniem jest rozmrażanie, temperowanie, podgrzewanie, pasteryzacja czy suszenie, warto rozpocząć od analizy procesu oraz prób na rzeczywistym produkcie. Dopiero na tej podstawie można odpowiedzialnie ocenić zasadność zastosowania mikrofal i dobrać odpowiednią konfigurację instalacji.

Weindich rozwija kompetencje w zakresie przemysłowych technologii mikrofalowych i wspiera zakłady w analizie takich procesów. Od oceny produktu i parametrów technologicznych po projektowanie i integrację rozwiązania z linią produkcyjną.

W kolejnych artykułach przyjrzymy się poszczególnym zastosowaniom technologii mikrofalowej znacznie dokładniej. Zaczniemy od jednego z najciekawszych dla przemysłu mięsnego: mikrofalowego temperowania mrożonych surowców i jego wpływu na czas procesu, logistykę oraz uzysk produktu.