Procesarea cu ajutorul ultrasunetelor

Tudor Adriana

Introducere

Procesarea minima a alimentelor se defineste ca o tendinta de inlocuire a procedeelor clasice de tratare termica cu procedee noi, atermice, inclusive cu procedee termice noi, mai blande.
Procesarea minima consta intr-o prelucrare simplificata, astfel ca nu se percepe intotdeauna gradul de prelucrare la care au fost supuse alimentele.
Tehnicile de procesare minima pot fi aplicate diferitelor etape ale prelucrarii pe filiera depozitare materii prime agricole-produs gata prelucrat.

Conservarea produselor alimentare in scopul prelungirii duratei de valabilitate sau pentru modificarea caracteristicilor senzoriale constitue o veriga importanta in asigurarea caliatii acestora. Modalitatile prin care se realizeaza acest deziderat cuprind o gama larga de tehnici de conservare.

Cele mai importante tehnici noi de procesare atermica sunt:

F procesarea cu ajutorul presiunilor inalte
F procesarea cu fluide supercritice
F procesarea cu susținerea radiatilor ionizante
F procesarea cu ajutorul campului electric pulsatoriu de inalta tensiune
F procesarea cu impulsuri ultrascurte de lumina
F procesarea cu ajutorul radiatiilor UV
F procesarea cu ajutorul ultrasunetelor
F procesarea cu ajutorul campului magnetic

1. ISTORICUL APARITIE ULTRASUNETELOR
Ultrasunetele au fost descoperite inainte de primul razboi mondial. In anii 1938-1940 au inceput sa fie folosite pentru constructia tuburilor electronice de tărie mare. Dupa descoperirea tranzitoriului, au fost construite generatoare de ultrasunete de putere mare, permitand aplicatii industriale in mai multe domenii. Din 1970 ultrasunetele s-au utilizat pentru uscarea diferitelor produse.
Prin cerectarile fabricate in ultimii 5 ani s-a stability ca industria alimentara constitue un nou domeniu de aplicare in diverse scopuri: controlul materiilor prime si a produselor finite, sporirea unor transformari fizice, chimice si biochimice sau franarea activitatii microbiene, care conduce la asigurarea conservabiliatii produselor alimentare si asigurarea conservabilitatii produselor alimentare si asigurarea calitatii superioare a acestora.
Aceste trasnformari pot fi intesificate, comandate si dirijate pentru atingerea scopului propus, cu un consum de energie termica folosind tratamentul ultrasonic.
Tinand cont de faptul ca in literatura de specialitate sunt putine informatii despre utilizarea si perspective aplicarii ultrasuneteleor in diferitele domenii ale industriei alimentare, se impune prezentarea bazelor fizice ale ultrasunetelor, ca de pildă si aplicatii ale acestora in industria alimentara.
Ca urmare a efectelor ultrasunetelor asupra tesuturilor vii, incepand din anul 1932 apar primele indicatii in întrebuințarea acestora in terapie. Unele rezultate positive obtinute in primii ani de aplicare a metodelor curative ultrasonice au creat un puternic current pentru generalizarea folosirii ultrasunetelor in medicina.
Posibilitatea pe care o au ultrasunetele de a inlatura si cele mai rezistente pojghite de murdarie depuse pe o suprafat metalica a condus la utilizarea acestora pentru protejarea instalatiile folosite in industria alimentara.
Uscarea unui corp nu este altecva decat extragerea lichidului, de cele mai multe ori a apei din acel corp. In mod obisnuit aceasta operatie se efectueaza fie cu ajutorul unui procedeu termic, printr-o ridicare a temperaturii, fie cu ajutorul unui formulă mechanic, cum ar fi centrifugarea. De curand, o noua metoda s-a adaugat celor existente. Este vorba de uscarea cu ajutorul ultrasunetelor.
Iradiind un corp cu ultrasunete, la suprafata de separatie a acestuia de mediul inconjurator au loc alternative mariri sau micsorari ale presiunii.
In industria aliemntara procedeul ultrasonic este folosit la uscarea fermentilor, care nu pot suporta incalziri la temperature mai mari de 400C. Operatia dureaza doar 14 minute, timp ce procedeul de uscare prin vid a aceluias produs finit dureaza 1 ora. Daca ultrasunetul are posibilitatea de a favoriza uscarea atunci el poate imbunatatii si procesul de ardere.

