VIII CAIQ2015 y 3 JASP

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Reactor DBD de Plasma No-Térmico. Efecto Sinérgico en Hornos de

Cocción con Vapor Sobrecalentado

Carlos R. Gay1, Graciela Prieto

1*, Oscar Prieto

1, Tomoko Nakajima

2, Kazunori

Takashima2, Akira Mizuno

2.

1 Universidad Nacional de Tucumán, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología,

Departamento de Ingeniería de Procesos, Laboratorio de Reactores Químicos; Ave.

Independencia 1800, (4000) San Miguel de Tucumán, Tucumán, Argentina. Email:

gprieto@herrera.unt.edu.ar

2 Toyohashi University of Technology, Department of Environmental and Life

Sciences, Applied Electrostatics Laboratory; Tempaku-cho, 441-8580, Toyohashi,

Japan

Resumen. El horno comercial doméstico HEALSIO AX-2000, Sharp Co. para

cocción de alimentos, modificado con un reactor de plasma no-térmico de descarga en

barrera dieléctrica (Reactor NTP-DBD) adaptado en su interior, fue usado para estudiar

el efecto sinérgico entre el vapor de agua sobrecalentado (SHS) y el plasma frío para

estudiar la acción conjunta en la cocción de alimentos. Se encontró como ventajas

innovadoras la mejora de la cocción, la reducción del tiempo y a la vez se mejoró la

calidad del alimento, que resultó con menor deshidratación, menor contenido de grasa y

un mejor dorado de la comida.

Como la tendencia moderna en la industria de artefactos para cocinar alimentos es

integrar dos o más tecnologías de cocción (convencional, convección, microondas,

vapor, vapor sobrecalentado, etc.) dentro de un solo producto, para crear un sistema de

cocción multimodal capaz de generar el proceso de cocción más conveniente y

adecuado para cada tipo de alimento, el presente trabajo ha significado la incorporación

de esta tecnología de plasma frío para el desarrollo de la próxima generación de hornos

de cocción de la Compañía Sharp Co. a través de proyectos de investigación conjunta.

Palabras Claves: reactor DBD, plasma no-térmico, horno con SHS,

cocción de alimentos

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1. Introducción

Desde principios del 2011 trabajamos en la carbonización de material celulósico

(madera) sin combustión, empleando la característica deshidratante del Super Heated

Steam (SHS) asistida por el intenso campo eléctrico producido por un reactor de plasma

frío de descarga en barrera dieléctrica (DBD Nonthermal Plasma Reactor). Como

generador de vapor sobrecalentado se usó un horno de cocción de alimentos con SHS

comercializado con el nombre de HEALSIO por Sharp Co., empresa con la cual existen

convenios vigentes (Sharp Co. – Toyohashi University of Technology) para el

desarrollo de nuevas tecnologías.

Pensamos que este efecto sinérgico podría cobrar mucha importancia si el material a

carbonizar sin combustión fuera un alimento. Es bien conocido, que con excepción de

los hornos tradicionales de cocción por convección, sistemas tales como microondas,

muy usados en la actualidad, no tienen capacidad para dorar las comidas, dejando la

superficie húmeda y con aspecto poco agradable. Se desarrollaron varias tecnologías

para mejorar la calidad y el aspecto en la cocción de alimentos, y la última generación

corresponde a los hornos con SHS, siendo el HEALSIO de Sharp el de mayor

aceptación comercial.

Entonces, pensamos en una nueva aplicación del desarrollo de la Ingeniería Química

para la carbonización de materia orgánica a través de los reactores de plasma frío, pero

en lugar de material celulósico estudiamos el efecto sobre alimentos (hidratos de

carbono).

Las tecnologías con SHS fueron desarrolladas y aplicadas a diferentes procesos:

generación de energía, secado, desodorización, producción de coque, decapado y

limpieza, equipos de cocción para uso doméstico y comercial, desecación y reducción

del volumen de residuos orgánicos, producción de combustible por carbonización de

residuos de madera de bambú, descontaminación de suelos (extracción de dioxina),

tratamiento de frutos y vegetales para remoción de agroquímicos, esterilización para

mejorar calidad de arroz y granos, etc.

