Aquecimento por micro-ondas

O uso de energia eletromagnética para aquecimento de materiais dielétricos começou a ganhar impulso com a patente do primeiro forno de micro-ondas em 1946 por engenheiros da Raytheon Corporation, baseando-se nos efeitos observados pelo Dr. Percy Spencer, que verificou a influência de ondas eletromagnéticas no aquecimento de determinados materiais como chocolate, ovo e milho de pipoca (PEREIRA E PINHO, 2002).

A energia de micro-onda é uma modalidade de radiação eletromagnética como a luz ultravioleta, raios-X, ondas de televisão, rádios AM e FM e infravermelho (Figura 14). Está

situada no intervalo de frequências compreendido entre 300MHz e 300GHz, com comprimentos de onda que se estendem entre 1 m e 1 mm, respectivamente. As bandas de frequências utilizadas para aplicações em eletrotermia (energia elétrica utilizada para produzir calor) são restritas, a fim de se evitar interferências nas faixas de frequência utilizadas em telecomunicações. São reservadas em eletrotermia algumas faixas estreitas de frequências, entre as quais as mais empregadas em micro-ondas são 915 ±25 MHz e 2.450 ±50MHz que correspondem a comprimentos de onda no vácuo de 32,8 cm a 12,25 cm, respectivamente (SENISE, 1985).

Figura 13. Representação do espectro eletromagnético (DALL´OGLIO, 2002).

Figura 14. Espectro eletromagnético. (DALL’OGLIO, 2002)

De acordo com Smit (1987), as ondas eletromagnéticas Figura 15, são oscilações de campos elétricos e magnéticos associados que se propagam pelo

espaço.

Figura 15. Ilustração de onda eletromagnética polarizada propagando-se num plano perpendicular (λ = comprimento de onda, E = campo elétrico, Η = campo magnético e C = direção da propagação).

A onda eletromagnética é caracterizada pela frequência (f), pelo comprimento de onda (λ) e pela velocidade de onda (V). A frequência é uma propriedade invariante, não se alterando por nenhum processo linear. A velocidade da onda varia dependendo do meio em que a onda esta se propagando. A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo é de aproximadamente 3 x 108 m s-1. O comprimento de onda é a relação entre velocidade e a frequência dado por:

A quantidade de energia (W) contida em uma onda eletromagnética, medida em Joules (J), é definida por:

Onde:

h= constante de Planck 6,36 X 10 -34 (J Hz-1); f = frequência (Hz).

As micro-ondas são geradas pelo “magnetron”, um tubo oscilador alimentado por um circuito eletrônico capaz de converter energia elétrica de um circuito industrial (60 Hz) em energia eletromagnética de micro-ondas (por exemplo, 2.450 MHz). A penetração e o aquecimento de alimentos em um campo de micro-ondas são praticamente instantâneos, em contraste com métodos convencionais de aquecimento, onde o transporte de calor ocorre por condução ou convecção (Figura 16).

Figura 16. Formas de aquecimento condutivo e por micro-ondas.

Um sistema de aplicação de energia de micro-ondas é composto basicamente por componentes de geração da energia em uma determinada frequência e de condução da mesma para um aplicador, no qual gera calor dentro dos materiais dielétricos.

Sistema de geração de micro-ondas é composto pela fonte de alimentação que fornece as tensões e correntes necessárias para alimentar o gerador de micro-ondas. O gerador é um oscilador que converte a potência fornecida pela fonte em energia nas frequências de micro- ondas e o oscilador mais usual é o do tipo “magnetron”.

A transmissão de micro-ondas é realizada de forma guiada por meio da propagação do campo eletromagnético em tubos metálicos altamente condutivos. (MARSAIOLI, 1991; PEREIRA, 2007).

Distinguem-se dois tipos de aplicadores, em um caso a interação ocorrerá em um guia de onda preenchido pelo dielétrico e, em outro, a interação ocorrerá dentro de uma cavidade. No primeiro, o tipo de propagação é monomodal, ou seja, as ondas se propagam em

uma única direção. Já a distribuição de campo elétrico dentro de uma cavidade ocorre a partir da propagação multimodal, ocasionada pela reflexão das ondas nas paredes metálicas da cavidade, o que gera um dos principais problemas associados com o aquecimento por micro- ondas, a produção de zonas quentes e frias no produto. Isso ocorre devido ao fenômeno de onda estacionária, onde ondas refletidas aparecem e se superpõem entre si à onda incidente. A relação entre as intensidades de campo elétrico máximo e mínimo é denominada razão de onda estacionária (ROE). A onda refletida nos pontos em que chega em fase com a onda incidente soma-se à mesma e aumenta o valor do campo elétrico. Isso resulta em uma distribuição não uniforme do campo elétrico dentro de um aplicador e consequentemente em um aquecimento não uniforme.