Prin cerectarile confecționate in ultimii 5 ani s-a stabilit ca industria alimentara constituie un nou domeniu de încorporarea in diverse scopuri:

F controlul materiilor prime si al produselor finite
F intarirea unor transformari fizice, chimice si biochimice sau franarea activitatii microbiene, care conduce la asigurarea conservabilitatii produselor alimentare
F asigurarea calitatii superioare a acestora

Aceste transformari pot fi intensificate, controlate si dirijate pentru atingerea scopului propus, cu un consum scăzut de energie termica întrebuințând tratamentul ultrasonic. Pentru utilizarea ultrasunetelor in mod rational si cu eficienta maxima este necesara cunoasterea bazelor stiintifice ale propagarii ultrasunetelor in diferite medii si efectele lor la interactiunea cu aceste medii, consecințe care pot fi utilizate corect in diferitele operatii tehnologice.
Intensificarea operatiilor fizice, chimice si biochimice, consta in suprapunerea peste starea stationara a unui fluid sau solid, sau peste curgerea normala a fluidelor a unor miscari oscilatoii, făcute prin utilizarea vibratiilor ultrasonice.

Oscilatiile elastice sau vibratiile elastice reprezinta vibratiile periodice de stare ale mediului. Pentru propagarea oscilatiile elastice este necesara prezenta legaturii elastice intre particulele substantei.

Oscilatia poate avea diferite forme: sinusoidale, patratice, dinti de fierastrau, iar dupa modul de aplicare pot fi: longitudinale, cand directia oscilatiei este in lungula axei aparatului si trasnversale, cand directia este perpendiculara sau inclinata pe axa aparatului.

Tipuri de unde:

F unde sonore (limita superioara de frecventa 16kHz)
F unde ultrasonore (domeniul de frecventa 16 ÷ 106 kHz)
F unde hipersonice sau microunde (domeniul de frecventa de 16 ÷ 1011 kHz)

Ultrasunetele nu se mai supun legilor mecanicii clasice, nefiind necesara aplicarea legilor mecanicii cuantice.

2. MARIMI CARACTERISTICE UNDELOR SONORE

2.1. Energia acustica = vigoarea totala a particulelor de mediu in care se propaga frontal de unda. Ea se compune din energie cinetica si potentiala a particulelor din volumul constant.

2.2. Intensitatea acustica = reprezinta energia transmisa de unda in unitatea de timp, prin unitatea de suprafata a frontului de unda.

2.3. Presiunea acustica = variatia presiunii totala intr-un punct dat al mediului la un anumit timp, ca urmare a interactiunii ultrasunetelor cu mediul.

2.4. Dispersia ultrasonica = daca un lichid este iradiat cu un fascicul de iltrasunete de o anumita intensitate si interrupt spre suprafata de separare lichid – gaz, se constata ca particulele foarte fine din lichidul iradiat sunt dispersate in mediul inconjurator. Pentru producerea dispersiei este necesar ca intensitatea acustica a fascicolului ultrasonic sa depaseasca o anumita intensitate de prag. Acest fenomen de dispersare a particulelor lichide intr-un mediu gazos sau lichid, cu ajutorul ultrasunetelor, sta la baza formarii aerosolilor si emulsiilor.