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El Reactor DBD de plasma no-térmico es en esencia un reactor en donde la fuente de

energía es un campo eléctrico muy intenso, generado por una descarga eléctrica entre

dos electrodos separados por una barrera dieléctrica de material aislante. Sobre la

superficie del aislante se generan microdescargas que crean un plasma homogéneo, sin

que se produzca un arco eléctrico (breakdown).

El horno comercial doméstico HEALSIO AX-2000, Sharp Co., modificado con un

reactor de plasma no-térmico de descarga en barrera dieléctrica (Reactor NTP-DBD)

adaptado en su interior, fue usado para estudiar el efecto sinérgico entre el vapor de

agua sobrecalentado y el plasma frío para la acción conjunta de cocción de alimentos,

con la ventaja innovadora de mejorar la cocción.

En este sentido, con el nuevo sistema combinado se evita la excesiva deshidratación

del alimento (lo cual es una desventaja de los hornos con SHS) simplemente porque

disminuye la variable “tiempo de cocción”. Otra ventaja lograda por la acción conjunta

del SHS+Plasma es la efectiva remoción de grasa, que queda depositada y a la vista

alrededor del alimento, lo que implica además un método de cocción mucho más

saludable. Por último, es notable el mejor dorado de la comida.

El Vapor Saturado es vapor en equilibrio termodinámico con agua, a una presión

fijada. Si el vapor saturado es calentado a presión constante hasta sequedad, se produce

el vapor sobrecalentado (Super Heated Steam, SHS). Cuando el SHS es puesto en

contacto con agua, ésta se incorpora al mismo transformándolo de nuevo en vapor

saturado. Estas explicaciones acerca del comportamiento termodinámico del vapor

claramente explican la razón por la que el SHS se usa principalmente para el secado

industrial. Con referencia a las aplicaciones en secado, SHS es por lejos más rápido que

el secado con aire caliente y también más barato que el secado por liofilización

(deshidrocongelación).

Las tecnologías con SHS fueron desarrolladas y aplicadas a diferentes procesos:

generación de energía, secado, desodorización, producción de coque, decapado y

limpieza, equipos de cocción para uso doméstico y comercial, desecación y reducción

del volumen de residuos orgánicos, producción de combustible por carbonización de

residuos de madera de bambú, descontaminación de suelos (extracción de dioxina),

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tratamiento de frutos y vegetales para remoción de agroquímicos, esterilización para

mejorar calidad de arroz y granos, etc.

Usando SHS a temperatura moderada (250-450ºC) y presión controlada, el carbón

formado a partir de biomasa de hojas de cedro, tiene muchas aplicaciones potenciales

que incluyen adsorbentes para contaminantes ambientales, catalizadores, y

constituyentes de varias medicinas. Tratando virutas de cedro se obtiene carbón

nanoporoso (superficie mayor a 1.000 m2/g) (Hosogi et al. 2010, Li et al. 2006, Ito et al.

2007). Otros materiales orgánicos fueron carbonizados más eficientemente con SHS

producido por plasma no térmico de descarga en barrera dieléctrica (DBD) (Hayashi

2013).

La tendencia moderna en la industria de artefactos para cocinar alimentos es integrar

dos o más tecnologías de cocción (convencional, convección, microondas, vapor, vapor

sobrecalentado, etc.) dentro de un solo producto, para crear un sistema de cocción

multimodal capaz de generar el proceso de cocción más conveniente y adecuado para

cada tipo de alimento. Aunque los hornos de microondas proveen velocidad y

conveniencia, una de sus principales desventajas es la redistribución no deseada de

humedad, producida por el rápido calentamiento interno que, combinado con el aire frío

alrededor del alimento dentro del horno, impide la remoción de esa humedad. Esto

produce una textura gomosa y húmeda en la superficie del alimento, lo que a su vez

impide dorar las superficies. En cuanto a los hornos de vapor sobrecalentado, Sharp Co.

