This site uses cookies.
Some of these cookies are essential to the operation of the site,
while others help to improve your experience by providing insights into how the site is being used.
For more information, please see the ProZ.com privacy policy.
Serbian to English: Automatic stretch sleeve label instalment machine ASA-90 General field: Tech/Engineering Detailed field: Mechanics / Mech Engineering
Source text - Serbian
"MAŠING"
ul. Dragoslava Stefanovića,
34000 Kragujevac
Srbija
U P U T S T V O
ZA RUKOVANJE I ODRŽAVANJE
AUTOMATSKA MAŠINA ZA NAVLAČENJE ETIKETA ASA-90
S A D R Ž A J
1.0 UVOD
2.0 NAMENA MAŠINE
3.0 OPIS PROCESA NAVLAČENJA
4.0 TEHNIČKI OPIS
5.0 TEHNIČKE KARAKTERISTIKE
6.0 TRANSPORT I SKLADIŠTENJE
7.0 BEZBEDNOST PRI UKLJUČIVANJU
8.0 PRIPREMA ZA POKRETANJE
9.0 RUKOVANJE MAŠINOM
10.0 ODRŽAVANJE MAŠINE
11.0 UKLANJANJE TEHNIČKIH SMETNJI
12.0 DOKUMENTACIJA
13.0 ELEKTRO ŠEME
1. UVOD
STRETCH SLEEVE tehnologija podrazumeva izradu etiketa od polietilena sa posebnim aditivima za povećanje klizavosti i elastičnosti. U procesu etiketiranja se ne koriste lepkovi već etiketa ostaje na ambalaži elastičnom silom koju ostvaruje pri navlačenju na ambalažu nešto manjih dimenzija.
Prednosti u odnosu na dosadašnje klasične načine etiketiranja su sledeći:
1) Etiketiranje je sa punim krugom.
2) Ušteda na lepkovima (etiketiranje bez lepka)
3) Mogu}nost kvašenja etikete i otpornost na kondenzaciju i razne hemijske reagense.
4) Estetski izgled etikete (visoki sjaj).
5) Mogućnost lakog odstranjivanja sa boce i slanje boca na reciklažu bez etikete.
6) Zadržavanje oblika etikete čak i posle pražnjenja ambalaže.
7) Cena etiketa.
1.0 NAMENA MAŠINE
Automatska mašina za navlačenje etiketa ASA-90 koristi STRETCH-SLEEVE etikete za navlačenje na PET ambalažu. Mašina je potpuno automatizovana i visokoproduktivna čime se obezbeđuje njena brza isplativost. Etiketiranje se obavlja na praznoj ambalaži zbog velike dinamike sistema i velikih inercijalnih sila koje se javljaju zbog velikog kapaciteta.
3.0 OPIS PROCESA NAVLAČENJA
Etikete se isporučuju u obliku polietilenskog creva koje je perforirano na dužine koje odgovaraju dužinama etikete. Kotur folije se nabacuje na nosač kotura folije i osigurava osiguračem. Folija se provlači preko sistema valjaka i žičane poluge koja ima zadatak da komanduje motoru odmotavanja folije preko dva inicijatora na osovini žičane poluge (balerine). Na ovaj način motor za odmotavanje folije stalno stvara rezervu folije te ona taktno biva povlačena od strane štipaljki sa minimalnim otporima. Dalje se folija provlači preko sistema valjaka i vitla kroz sistem dva gumena valjka za korekciju poziciranja folije te preko konformatora do fotoćelije folije. Štipaljke hvataju foliju i povlače je. Kad štipaljke izvuku dovoljno folije (za dužinu malo veću nego dužina jedne etikete) u tom trenutku otkidači lupe čime se trenutno folija zaustavlja a jedna etiketa