3. PARAMETRII DE PROPAGARE A UNDELOR

F absorbtia energiei undelor (atenuarea undelor)
F atenuarea undelor acustice in gaze (numai in cazul undelor cu intensitati mari)
F atenuarea undelor acustice lichide (atenuate de catre vascozitate, conductie termica)
F atenuarea undelor acustice solide
F temperatura (ex: faina uscata cu ultrasunete la 210C a produs o crestere a vitezei de uscare cu 20%, la 940C crestera a fost de 6%)
F intensitatea acustica (130-145dB)
F frecventa ultrasunetelor (rol importanta insa depinde de proprietatile mediului in care se realizeaza difuziunea in camp sonor).
F directia de propagare a ultrasunetelor
F pulsatia undelor
F proprietatile mediului

4. UTILIZAREA ULTRASUNETELOR IN INDUSTRIA ALIMENTARA

4.1. Procesarea ultrasonica se utilizeaza in industria alimentara in urmatoarele scopuri:

F controlul procesului tehnologic pe faze de fabricatie si controlul materiilor prime si al produselor finite
F intensificarea proceselor fizice, chimice, biochimice si biologice
F franarea proceselor chimice si biochimice
In industria alimentara procedeul ultrasonic este folosit la uscarea fermentilor, care nu pot suporta incalziri la temperaturi mai ridicate de 400C. Operatia dureaza doar 14 mninute,, timp ce procesul de uscare in vid a aceluiasi obiect dureaza circa o ora. Daca ultrasunetul are probabilitatea de a favoriza procesul de uscare, el poate imbunatati si procesul de ardere.
Folosind ultrasunetele in loc de caldura, exista posibilitatea desfasurarii reactiilor chimice la temperature obisnuita sau temperature camerei.
Ultrasunetele isi pot gasi o larga aplicare in industria colorantilor. O substanta folosita mai cu seama in industria farmaceutica si a colorantilor este aldehida acetica. Ea poate fi obtinuta din acetilena prin introducerea unei nolecule de apa in molecula de acetilena. Procesul este accelerat atunci cand intervin ultrasunetele.
Aplicand tratarea ultrasonica in scopul conservarii vinului, cercetatorii au putut face o constatare foarte interesanta: compozitia vinului se modifica, dandu-i o limpezime, o aroma si un gust pe care le are numai vinul vechi.
Prin folosirea ultrasunetelor se obtin emulsii mai stabile si mai omogene decat in urma utilizării metodelor mecanice obisnuite. Experienta a aratat ca in decurs de 6 zile nu s-a conceput nici o modificare vizibila a unor emulsii preparate prin ultrasunete, in timp ce emulsiile preparate prin intermediul mijloacelor mecanice uzuale, separarea lichidelor incepuse sa se produca dupa cateva ore.
Ultrasunetul si-a dovedid utiliztatea si in conservarea laptelui. Undele ultrasonice intense pot cauzează in lapte, pe langa un effect de omogenizare si un effect bactericid, ceea ce face ca durata de conservabilitate a lichidului sa se mareasca de 2 -3 ori.

4.2. Produse agroalimentare care pot fi tratate prin ultrasonare:

F extractia ultrasonica a compusilor fenolici din structuri vacuolare prin descojirea, decorticarea fructului sau legumei procesate.
F extractia ultrasonica a betacianinei (pigmentul rosu din sfecla rosie) si betaxantina (pigmentul galben).
F extractia ultrasonica a lipdelor si proteinelor din seminte din plante ca de exemplu soia
F imbunatatirea extractiei uleiului din seminte cu ajutorul ultrasunetelor
F permeabilizarea membranei tesutului celular la fructe precum struguri, prune, mango
F procesarea ultrasonica a sucurilor de fructe: sucuri de portocale, mango, struguri, prune
F pireuri
F sosuri: paste de tomate, paste de asparagus, paste de ciuperci
F produse dietetice

4.3. Conservarea prin folosirea ultrasunetelor

Alterarea produselor alimentare este determinata, in general, de urmatoarele cauze:
- actiunea microorganismelor
- actiunea enzimelor endogene ale materiilor prime
- actiunea fizico-chimica a unor factori de mediu.

Alterarea conduce in final la modificarea negativa a calitatii senzoriale, scaderea sau chiar pierderea valorii alimentare si in unele cazuri la acumularea de toxine, daunatoare sanatatii consumatorului.