Nas cavidades, uma parte deste aquecimento não uniforme é devido ao aplicador. Este fenômeno é causado pelos valores altos e baixos do campo elétrico, que são intrínsecos à sua estrutura geométrica. Portanto, a geometria do material, assim como as suas propriedades dielétricas, também afetam a uniformidade do aquecimento.

As propriedades dielétricas dos materiais determinam a quantidade de energia acoplada em um produto, sua distribuição dentro do produto e por consequência, o tempo e a frequência das micro-ondas necessárias para o aquecimento em processos de transferência de energia por radiação (MUDGETT, 1996).

3.6.1. Propriedades dielétricas

A constante dielétrica é uma propriedade intrínseca dos meios e está relacionada com a resposta dos materiais aos campos elétricos. A interação fundamental dos campos com a matéria se manifesta mediante a polarização. Os materiais dielétricos têm a capacidade de armazenar energia elétrica. Para converter energia de micro-ondas em energia térmica, ocorrem mecanismos em escala molecular e atômica (BUFFLER, 1992). A migração iônica e a rotação dipolar são da maior importância nos sistemas de aquecimento de materiais biológicos através de micro-ondas.

O aquecimento de alimentos por micro-ondas, nas frequências geralmente empregadas no processamento industrial dos alimentos (915 e 2.450 MHz), resulta do acoplamento de energia de um campo eletromagnético em uma cavidade de micro-ondas.

Essas interações levam à geração de calor instantânea dentro do produto devido ao “atrito molecular”, primariamente por causa da ruptura de pontes de hidrogênio fracas associadas com a rotação dos dipolos de moléculas de água livre e com a migração

eletroforética de sais livres em um campo elétrico de polaridade rapidamente variável. Esses efeitos estão predominantemente relacionados com os constituintes iônicos aquosos dos alimentos e seus constituintes sólidos associados e de sua dissipação dentro do produto. Isto resulta em elevação de temperatura instantânea dentro do produto, em contraste com os processos de aquecimento convencionais que transfere energia da superfície, com constantes térmicas de tempo longas e lenta penetração de calor (MARSAIOLI, 1991).

Na migração iônica (Figura 17), os componentes ionizados colidem aleatoriamente com moléculas não ionizadas quando submetidos a um campo elétrico alternativo. A energia elétrica destes íons é convertida em calor durante as colisões. No caso de aquecimento pela rotação dipolar, moléculas polares como a água e outras moléculas que podem se tornar “dipolos induzidos” devido às tensões causadas pelo campo, influenciadas pela rápida mudança de polaridade deste campo.(DECAREAU e PETERSON, 1986).

Figura 17. Representação esquemática da migração iônica.

A rotação dipolar é o efeito que o campo elétrico oscilante das micro-ondas causa as moléculas que possuem movimento dipolar induzido ou permanente.

Quando se estabelece um campo elétrico, as moléculas dipolares se alinham com os polos deste campo elétrico (Figura 18).

Figura 18. Rotação de uma molécula de água com o campo elétrico de uma micro-onda. Decareau e Peterson (1986).

Como as ondas eletromagnéticas geram campos elétricos positivos e negativos alternados, provoca-se uma desordem e agitação das moléculas dipolares, transformando-se em calor a energia absorvida para o realinhamento das moléculas. A Figura 19 ilustra o fenômeno, onde ocorre uma rápida mudança de posição das moléculas, alternando a sua direção. Quando o campo elétrico é removido, as moléculas retornam ao seu estado de desordem, em um tempo de relaxação t resultando em geração de energia térmica.

Figura 19. Representação da resposta molecular submetido a um campo eletromagnético. Moléculas polarizadas alinhadas com os polos do campo eletromagnético; Desordem termicamente induzida quando o campo eletromagnético é alterado. (E.D.NEAS, M.J.COLLINS. Microwave Heating, In: Kingst & Jassie, 1977)

Quando se utiliza a frequência de 2.450 MHz, o alinhamento das moléculas e seu retorno ao estado de desordem ocorrem 4,9 x 109 vezes por segundo, o qual resulta em aquecimento rápido e eficiente. (E.D.NEAS, M.J.COLLINS. Microwave Heating, In: Kingst & Jassie, 1977)

3.6.2. Capacidade de penetração das micro-ondas

Quando se irradia um material qualquer com micro-ondas, existem três possibilidades quanto à penetração da onda eletromagnética:

a) Reflexão: o material reflete a micro-ondas sem ser afetado pelas mesmas.

b) Transparência: as micro-ondas atravessam o material sem provocar nenhum efeito. c) Absorção: o material absorve total ou parcialmente a radiação.