creó un producto con el objetivo de una cocción saludable en vez de buscar rapidez en

la cocción. La tecnología de estos hornos ayuda a los usuarios a promover dietas

saludables, porque disminuye el contenido calórico de los alimentos removiendo las

grasas, a la vez que mantiene la mayoría de sus vitaminas y nutrientes que normalmente

se pierden por oxidación durante la cocción. Esto se logra purgando el oxígeno del

horno con la introducción del vapor sobrecalentado. Normalmente el vapor es generado

calentando agua a 100ºC, y aunque esto es relativamente estable, si hay áreas frías

dentro de la cavidad del horno, el vapor se condensa. Para producir vapor

sobrecalentado, el vapor común es forzado a pasar por un segundo generador de vapor

dentro de la cavidad del horno, obteniendo así SHS a temperaturas de hasta 288ºC. El

vapor sobrecalentado es extremadamente inestable, y por eso busca rápidamente las

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áreas frías, que en este caso están en el alimento a cocinar. Una vez que se pone en

contacto con el alimento entrega el calor extra acumulado en sus moléculas por el

sobrecalentamiento. Como resultado, el vapor se condensa y remueve la grasa que tiene

incorporada el alimento en su estructura porque la funde. Cuando se recalientan

alimentos fritos, el SHS adicionalmente remueve el aceite contenido en los rebozados

(Lowe 2006).

El Reactor DBD de plasma no-térmico es en esencia un reactor en donde la fuente de

energía es un campo eléctrico muy intenso, generado por una descarga eléctrica entre

dos electrodos separados por una barrera dieléctrica de un material aislante. Sobre la

superficie del aislante se generan microdescargas que crean un plasma homogéneo, sin

que se produzca un arco (breakdown).

En nuestro caso, se instaló un reactor de plasma sobre la bandeja de cocción de un

horno con vapor sobrecalentado (HEALSIO-SHARP). El plasma de descarga por

barrera dieléctrica (DBD plasma) combinado con el vapor sobrecalentado, presenta las

siguientes ventajas: disminución en el tiempo de cocción y dorado del alimento en

forma simultánea. En este sentido, con el nuevo sistema combinado también se evita la

excesiva deshidratación del alimento (lo cual es una desventaja en los hornos con SHS)

simplemente porque disminuye la variable “tiempo de cocción”. Otra ventaja lograda

por la acción conjunta del SHS+Plasma es la remoción de grasa, que queda depositada y

a la vista alrededor del alimento, lo que implica un método de cocción mucho más

saludable.

El principal objetivo de esta investigación fue buscar una asistencia sinérgica entre

el SHS y el DBD plasma para lograr un alimento cocinado con aspecto dorado, no seco

y con menos grasa que cuando se cocina en un horno con SHS solamente, y en menos

tiempo.

1.1. Experimental

Para la presente investigación se empleó el horno comercial HEALSIO AX-2000,

Sharp Co. con la modificación de un reactor de plasma con barrera dieléctrica (DBD

plasma) adaptado en su interior. HEALSIO es un horno fabricado por Sharp Co. cuya

principal fuente de cocción es el vapor sobrecalentado (SHS). Tiene además de la

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generación de SHS otras funciones que se combinan en una serie de programas de

acuerdo al tipo de cocción deseado: horno, grill, etc. combinando el SHS con un horno

eléctrico convencional. Esta investigación está interesada sólo en la función SHS porque

el propósito es estudiar como el plasma DBD puede asistir a esta función para lograr

una aplicación comercial de “SHS+PLASMA” muy simple.

El esquema del montaje experimental se muestra en las figuras 1 y 2.

Figura 1. Montaje Experimental Figura 2. Generador DBD

Se efectuó un conjunto de experimentos diseñados para barrer el rango de las

variables de estudio y para establecer la distancia más apropiada entre el “electrodo de

alambre” (cubierto con un tubo cerámico aislante de muy pequeño diámetro) y el

“electrodo plato metálico” conectado a tierra.