biva odcepljena iz niza. S obzirom da je otkidanje u letu (nije precizno i pouzdano) motor korekcije poziciranja folije vrati foliju malo nazad do fotoćelije koja gleda u ivicu folije. Jedna etiketa nošena štipaljkama biva navučena na flašu. Štipaljke su mehaničko-pneumatskog tipa a njihovo otvaranje i zatvaranje je preko sistema bregova i jednog pneumatskog cilindra. Sam trenutak uzimanja etikete se obavlja preko pneumatskog cilindra koji širi unutrašnju štipaljku do spoljašnje sa gumom čime stegne jednu etiketu. Dalje se unutrašnja štipaljka vodi preko brega a spoljašnja je nategnuta preko opruga. Trenutak ostavljanja etikete određuje breg spoljašnje štipaljke i njegovim pomeranjem mogu}e je podesiti nivo ostavljanja etikete. Štipaljke se vraćaju posle toga u gornji položaj a sledeća flaša preko gurača flaša biva donesena u zonu navlačenja. U zoni navlačenja flaču drži vakum koji se ostvaruje preko vakum pumpe. Ukoliko dođe do podizanja flaše pri povratku štipaljki naviše fotoćelija podignute flaše signalizira kontroleru da zaustavi mašinu. Mašina je snabdevena i ulaznim transporterom koji uvodi flaše u gurač flaše. Podizanje štipaljki gore - dole se obavlja preko bregova na centralnoj osovini a zaustavljanje i puštanje u rad je omogućeno sistemom frikciona spojnica - kočnica s tim što kad kočnica radi spojnica ne radi i obrnuto. Ovo se obavlja pneumatskim ventilom 3/2.
Mašina ASA-90 je automatska mašina vertikalnog tipa ali sa posebnim rešenjima koja vode računa o bezbednosti radnika rukovaoca kao i relativno lakoj reglaži na nov tip ambalaže. Mašina se isporučuje sa dva seta alata namenjenih navlačenju dva različita prečnika flaše kao i sa dva programa za navlačenje dve dužine etikete. Ovaj izbor se vrši preko prekidača na kontrolnom elektro ormanu. Mašina je snabdevena sopstvenim sistemom hranjenja bocama preko transportera L=1500 mm koji dovodi boce do gurača boca. Mašina samostalno preko ovog gurača dovodi flaše jednu po jednu u zonu navlačenja. To znači da glavni izvršni elementi mašine rade u taktnom režimu rada. Mašina je predviđena za rad od 3000 4500 boca/h. Pogoni glavnih kretanja su mehanički preko krivajnih mehanizama sa prigušnim pneumatskim cilindrima koji imaju ulogu da obezbede stalan kontakt kurven rolni ovih mehanizama sa krivajama (prevencija odskakanja pri velikim brzinama). Upravljanje mašinom je preko programabilnog kontrolera koji dobija signale sa mašine o stanju izvršnih organa preko sistema senzora kao i o sigurnosnim sistemima koji su na mašini postavljeni da bi zaštitilo operatera na mašini. Postolje mašine je izrađeno od čeličnih profila sa oblogama od limova izrađenih od konstrukcionih čelika. Zona navlačenja je zaštićena vratima od pleksiglasa i svaki pokušaj otvaranja istih dovodi do prekida rada mašine. Noseće ploče i svi pokretni elementi mašine su izrađeni od aluminijumske legure zbog smanjenja inercijalnih sila.
Mašina se sastoji iz sledećih funkcionalnih celina:
1. Mehanizam glavnog pogona
2. Štipaljke
3. Dodavanje flaša
4. Nosač kotura folije sa odmotavanjem
5. Noseći elementi
6. Konformator
7. Vitlo
8. Razvod vazduha
9. Akumulatori pritiska
10. Transporter
11. Obloge i zaštite
12. Komandni elektroorman
4.1 Mehanizam glavnog pogona (sl. 6, 7, 8, 9) omogućava sva glavna kretanja na mašini: kretanje gore - dole izvršnih elemenata štipaljki za navlačenje etiketa, kao i gurača flaša za dodavanje flaša u zonu navlačenja u taktnom režimu dodavanja. Glavni pogon (poz. 1) preko kaišnog prenosnika (poz. 6) prenosi obrtno kretanje na centralnu osovinu kopira (poz. 31). Na njoj se nalaze kopir glavnog kretanja (poz. 9) i kopir dodavanja flaša (poz. 10) koji preko svojih poluga (poz. 37 i 22) prenose kretanje na izvršne elemente. Prenos kretanja između osovine i kaišnog prenosa je omogućen pneumatskom spojnicom (poz. 7), a njegovo naglo zaustavljanje omogućeno je pneumatskom kočnicom (poz. 61). Polužni mehanizam ovog sklopa je u potpunosti izrađen od aluminijumske legure da bi se smanjile inercijalne sile. Da bi se obezbedilo sigurno naleganje kurven rolni krivajnih mehanizama na oba polužna mehanizma (glavno kretanje i dodavanje flaša) su ugra|eni prigušni cilindri. Prigušni cilindar glavnog kretanja se uključuje i isključuje pri svakom uključivanju i isključivanju mašine. Ovo omogućava da se štipaljke ručno podižu pri svakom isključivanju mašine ukoliko dođe do zaglavljivanja flaša pod mehanizmom štipaljki.
4.2 Štipaljke (sl. 10) - ovaj mehanizam omogućava uzimanje etikete, povlačenje folije kao i navlačenje etikete na flašu. U gornjem položaju mehanizma štipaljki unutrašnja štipaljka (poz. 50) je uvučena u konformator etiketa dok je spoljašnja štipaljka (poz. 51) takođe u uvučenom položaju nešto širem nego što je prečnik konformatora. Preko cilindra uzimanja etiketa (poz. 5) unutrašnje štipaljke se otvaraju u polje i preko spoljašnjih kao oslonaca stežu etiketu. Na spoljašnjim štipaljkama se nalaze gumeni umetci koji povećavaju silu trenja između etikete i štipaljki. Mehanizam glavnog kretanja omogućava kretanje štipaljki na dole. Kretanjem na dole štipaljke povlače ceo niz etiketa podižući pri tome balerinu na odmotavanju koja kasnije omogućava odmotavanje kotura folije. Na ovaj način je omogućeno odmotavanje bez otpora odmotavanja. Tek kad se izvuče malo više od cele etikete ona biva otkinuta otkidačima etikete i kao takva se navlači na flašu. U jednom trenutku pri kretanju na dole preko mehanizma unutrašnje štipaljke (poz. 11) i kurven rolne unutrašnja štipaljka se zadržava u otvorenom položaju a cilindar uzimanja etiketa se zatvara. Na mestu na kome treba ostaviti etiketu se otvara spoljašnja štipaljka preko poluge ostavljanja etiketa (poz. 1) koja se aktivira kopirom ostavljanja etiketa. Etiketa ostaje na flaši elastičnom silom, a unutrašnja štipaljka se automatski izvlači pri kretanju ovog mehanizma na dole. U donjem položaju se ponovo aktivira unutrašnja štipaljka tj. njeno otvaranje. Ona se otvara uvek do spoljašnje štipaljke, a pošto je ova otvorena za razliku od ciklusa ostavljanja etiketa, je unutrašnja štipaljka otvorenija što omogu}ava da se spreči podizanje flaše sa već navučenom etiketom. Ovaj deo ciklusa se obavlja sa povećanim radnim pritiskom u cilindru ostavljanja etiketa, a iz razloga da ne bi došlo do zatvaranja unutra{nje štipaljke pri silasku spoljašnje sa brega ostavljanja etiketa. Nosač ovog mehanizma (poz. 4) izrađen je od aluminijumske legure, maksimalno olakšan zbog smanjenja inercijalnih sila koje se javljaju pri velikim brzinama.
4.3 Dodavanje flaša (sl. 11) je sklop koji za ulogu ima sinhronizovano uvođenje flaša sa mehanizmom štipaljki u zonu navlačenja. Kretanje prima od poluge prenosnog kretanja (poz. 17) koja prenosi kretanje od kopira dodavanja flaša. Poluga prenosnog kretanja preko prihvatne poluge (poz. 13), vratila dodavanja flaša i poluge dodavača flaša (poz. 14), zavojnog vretena (poz. 3) i gurača flaša (poz. 1) uvodi flaše jednu po jednu gurajući ih u nizu u zonu navlačenja. Guranje flaše unapred se obavlja u trenutku dok su štipaljke u gornjem položaju. Zavojno vreteno ima ulogu da fiksira gurač flaša u početnu poziciju. Gurač pravi uvek isti korak ali izvestan deo puta u zavisnosti od štelovanja prelazi bez guranja flaša. Razlika do kraja hoda je jednaka prečniku flaše. To znači da od početka guranja do kraja guranja gurač flaše pređe put jednak prečniku flaše.
4.4 Nosač kotura folije sa odmotavanjem (sl. 12) - Ovaj sklop ima ulogu da ponese kotur folije ali i da obezbedi stalnu rezervu folije da bi se obezbedilo povlačenje bez otpora odmotavanja. Ovo je od suštinskog značaja jer je perforirana folija vrlo osetljiva na sile duž folije. Odmotavanje kotura se vrši pogonom odmotavanja (poz. 2) a preko sistema pritisnog valjka (poz. 1) i gumiranog valjka (poz. 5). Odmotavanjem folije pada balerina (poz. 14) koja foliju uvek drži zategnutu. Kada balerina padne u donji položaj odmotavanje staje. Povlačenjem folije balerina se podiže, a odmotavanje folije počinje. Kontra teg (poz. 18) služi da smanji zategnutost folije preko balerine na najmanju moguću meru. Kotur folije se na nosač kotura folije (poz. 19) učvršćuje preko graničnika kotura folije (poz. 27).
4.5 Noseći elementi (sl. 13 i 14) služe da ponesu vitalne elemente konstrukcije. Konformator se oslanja preko nosača konformatora (poz. 20) a njegovo ljuljanje u bočnim pravcima onemogućava preko nosećih valjaka konformatora. Tu se nalaze i otkidači folije (poz. 3) koje aktiviraju pneumatski cilindri, i koji otkidaju etiketu, tj. zaustavljaju niz etiketa sem prve dozvoljavaju}i da se prva otkine iz niza.
4.6 Konformator (sl. 15) ima ulogu da raširi crevo etiketa i pripremi ga za uzimanje. Sastoji se iz niza valjaka, limova i opruga. Leptir lim konformatora drži foliju uvek zategnutu. U trenutku uzimanja etiketa ovi limovi se uvlače da ne bi došlo do prenaprezanja etikete i njenog pucanja. Posle otkidanja etikete oni se ponovo šire čime foliju drže uvek zategnutu. Konformator visi na nosećem valjku konformatora (poz. 5) a sprečavanje njegovog ljuljanja se obavlja preko utvrđivača (poz. 12).
4.7 Vitlo (sl. 16) je sklop koji sve vreme održava silu zatezanja folije jednako njegovoj težini. Pri povlačenju folije vitlo se podiže a njegova laka konstrukcija omogućava da sila zatezanja folije bude mala što pri ve}im brzinama povlačenja sprečava pucanje folije na mestima perforacije.
4.8 Razvod vazduha (sl. 17) se nalazi u zadnjem postroju mašine. Razvod je izveden preko centralne razvodne letve i svaki vod je posebno snabdeven regulatorom pritiska dok su zajednički zauljivanje i odvajanje kondenzata.
4.9 Akumulatori pritiska (sl. 18 i 22) imaju ulogu u držanju voda prigušnih cilindara glavnog kretanja i dodavanja flaša pod konstantnim pritiskom. Na ovaj način je omogućen stalni kontakt kurven rolni na kopirima, a bez veće potrošnje vazduha koja bi bila nerentabilna pri većim brzinama mašine. Na ovaj način sprečeno je i odskakanje mehanizma štipaljki i omogućena njegova tačna sinhronizacija sa dodavanjem flaša.