Como os materiais diferem na sua habilidade de conversão da energia eletromagnética das micro-ondas em calor, é importante conhecer o fator de dissipação de energia do material. Este fator representa a capacidade que cada material possui em absorver energia de micro- ondas. Esta absorção está diretamente relacionada com o grau de penetração da radiação no

material. A penetração é nula nos materiais que refletem micro-ondas, como os metais, e infinita nos meios transparentes (quartzo e TeflonTM).

Na figura 20, estão representadas as propriedades dielétricas da água destilada em função da frequência, a 25ºC. Observa-se que significantes perdas dielétricas ocorrem acima de 10.000 MHz, enquanto que os aparelhos de micro-ondas domésticos operam a frequências muito inferiores, 2.450 MHz. Existe um motivo para se utilizar esta frequência: é necessário que o material seja eficientemente aquecido em seu interior. Se a frequência for ótima para uma máxima velocidade de aquecimento, as micro-ondas serão absorvidas nas regiões externa do produto e penetrarão muito pouco. Portanto a profundidade de penetração, que é a profundidade dentro de um material onde a potência atinge a metade de seu valor na superfície, e um importante parâmetro experimental. (KINGST & HASWELL, 1977)

Figura 20. Propriedades dielétricas da água em função da frequência. (E.D.NEAS, M.J.COLLINS. Microwave Heating, In: Kingst & Jassie, 1977)

Quando o material é aquecido, o tempo de relaxação dielétrica irá mudar com o fator de dissipação e consequentemente com a profundidade de penetração, Tabela 03.

Tabela 03. Efeito da temperatura no fator de dissipação da água. Temperatura (ºC) Tangente δ (x 104) 1,5 3.100 5,0 2.750 15,0 2.050 25,0 1.570 35,0 1.270 45,0 1.060 55,0 890 65,0 765 85,0 547 95,0 470

Medidas feitas a 3.000 MHz. Dados extraídos de Von Hipel, A.R. Dieletric Materials and Applications; John Wiley: New York, 1954; p.301

Segundo Mudgett (1966) os alimentos em geral, podem ser visualizados como dielétricos de capacitores não ideais no sentido que estes possuem a habilidade de dissipar e armazenar a energia elétrica de um campo eletromagnético, através de um conjunto de propriedades dielétricas expressa em notação complexa com uma componente real, constante dielétrica, ( ’) e uma componente imaginária, perda dielétrica ( ”). Tais materiais não interagem com o componente magnético do campo por causa da sua permeabilidade magnética e além disto eles são geralmente isolantes pobres, pois dissipam quantias consideráveis de energia elétrica, acoplada através do mecanismo de relaxação e condução relacionadas basicamente ao teor de água livre e ao teor salino, resultando em calor gerado internamente (VON HIPPEL, 1966)

Senise (1985) relata que as micro-ondas são empregadas para o aquecimento de materiais dielétricos, ou seja, maus condutores elétricos e maus condutores térmicos.

Desde que a energia eletromagnética penetre no material dielétrico ocorre a transformação em calor por um conjunto de mecanismos em escala molecular e atômica, entre os quais se sobressaem a condução iônica e rotação polar. A esta última associa-se a imagem de histerese dielétrica, termo que identifica o aquecimento de materiais dielétricos sob a ação das micro-ondas.

Os mecanismos de deslocamento de cargas ou polarização variam com o tipo e temperatura do dielétrico e a frequência do campo elétrico. Os parâmetros que caracterizam os materiais dielétricos são:

 Permissividade dielétrica relativa ’ (Constante dielétrica): avalia a capacidade de um material armazenar energia elétrica de maneira reversível.

 Fator de perda relativa ”: parâmetro dado pelas propriedades elétricas de dissipação de energia elétrica sob a forma de calor, desta forma, de maneira irreversível.

 Tangente de perdas: O coeficiente dos dois valores dado pela Equação 13. Este valor indica a capacidade do material de ser penetrado pelo campo elétrico e de dissipar a energia em forma de calor, ou seja, determina a extensão de reflexão e transmissão de energia dentro do mesmo.