Las variables estudiadas fueron: Frecuencia en el rango de 0.5-2.0 kHz, y el Voltaje

Aplicado en el rango de 20-35 kV. Los alimentos seleccionados fueron “jamón cocido”

y “pasta para panqueques”.

Para los experimentos detallados en Tabla 1 se prepararon muestras con pasta de

panqueque (500µL) de forma circular (diámetro 20mm y espesor aproximado de

1.6mm) preparadas con y sin azúcar (A y B respectivamente), y de forma elíptica

(30mm x 15mm y espesor aproximado de 1.4mm) preparadas todas con azúcar. El

electrodo de alambre conectado a alto voltaje fue recubierto con un tubo de cerámica

como aislante eléctrico (Fig. 2). Para los experimentos detallados en Tabla 2 se

prepararon muestras con pasta de panqueque con azúcar en forma de galletas

Horno c/SHS (vapor sobrec.)(Healsio AX-2000, Sharp Co.)

Fuente de Alto Voltaje AC (Trek Model 20/20A, Trek Inc. )

Generador de Funciones (33220A, Agilent Technol.Inc)

Sólo SHS Plasma + SHS

Electrodoa tierra

Muestra (ensu placa)

Línea AC 200 Veff, 60 Hz

Potencia AC20-35 kVP-P

0.5-2.0 kHz

10.0 mm

Alambre Acero Inox.(SUS 314, 0.3 mm)

Tres tubos cerámicosaislantes: 100 x 0.4 x 1.0 mm 100 x 1.0 x 2.0 mm100 x 2.0 x 3.0 mm

SiliconaPlaca c/bordesredondeados, de Acero Inox.

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rectangulares (25mm x 10mm) de aproximadamente 1mm de espesor. Y piezas de

jamón en forma de monedas de 28mm y 15mm de diámetro y 1.5mm aproximadamente

de espesor. El electrodo de alto voltaje fue recubierto por 2 tubos cerámicos

concéntricos (Fig. 2).

1.3. Resultados y Discusión

El análisis de los resultados experimentales fue basado en la observación de las fotos

registradas después de cada experimento bajo las condiciones detalladas en Tablas 1 y

2.

En todos los experimentos, las muestras de panqueque bajo la acción combinada de

SHS y plasma fueron cocinadas y doradas mucho más rápido que las muestras con sólo

la acción del SHS.

En las muestras de panqueque que no tienen azúcar se observa que al comenzar la

cocción, y por efecto del polvo de hornear, se produce un aumento de volumen de la

muestra, lo que ocasiona una disminución de la brecha entre electrodos generando

fuertes descargas eléctricas (breakdown) que carbonizan la superficie de las muestras

como se muestra en figuras 3-8. Con las piezas de jamón se observa el mismo efecto al

curvarse los bordes hacia arriba por causa de la deshidratación durante la cocción.

En el análisis de los resultados experimentales descriptos en Tabla 1, figuras 3-8, el

símbolo “P” significa tratamiento “SHS+PLASMA” y la ausencia del símbolo significa

sólo tratamiento SHS.

La figura 3 muestra los ensayos realizados en forma preliminar para determinar el

rango de las variables. La figura 4 muestra fotos de los ensayos 6-9, Tabla 1.

Las figuras 5 y 6, muestran a modo de comparación los resultados del ensayo 6

(0.5kHz; 22kV; 1min) y del ensayo 7 (0.5kHz; 26kV; 1.3min), Tabla 1. Comparando

ambas muestras puede observarse que un incremento de cerca del 20% del voltaje

aplicado provoca un mayor dorado de la torta pero, como en toda situación similar,

cuando se forma carbón en la superficie se produce el breakdown (ruptura del campo

eléctrico y conducción por descarga a través de un arco eléctrico). Considerando las

muestras no expuestas al plasma, un incremento cercano al 20% en el tiempo de

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exposición al SHS no tiene influencia, sin embargo para las muestras tratadas con

SHS+PLASMA, el incremento de un 20% en el tiempo de exposición (además de un

incremento del 20% en el voltaje aplicado), provoca el dorado y posterior

carbonización. Considerando aproximadamente un tiempo de exposición similar para

ambas muestras (1 y 1.3 min) puede concluirse que para el sistema SHS+PLASMA un

incremento en el voltaje aplicado favorece el dorado de las tortas.