4.10 Transporter (sl. 21) je nezavistan sklop mašine koji radi u kontinualnom režimu rada. Njegova uloga je da obezbedi kontinuirani dotok flaša u dodavač flaša tj. da u zadnjem položaju dodavača flaša obezbedi pravovremeno ubacivanje nove flaše.
4.11 Obloge i zaštite imaju ulogu da obezbede zaštitu vitalnih delova mašine od spoljnih uticaja kao i da zaštite rukovaoca mašine od pokretnih delova koji bi mogli dovesti do povređivanja.
4.12. Komandni elektroorman (sl. 24) - ovaj orman se nalazi na prednjoj strani mašine i preko panela ovog ormana se obavlja komunikacija i upravljanje mašinom preko komandnih tastera i panela programabilnog kontrolera. Funkcija svakog od ovih delova biće objašnjena kasnije u delu rukovanja mašinom.
5.0 TEHNIČKE KARAKTERISTIKE
- kapacitet ................................................ Q = 4500 flaša/h
- angažovana snaga .................................. P = 4 kW
- potrošnja vazduha .................................. 100 NL / min
- radni pritisak .......................................... 6 8 bar
- prečnik kotura folije ............................... 500 mm
- napon napajanja ..................................... 3 x 380 V 50 Hz
- dimenzije mašine:
širina x dužina x visina ................... 2000 x 2215 x 1080
- masa mašine .......................................... 400 kg
Pogoni:
- motoreduktor glavnog pogona ............... p=1,5 kW ni=300 min-1 50 Hz 3x380 AC
- motoreduktor odmotavanja .................... p=1/15 hp ni=97min-1 50 Hz 220 V AC
- motoreduktor transportera ...................... p=0,37 kW ni=25 min-1 50 Hz 3x380 AC
- motor vakum pumpe .............................. p=1,5 kW ni=2850 o/min 3x380 V AC
- motoreduktor korekcije povlačenja ........ p=20 W 12 V DC
6.0 TRANSPORT I SKLADIŠTENJE
Mašina se transportuje i postavlja u vertikalan položaj (sl. 23). Transportovanje tj. prenošenje mašine sa jednog mesta na drugo se obavlja ili viljuškarom ili transportnom dizalicom. Pri prenosu viljuškarom mašina se hvata viljuškama pod donji postroj mašine. Transport transportnom dizalicom se obavlja preko transportnih uški koje se nalaze sa gornje strane mašine. Skladištenje i postavljanje mašine bi trebalo biti u suvim i provetrenim prostorijama sa minimalnim procentom vlage s obzirom da je mašina urađena od nerđajućih materijala. Ni pod kojim uslovima ne dozvoliti pranje mašine otvorenim mlazom a eventualno brisanje mašine raditi isključivo sa suvom krpom i isključenim naponom napajanja. Svako otvaranje elektroormana raditi isključivo sa ugašenim glavnim napajanjem.
7.0 BEZBEDNOST PRI UKLJUČIVANJU
Pre priključivanja na glavni napon napajanja proveriti da li je glavni prekidač u položaju OFF (isključeno). Takođe proveriti da li su sva vrata gornjeg i donjeg postroja zatvorena. Ni pod kojim uslovima ne puštati mašinu u rad sa otvorenim donjim oblogama mašine. Ne stavljati ruke niti bilo kakve predmete u prorez između prednjih vrata čak i sa zatvorenim prednjim vratima. Mašinu ne postavljati na podlogu od izolatora i uvek obezbediti da rukovaoc stoji na suvoj podlozi. Obezbediti adekvatan napon napajanja 3x380 V 50 Hz. Ne dozvoliti neovlašćeno rukovanje više rukovaoca istovremeno a naročito da jedan rukovaoc vrši komandovanje preko panela komandnog elektroormana a drugi da opslužuje mašinu. Ako su svi ovi uslovi ispunjeni obezbediti adekvatan trofazni priključak mašine sa dobrim uzemljenjem. Priključiti kabl napajanja preko isporučene vuljuške na kablu napajanja. Pre priključivanja proveriti poziciju uzemljenja kao i poziciju provodnika nule na mestu priključivanja.