A maioria das aplicações de micro-ondas nas indústrias químicas e de alimentos é relativa à água. A água líquida apresenta em comparação aos dielétricos comuns, os valores mais elevados de ’ e ”. Desta forma, pode-se concluir que materiais com maior umidade, são mais fáceis de aquecer com a aplicação de micro-ondas. (SENISE, 1985)

3.6.3. Secagem com aplicação de micro-ondas

As características do aquecimento dos materiais por micro-ondas são relativas às suas propriedades dielétricas. Essas características dielétricas influenciam nas transferências internas aos materiais. Mas mesmo no caso da secagem por micro-ondas, os fenômenos externos podem influenciar nas velocidades de secagem, daí o interesse pelos processos de secagem acoplados, tais como secagem por convecção com aplicação de micro-ondas.

Na prática, o aquecimento por micro-ondas e o comprimento de onda a ser utilizado dependem da interação de fatores como volume e formato da cavidade, proporção de água, sais e gordura no material a ser seco, propriedades dielétricas, estrutura geométrica e estado físico do material. Sabe-se também que a parte sólida do material pouco contribui para seu comportamento dielétrico em níveis elevados de umidade (HENRY e CHAPMAN, 2002).

Como a energia de micro-ondas gera calor no interior dos materiais processados, o aquecimento é praticamente instantâneo, o que resulta frequentemente em tempos de processamento mais curtos e aquecimento homogêneo com qualidade do produto superior à obtida pelos métodos convencionais. Outra vantagem é a preservação de componentes nutricionais importantes, como vitaminas, proteínas e minerais (HENRY e CHAPMAN, 2002).

Trabalhos anteriores mostram que longos tempos de secagem e temperaturas elevadas acarretam uma degradação substancial nos produtos secos, podendo interferir no sabor, na cor, nos nutrientes, acarretar encolhimento, assim como interferir na capacidade de reidratação. Esta tecnologia tem oferecido nas ultimas décadas uma alternativa para os processos de secagem, seja do aspecto de uma melhor eficiência energética comparada com a secagem convectiva por ar quente, principalmente na etapa de taxa de secagem decrescente, ou de uma maior conservação na qualidade dos produtos, dado pelo tempo de processamento menor (MASKAN, 2000).

Segundo Berteli (2005), o processo de secagem assistido a micro-ondas resulta em tempos de processamento mais curtos, maior rendimento e usualmente em uma qualidade do produto superior à encontrada com técnicas convencionais de secagem.

A combinação de métodos de secagem convencionais com aplicação de micro-ondas cria uma grande vantagem, pois enquanto o ar de secagem carrega a água livre na superfície do produto úmido, as micro-ondas aquecem o interior do produto, facilitando o transporte da água interna para a superfície do material (GOKSU et al. 2004; FENG et al., 2001). Outros estudos sugerem um sistema duplo onde primeiro se trabalha com secagem convectiva e, após o produto atingir umidade crítica, inicia-se a segunda fase com aplicação de micro-ondas. (SCHIFFMANN, 1987)

A secagem com aplicação de micro-ondas representa um método alternativo aos processos convencionais, principalmente no que se refere ao período de taxa decrescente. Nesta etapa, a remoção da umidade é mais difícil, pois a superfície seca do material promove uma barreira à evaporação, exigindo alto consumo de energia. Diante disto, a secagem pode ser realizada em um primeiro instante pelo método convencional seguido da aplicação de micro- ondas ou também com a aplicação de diferentes níveis de potências de acordo com as necessidades de transferência de calor e massa de cada período da curva de secagem.

Tsukui, A.; Rezende, C. M. (2014) abordaram diversas temáticas relacionadas aos princípios da Química Verde, como catálise, solventes alternativos e desenvolvimento de processos mais seguros e eficientes nos processos de extração através da utilização da irradiação micro-ondas, como uma alternativa para a redução de resíduos através da utilização de pequena quantidade de solventes ou mesmo sua ausência nos laboratórios de pesquisa.

Botha et al. (2012) ao estudarem a secagem de abacaxi osmoticamente desidratado com ar quente e aplicação variável de micro-ondas, perceberam que a variação da potência de micro-ondas durante a secagem combinada com temperaturas baixas do ar, pode resultar num processo de secagem rápida, sem carbonização significativa de pedaços dos abacaxis.