Tabla 1. Ensayos sistema SHS+PLASMA Tabla 2. Ensayos sistema SHS+PLASMA

Test

Voltaje

Aplicado

[kV]

Tiempo

[seg]

Frecuencia

[kHz]

Test

Voltaje

Aplicado

[kV]

Tiempo

[seg]

Frecuencia

[kHz]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

24

24

22→26

26

26

22

26

23

22

35

35

120

60

60

60

78

240

35

1

0.5

0.5→2.0

1.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

30

30→28

28

28→35

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

45

45

360

240

60

180

120

120

60

240

180

120

60

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

-Ensayos 1-5: muestras de torta de 500µL, circular

-Ensayos 6-9: muestras de torta de 500µL, elíptica

-Ensayos 1-3: son muestras de torta de 0.5mL

-Ensayos 4-10: muestras de piezas de jamón

-Ensayos 11-14: muestras de torta de 0.25mL

Comparando las figuras 7 y 8, correspondientes a los ensayos 8 (23kV;4min;0.5kHz)

y 9 (22kV;35sec;0.5kHz) de Tabla 1 respectivamente, se puede observar que cuanto

mayor es el tiempo de exposición, mayor resulta el dorado de las tortas, que se

carbonizan a los 4 min de exposición al tratamiento dentro del horno. Para ambas

muestras, el voltaje aplicado (23 y 22kV) y la frecuencia (0.5kHz) fueron prácticamente

los mismos valores, con la única diferencia en el tiempo de exposición (en ensayo 8 de

Fig.7 es ocho veces más grande que en ensayo 9 de Fig. 8).

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En el análisis de los resultados experimentales descriptos en Tabla 2 y que se

muestran en figuras 9-20, el símbolo “H” significa horno HEALSIO (sólo SHS), y

“H+P” significa “SHS+PLASMA”.

La Tabla 2 muestra los experimentos llevados a cabo con la torta (masa de

panqueque) con azúcar en muestras de forma rectangular, con la única diferencia que las

muestras de los ensayos 1-3 fueron de 0.5mL y las muestras de los ensayos 11-14 de

0.25mL.

La secuencia de los experimentos mostrados en figuras 10-13 muestra el efecto del

tiempo de tratamiento para valores constantes de Voltaje Aplicado (30kV) y Frecuencia

(0.5kHz) para las tortas.

Figura 3. Fotos muestras 1-5, A y B, Tabla 1 Figura 4. Fotos muestras 6-9, Tabla 1

Figura 5. Foto muestras 6 (SHS) y 6P Figura 6. Foto muestras 7 (SHS) y 7P

(SHS+Plasma), Tabla 1 (1 min) SHS+Plasma), Tabla 1 (1.3 min)

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Figura 7. Foto muestras 8 (SHS) y 8P Figura 8. Foto muestras 9 (SHS) y 9P

(SHS+Plasma), Tabla 1 (4 min) (SHS+Plasma), Tabla 1 (35 seg)

Figura 9. Foto muestras Tabla 2 Figura 10. Foto muestras 14H y 14H+P,

antes del ensayo Tabla 2 (1 min)

Figura 11. Foto muestras 13H y 13H+P, Figura 12. Foto muestras 12H and 12H+P,

Tabla 2 (2 min) Tabla 2 (3 min)

La figura 10 (ensayo 14) muestra el experimento con el tiempo de exposición de 1

min, que fue el más corto, y a la vez la torta cocinada fue la de menor color dorado. La

Fig. 13, que corresponde al ensayo 11, muestra la torta después del tiempo de

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exposición de 4 min, el más prolongado, con el mayor dorado, y aspecto casi

carbonizado.

