Modelado del calentamiento y pasteurización de productos líquidos en tanques con y sin agitación asistidos por microondas

Una de las tecnologías más empleadas para el calentamiento de alimentos es la de microondas. Se aplica a nivel doméstico pero tiene dificultades en diseños industriales, como la no uniformidad en la distribución de las temperaturas. Esto se origina por una distribución no homogénea de los campos electromagnéticos, dependiendo de las propiedades dieléctricas del material y de la geometría del sistema. La pasteurización por calor es uno de los procesos más utilizados para extender el período de aptitud de alimentos y hacerlos más seguros para el consumo. Este proceso asistido por microondas es una alternativa tecnológica que provoca, en estos atributos, un daño menor que los tratamientos térmicos tradicionales, presentando ventajas como reducción de impacto ambiental, ahorro de energía, ahorro de espacio y disminución de los tiempos de proceso. Sin embargo, este tratamiento requiere alcanzar un valor de temperatura mínima en todo el volumen, para asegurar la letalidad de ciertos microorganismos y a su vez, no excederse de un valor máximo para minimizar la pérdida de nutrientes. En base a lo anterior se analizó el calentamiento de un producto líquido dentro de un tanque (reactor) mediante microondas con y sin agitación mecánica. Se desarrolló un modelo matemático del balance microscópico de energía considerando un término fuente para integrar la interacción con la energía de las microondas. La distribución electromagnética se obtuvo de las ecuaciones de Maxwell tanto para el producto como para la cavidad. En el tanque agitado, al balance de energía se acopló el balance microscópico de cantidad de movimiento, para resolver la distribución de velocidades dentro del mismo. Los balances acoplados fueron resueltos empleando el método de elementos finitos con el software COMSOL Multiphysics; obteniendo los perfiles de velocidades, campo eléctrico y temperatura. Las simulaciones numéricas permitieron analizar el efecto de la agitación en este tipo de sistemas. De esta manera se evaluó el efecto de velocidad de agitación en los perfiles de temperatura desarrollados en la muestra como resultado del calentamiento con microondas. Como conclusión general del estudio realizado, el empleo de agitación resulta de vital importancia para mejorar la uniformidad en los perfiles de temperatura con el propósito de asegurar la inocuidad del producto final.Microwaves technology is one of the most used for food heating. It is household applied, but presents industrial troubles due to the non-uniform temperature distribution. This phenomenon can be attributed to the non-homogeneity in the electromagnetic field distribution, depending on dielectric properties of the material and system geometry. Heat pasteurization is the most used process to extend the shelf life of the foods and to become safe for human consume. The process assisted by microwaves constitutes a technological alternative that provokes a lower damage compared with traditional thermal treatments showing some advantages: environmental impact decreases, energy and space savings and lower process times. However, this treatment needs to reach a minimum temperature value in the whole volume to secure the deadliness of several microorganisms and not exceed a maximum value to minimize nutrient loss. This work deals with the mathematical analysis of microwaves heating of a liquid food in a stirred and unstirred tank. A mathematical model was developed, microwaves energy was considered as a source in the microscopic heat balance. Maxwell equations were solved to obtain the electromagnetic field distribution. Coupled energy and momentum microscopic balances were solved to know velocity distribution due to the impeller movement in stirred tank. The balances were solved through Finite Elements Method using COMSOL Multiphysics software; obtaining velocity electromagnetic and temperature profiles. Numerical simulations allow analyzing the stirring effect in the reactor-cavity microwave system. Thus, the effect of stirring velocity in the temperatures profiles was evaluated. As general conclusion of this work the use of stirring is vital to improve the uniformity in temperatures profiles in order to ensure the safety of the final product.Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de AlimentosConsejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnica