Modelado Matemático del Calentamiento Controlado de Alimentos Empleando Microondas

Abstract

Las aplicaciones de técnicas de calentamiento empleando microondas en alimentos han ido creciendo en la última década. En este contexto, existe la necesidad de entender la interacción entre las microondas y los alimentos con la finalidad de producir una mejor eficiencia en el proceso. Existe evidencia de la aparición de puntos fríos y calientes en el interior de los productos cuando son sometidos a radiaciones electromagnéticas. Esta falta de uniformidad en los perfiles internos de temperatura, constituye un obstáculo para su implementación a nivel industrial. En este trabajo se desarrolló un modelo matemático que resuelve el balance microscópico de energía, teniendo en cuenta la interacción radiación-producto a través de las ecuaciones de Maxwell. El producto se consideró tridimensional y las propiedades térmicas y electromagnéticas como función de la temperatura interna. El modelo fue resuelto por un método numérico debido a que las ecuaciones diferenciales son no lineales y altamente acopladas. Se seleccionó el método de elementos finitos empleando el software comercial COMSOL MultiphysicsTM 3.4. Los módulos utilizados para el modelo fueron: Ondas Electromagnéticas (RF) y Convección y Conducción de Energía (estado transiente), empleando un mallado selectivo para obtener mayor definición en el interior del producto. El programa empleó un resolvedor directo UMFPACK. Los resultados numéricos se compararon con los resultados experimentales obtenidos en nuestro laboratorio. Los ensayos se efectuaron en un horno experimental de laboratorio, en el cual dos señales mutuamente excluyentes inciden en caras opuestas del producto a calentar. El horno consiste en un sistema de guías de onda funcionando en el modo dominante TE a la frecuencia de trabajo 2,45 GHz. La señal se origina en un magnetrón y se fracciona en dos ramas a través de un divisor de potencia, para permitir la incidencia de señal en ambas caras del material. Los experimentos se efectuaron sobre probetas colocadas en el interior de la guía de onda y se midió la temperatura en el interior de las muestras durante diversos períodos de tiempo. La validación del modelo matemático empleando los valores experimentales de temperatura fue exitosa para muestras líquidas y para semisólidas.