8.0 PRIPREMA ZA POKRETANJE
Pre prvog puštanja u rad potrebno je obezbediti niz uslova i odraditi niz radnji da bi se mašina uspešno pokrenula i pustila u automatski režim rada.
1) Obezbediti sve uslove iz dela Bezbednost pri uključivanju.
2) Postaviti niz flaša na transporter da transporter bude pun sve do mesta gurača flaša kao i od mesta gurača flaša do mesta navlačenja.
3) Postaviti flašu na mestu navlačenja etikete.
4) Postaviti još dve flaše posle mesta navlačenja etikete.
5) Postaviti kotur folije na nosač kotura folije i provući prema slici Put folije (sl. 19). Foliju provući do gornje ivice foto ćelije koja se nalazi na samoj donjoj ivici konformatora.
6) Proveriti širine bočnih vođenja flaša kao i da li su postavljeni adekvatni izmenjivi elementi za tu flašu.
7) Proveriti još jednom da li su ispunjeni svi bezbednosni uslovi za puštanje mašine u rad.
8) Pritisnuti taster START. Po pritisku na taster START mašina počinje sa automatskim radom i navlačenjem etiketa.
9) Konstantno dopunjavati flaše na transporteru da ne bi došlo do prekida procesa navlačenja zbog nedostatka flaša.
10) Postepeno povećavati kapacitet mašine da bi se sinhronizovala sa radom ostalih eventualnih mašina na liniji.
9.0 RUKOVANJE MAŠINOM
9.1. Zaustavljanje mašine
Razlikujemo dve vrste zaustavljanja rada mašine:
1) Zaustavljanje u regularnim uslovima rada.
2) Incidentno zaustavljanje mašine.
1) Zaustavljanje u regularnim uslovima rada se obavlja tako {to se kapacitet mašine smanji na oko 1000 boca/h a zatim pritiskom na taster STOP i mašina se zaustavi. Štipaljke pri radu staju u donjem položaju, a ponovno pokretanje mašine u rad je moguće samo ako se poštuje procedura iz dela Priprema za pokretanje.
2) Zaustavljanje u incidentnim situacijama je na taster CENTRAL STOP pri tome mašina trenutno staje u položajuu kome se zatekla u trenutku pritiskanja ovog tastera. Ponovno pokretanje mašine u rad je moguće samo po otklanjanju uzroka koji je do ovog zaustavljanja doveo. Kada je to urađeno odraditi proceduru iz dela Priprema za pokretanje. Odbraviti taster CENTRAL STOP zaokretanjem pečurke tastera u smeru ka strelici označenim na njemu. Smanjiti kapacitet mašine na oko 1000 flaša /h. Pritisnuti taster START.
9.2. Prelazak sa jedne dimenzije boce na drugu dimenziju
Da bi se prešlo sa boce jednog formata na bocu drugog formata na mašini za navlačenje etiketa potrebno je odraditi sledeće radnje:
1) Zamena konformatora jednog formata konformatorom drugog formata - Skinuti noseći valjak i izvaditi stari konformator. Ubaciti novi konformator na njegovo mesto i točkićima ga fiksirati tako da mu se maksimalno smanji ljuljanje. Ne naslanjati točkiće uz konformator da bi se izbeglo glavljenje folije.
2) Zameniti spoljašnje štipaljke - Skinuti spoljašnje štipaljke i na njihovo mesto montirati spoljašnje štipaljke drugog formata.
3) Zameniti unutrašnje štipaljke - Skinuti unutrašnje štipaljke i na njihovo mesto montirati unutrašnje štipaljke drugog formata. Podesiti štipaljke tako da budu na oko 0,5 1 mm od adekvatne flaše.
4) Zameniti otkidače etiketa - Skinuti otkidače etiketa i zameniti ih otkidačima drugog formata. Podesiti ih tako da se nalaze na 0,5 1 mm u odnosu na konformator.