Figura 13. Foto muestras 11H y 11H+P, Figura 14. Foto muestras 4H y 4H+P,

Tabla 2 (4 min) Tabla 2 (6 min)

Figura 15. Foto muestras 5H y 5H+P Figura 16. Foto muestras 7H y 7H+P,

Tabla 2 (4 min) Tabla 2 (3 min)

Figura 17. Foto muestras 8H y 8H+P, Figura 18. Foto muestras 8H y 8H+P,

Tabla 2 (2 min) removidas p/mostrar grasa desplazada

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Figura 19. Foto muestras 8H y 8H+P, Figura 20. Foto muestras 6H and 6H+P,

Tabla 2, del lado de atrás Tabla 2 (1 min)

La secuencia de experimentos mostrados en las figuras 14-20 muestra el efecto del

tiempo de tratamiento para valores constantes de Voltaje Aplicado (30kV) y Frecuencia

(0.5kHz) para las muestras de jamón.

La Fig. 17 muestra la foto del ensayo 8 con tiempo de cocción de 2.0min. En Fig. 18

se puede observar claramente después del experimento un residuo de grasa, que fue

desplazada de la pieza de jamón bajo la acción conjunta de SHS+PLASMA. Esta

observación fue similar para todas las muestras de jamón ensayadas. Fig. 19 muestra el

lado de atrás de la pieza de jamón correspondiente al ensayo 8 y puede observarse que

fue cocinada de un modo mejor bajo la acción conjunta del vapor sobrecalentado con el

Plasma.

1.4. Conclusiones

La acción sinérgica del Plasma de descarga por barrera dieléctrica (DBD Plasma)

sobre el horno de cocción con vapor sobrecalentado (SHS) HEALSIO AX-2000, Sharp

Co. fue demostrada y puede ser resumida en los siguientes aspectos: 1) La acción de

cocinar es mejorada, 2) El tiempo de cocción es más corto, 3) La grasa es removida del

alimento, y 4) La apariencia del alimento es mejorada por un mejor dorado como

acabado. En búsqueda de una ventaja innovativa para mejorar la cocción de alimentos,

fue posible reducir el tiempo de cocción y mejorar la calidad del alimento que resultó

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menos seco y más dorado, además de contribuir significativamente al cuidado de la

salud disminuyendo la cantidad de grasa del alimento que se cocina.

Como la tendencia moderna en la industria de artefactos para cocinar alimentos es

integrar dos o más tecnologías de cocción (convencional, convección, microondas,

vapor, vapor sobrecalentado, etc.) dentro de un solo producto, para crear un sistema de

cocción multimodal capaz de generar el proceso de cocción más conveniente y

adecuado para cada tipo de alimento, el presente trabajo ha significado la incorporación

de esta tecnología de plasma frío para el desarrollo de la próxima generación de hornos

de cocción de la Compañía Sharp Co. a través de proyectos de investigación conjunta.

Reconocimientos

Este trabajo ha sido solventado en parte por la Universidad Nacional de Tucumán,

República Argentina y en parte por la Toyohashi University of Technology, Japan.

Referencias

Hayashi, H. (2013). Applied Electrostatic Laboratory Report, Toyohashi University

of Technology, Japan (April 2013).

Hosogi, K., Yamamoto, T., Inamaru, H., Mori, Y., Li, Z., Yamasaki, N., Tanaka, T.

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Vol. 1251: 292-295 (doi:10.1063/1.3529303).

Ito, E., Kouchi, I., Mozia, S., Okuda, M., Nakano, T., Toyoda, M., Inagaki, M.

(2007). New Carbon Materials (Sept. 2007) Vol. 22, Issue 3: 199-205

(doi:10.1016/S1872-5805(07)60017-1).

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Design Magazine (February 1st 2006) (online). http://appliancedesign.com/articles

/90184-cooking-technologies-overachieving-ovens.