Lombraña et al. (2010) estudaram a influência da secagem com aplicação de micro- ondas em cogumelos fatiados para diferentes condições operacionais relacionadas com controle de temperatura e pressão e seus efeitos sobre a cinética de secagem e qualidade do produto. Ressaltaram a importância da utilização e aplicação industrial de micro-ondas na inativação de enzimas responsáveis pelo escurecimento de cogumelos.

Vários estudos de secagem de produtos agrícolas utilizando a energia de micro-ondas foram relatados, Marsaioli et al. (2009); Lescano (2009); Fukuda e Silveira (2008); onde concluíram que as micro-ondas em relação aos processos convencionais de secagem pode ser uma alternativa viável, funcionando de forma eficiente , obtendo a redução do tempo de secagem, sendo recomendado para materiais de difícil secagem atingindo baixos teores de umidade.

Feng e Tang (1998) compararam a secagem de cubos de maçã em secador de leito de jorro e secador de leito de jorro com aplicação de micro-ondas, e concluíram que o material seco no equipamento com aplicação de micro-ondas, apresentou menor descoloração e maiores taxas de reidratação, além de uma diminuição de mais de 80% do tempo de secagem, quando comparado com a secagem no equipamento convectivo.

Owusu-Ansah (1991) cita a necessidade de se renovar os velhos processos usados na indústria de alimentos e cita como exemplo o preparo de gelatina que ao se utilizar o processo convencional passa por nove etapas, requerendo equipamentos caros, onde requer alto investimento em infraestrutura. Ao se utilizar um secador contínuo a micro-ondas o processo é reduzido a quatro etapas e o produto obtido apresenta características melhoradas em relação ao método convencional.

3.6.4. Aplicações industriais da energia de micro-ondas combinada com ar quente

Na literatura estudos reportam a combinação da energia de micro-ondas com o processo convencional por convecção, de forma que a secagem foi dividida em dois estágios. Durante a fase inicial foi empregada a secagem convectiva com ar quente e durante a etapa final foi realizada a aplicação de micro-ondas combinada ou não com convecção (ROSA, 2012; MASKAN, 2001; FENG e TANG, 1998 e PRABHANJAN et al., 1995).

O emprego da radiação em um segundo estágio da secagem, é utilizado a fim de acelerar o processo, de forma que a energia de micro-ondas atue de forma específica na sua etapa mais lenta, proporcionando, na maioria dos casos, maior eficiência energética e melhor

qualidade do produto final. Isto porque, o tempo de exposição do material a altas temperaturas é reduzido em comparação à secagem convencional.

Schiffmann (1987) cita uma melhora da eficiência com diminuição dos custos de secagem através de combinação de ar quente e micro-ondas. O ar quente é relativamente eficiente na remoção da água livre ou de capilaridade, próxima a superfície, enquanto que a energia de micro-ondas fornece um meio eficiente de remoção da água livre e da água ligada, situada no interior das células e de difícil remoção através dos processos convectivos. Existem três formas de combinação entre o uso de micro-ondas com os métodos convencionais de secagem descritas a seguir:

 Pré-aquecimento: a energia de micro-ondas é aplicada na entrada do secador convencional, forçando a migração da umidade para a superfície, permitindo a operação do secador convencional na sua condição mais eficiente (Figura 21).

Figura 21. Curva típica de sistema misto de secagem pré-aquecimento.

 “Booster drying” a energia de micro-ondas é aplicada no secador convencional quando a superfície do material está seca, a umidade está concentrada no centro e a taxa de secagem começa a cair (Figura 22).

Figura 22. Curva típica de sistema misto de secagem “booster dryng.”

 Secagem final: É a fase menos eficiente da secagem convencional, quando se gasta 2/3 do tempo total para remover 1/3 de água. O uso da energia de micro-ondas na saída do secador convencional compensa a ineficiência do ar quente através da geração interna do calor, peculiar neste tipo de processo. (Figura 23).

Figura 23. Curva típica de sistema misto de secagem final.

Smith (1979) estudou a influência da aplicação de micro-ondas durante o processo de secagem e concluiu que o aquecimento dielétrico, combinado com a convecção forçada convencional e introduzido a partir da umidade crítica, apresenta efeito sinergético na secagem, ou seja, velocidades de secagem mais altas do que a soma das velocidades dos processos de secagem somente com convecção forçada ou somente com micro-ondas.

Isto é possível porque o gradiente de pressão no interior do alimento causado pelo aquecimento dielétrico favorece o transporte da umidade, atuando no mecanismo limitante do processo convectivo de secagem – a difusividade de umidade – não permitindo a queda da velocidade de secagem e reduzindo o tempo de processamento (FUNEBO e OLHSSON,