5) Podesiti širinu bočnog vođenja - Da bi se obezbedilo bočno vođenje boca kroz mašinu potrebno je podesiti širinu bočnih vođenja prema novoj boci. To se odnosi i na širinu vođica na transporteru. Bočne vođice postaviti na 0,5 1 mm šire od prečnika boce.
6) Podesiti poziciju gurača flaša - Od gurača flaša do mesta navlačenja etiketa ima ceo broj flaša. Za različite dimenzije flaša taj broj je različit. S toga je potrebno podesiti položaj gurača flaša da u prednjem položaju od njega do mesta navlačenja ima celi broj flaša.
7) Opciono podesiti poziciju foto ćelije etikete - Poziciju foto ćelije etiketa je potrebno podesiti tako da u gornjem položaju štipaljki kad folija stoji na polovini foto ćelije etikete štipaljka stoji 10 15 mm u crevu etiketa. Pozicija položaja foto ćelije etiketa se podešava preko ručice podešavanja položaja.
8) Okrenuti selektor izbora dužine etikete - Okretanjem selektora izbora dužine etikete bira se dužina etikete sa kojom se radi. Mašina se isporučuje za tri dužine etiketa.
NAPOMENA:
Svaki zastoj na mašini podrazumeva pritiskanje tastera RESET pa onda tastera START za ponovno pokretanje mašine. Ovo je urađeno iz bezbednosnih razloga da bi se rukovaoc preispitao da li je odradio sve radnje potrebne za ponovno bezbedno pokretanje a posle otklanjanja uzroka zastoja.
9.3 Puštanje u rad u ručnom režimu rada
Pri reglaži mašine potrebno je puštati mašinu u ručnom režimu rada:
1) Okrenuti selektor ručnog rada u položaj ručnog rada.
2) Pritisnuti taster TAKTNI RAD. Ukoliko se ovaj taster drži sve vreme mašina }e raditi kao i u automatskom režimu. Ukoliko se pritisne i pusti ovaj taster mašina }e odraditi jedan takt.
10.0 ODRŽAVANJE MAŠINE
U održvanje mašine spada dnevno, nedeljno i periodično - tromesečno održavanje.
10.1 Dnevni pregled - Pre početka rada na mašini treba izvršiti sledeće provere i radnje koje obezbeđuju pouzdaniji rad mašine:
- Vizuelni pregled mašine i otklanjanje nedostataka koji su tom prilikom uočeni.
- Proveriti prohodnost puta folije i ukloniti sve nedostatke koji taj put čine neprohodnim.
- Proveriti stanje štipaljki naročito gume na spoljašnjoj štipaljki.
- Proveriti stanje svih prenosnika na mašini.
- Proveriti stanje i položaj konformatora.
- Proveriti količinu masti u rezervoaru centralnog podmazivanja.
10.2 Nedeljni pregled
- Izvršiti podmazivanje mašću svih mesta sa aksijalnim ležajevima.
- Izvršiti kontrolu ulja u reduktoru.
- Proveriti stanje ulja u zauljivaču vazduha.
- Izvršiti sve ostale radnje predviđene dnevnim pregledom mašine.
- Ispustiti kondenzat iz mašine.
10.3 Periodični - tromesečni pregled
- Izvršiti kontrolu svih kliznih ležajeva i po potrebi ih zameniti.
- Izvršiti kontrolu svih kotrljajućih ležajeva i po potrebi ih zameniti.
- Proveriti stanje štipaljki i po potrebi ih zameniti.
- Obaviti sve radnje predviđene nedeljnim pregledom.
Mašina je snabdevena sistemom za centralno podmazivanje. Mašina se automatski podmazuje svakih 2000 ciklusa.
10.4 Popis sredstava za podmazivanje
- Ulje za podmazivanje kliznih spojeva - HIPOL 90 isl.