Procesarea ultrasonica se utilizeaza in industria alimentara in urmatoarele scopuri:
- constrolul procesului tehnologic pe faze de faricatie si controlul materiilor prime
- intensificarea proceselor fizice, chimice, biochimice si biologice
- franarea proceselor chimice si biochimice.

Ultrasunetele au o actiune bactericida, datorita efectului ravitational, care genereaza campuri electrice nespus de mari, care determina microdescarcari electrice, producand actiuni oxidante prin care se distrug bacteriile si sporii acestora. O metoda mult mai eficienta in acest sens consta in combinarea tratamentului termic sau chimic cu cel ultrasonic. In acest mod s-au distrus toate microroganismele termorezistente sau cele psihrofile.
4. INSTALATII PENTRU REALIZAREA TRANSFERULUI DE SUBSTANTA IN CAMP SONOR

Instalatii de uscare in camp sonor

Au fost proiectate si realizate la scara industriala distincte modele de instalatii de uscare cu ultrasunete.

In acesta instalatie se asigura o economie de combustibil de 20+25% comparativ cu uscarea prin pulverizare clasica.
Uscarea in camp sonor se poate aplica si la instalatiile de usacre in înveliș fluidizat, la care frecventa ultrasunetelor atinge valori de 250kHz.

Pentru realizarea extractiei solid – lichid in camp sonor sunt necesare emitatoare de ultrasunete hidrodinamice.
Acestea pot fi montate in diferitele feluri de extractoare, tinand seama ca propagarea undelor sa aiba aceasi directie si sens cu directia si sensul de deplasare a lichidului de exctractie, pentru ca efectul sa fie maxim.

5. CONCLUZII

Ultrasunetele longitudinale si plane au urmări complexe asupra materiilor prime si produselor aliementare.
Parametrii care influenteaza operatiile care intervin in procesul tehnologic sunt: frecventa, undele acustice, energia acustica, intensiattea, presiunea acustica, impedanta, coeficientul de atenuare si cavitatea acustica.
Frecventa undelor ultrasonice ajută la intensificarea transformarilor fizice, chimice sau biochimice, sau franeaza desfasurarea lor in functie de valorile ei mai ridicate sau mai coborate, cuprinse in intervalul de frecventa 16÷106 kHz. Frecventa optima la care se obtine eficienta maxima difera cu natura mediului de propagare.
Intensitatea acustica contribuie la amplificarea proceselor de transfer de impuls de caldura si de substanta, dar pentru aceasta ea trebuei sa depaseasca o valoare de prag sis a nu depaseasca o valoare maxima. In afara acestor limite ea poate avea efecte negative, de aceea sunt necesare cercetari pentru stabilirea acestor limite su a optimului de actiune pentru dirijarea si controlul trabsformarilor, avand in vedere ca aceste limite difera de la un mediu la altul.
Presiunea acustica contribuie la intensificarea proceselor de transfer de impuls de caldura si de substanta si este in inderdependenta cu ceilalti parametrii.
Coeficientul de atenuare si valoarea lui este functie de proportiile mediului in care se propaga undele, de aceea el poate fi întrebuințat in aprecierea calitatii produselor. Pe baza fenomenelor de atenuare a undelor se pot construe aparate pentru controlul caliattii materiilor prime si a produselor finite.
Cavitatia acustica este un fenomen complex cu efecte multiple asupra materialelor prin care se propaga undele.
Cavitatia, prin efectele ei biologice poate inactiva sau distruge unele micrororganisme favorizand pasteurizarea si sterilizarea atermica a produselor alimentare. Tratamentele atermice cu ultrasunete reprezintă tehnici de prelucrare cu perspective multiple, dar sunt necesare cercetarile in diverse ramuri ale industriei aliemnater pentru stabiliarea conditiilor de utilizare.
_________________
ing. Adriana Tudor, Timisoara

	Pagina de start a forumului Securitatea Alimentara -> Alimentele si Sanatatea	Ora este GMT + 2 ore
Pagina 1 din 1