- Ulje za zauljivanje vazduha:
kinematska viskoznost: do 2 stepena E/323 K
NAFTAGAS: HIDRAULIK 20 HD
INA: hidraol 18 HD
HENA: Hidraulično ulje M-18 HD
SHEL: Tellus Oel 15
ESSO: Spinesso 34
ARAL: ARAL-Oel K 2008
TEXACO: Capella Oil AA Waxfree
MOBIL OIL: Mobilifluid 62
BP: Energol HP 1
GOST 1707-51: Maslo industrualnoe 12
Masti za podmazivanje:
INA: LIS-1, LIS-2
FAM: FOR-1, FOR-2
SHELL: Alvania 2
ESSO: Breacon 2
ARAL: ARAL - mast HL 2
TEXAKO: DEA Blissando Fo 20
MOBIL OIL: Mobil plex 47
BP: Energrease LS 2
GOST 6267-59: CIATIM - 201
11.0 UKLANJANJE TEHNIČKIH SMETNJI
Ukoliko dođe do izvesne neregularnosti u radu mašine pokušati utvrditi i eventualno ukloniti izvesne nedostatke koji su do tih smetnji doveli.
Manifestacija kvara Uzrok Način njegovog otklanjanja
Neregularan rad ciklusa Nedovoljan ulazni pritisak u sistemu.
Položaj prekidača folije. Povećati dovodni pritisak i obezbediti dovoljan i kontinuirani dovod vazduha.
Proveriti da li je prekidač u položaju za tu dužinu etiketa.
Često podizanje boce Ne postoji razlika pritisaka na regulatorima 11 i 12 sl. 17.
Etiketa. Napraviti razliku pritisaka bar od 1 bar u korist rada sa regulatorom br. 11.
Loša etiketa sa nedovoljnom elastičnošću može biti uzrok podizanja flaša. Zameniti flaše.
Mašinu je nemoguće pokrenuti pritiskom na taster START CENTRAL STOP.
Senzori vrata.
Zakrčenost izlaznog transportera.
Nedovoljno flaša na ulazu. Odbraviti taster CENTRAL STOP.
Proveriti da li su sva vrata na mašini zatvorena.
Mašina će sama krenuti pri raskrčivanju izlaznog transportera.
Staviti dovoljno flaša na ulaz
Mašina otkida po dve etikete Istrošene gume otkidača.
Položaj prekidača etiketa.
Pritisak vazduha. Zameniti gume na otkidačima.
Proveriti da li je prekidač etiketa u pravom položaju.
Obezbediti dovoljan pritisak vazduha
Etiketa ne ostaje u traženom položaju na flaši Kopir ostavljanja etiketa.
Pritisak vazduha.
Gume spoljašnjih štipaljki Pomeriti kopir ostavljanja u pravi položaj.
Obezbediti dovoljan pritisak vazduha.
Zameniti gme na spoljašnjim štipaljkama.
12.0 DOKUMENTACIJA
Slika 4 i 5 Prednji i zadnji postroj mašine
Poz. Naziv dela
12 Glavni pogon
1 Vakum pumpa
22 Rezervoar centralnog podmazivanja
17 Štipaljke
7 Poluga glavnog pogona
37 Nosač konformatora
9 Razvod pneumatike
23 Akumulator pritiska dodavanja
16 Poluga dodavanja fla{a
15 Odmotavanje folije
2 Akumulator pritiska glavnog kretanja
8 Glavni prekidač
Slika 6 i 7, 8, 9 Mehanizam glavnog pogona
Poz. Naziv dela
2 Prigušni cilindar glavnog kretanja
1 Glavni pogon
37 Poluga glavnog kretanja
35 Ojačanje staze kurven rolni
46 Kaišni prenos n-kodera
30 N-koder
61 Pneumatska kočnica
6 Glavni kaišnik
7 Pneumatska spojnica
31 Centralna osovina kopira
22 Poluga dodavanja flaša
9 Kopir glavnog kretanja
10 Kopir dodavanja flaša
17 Osovina poluge glavnog kretanja
Poz. Naziv dela
11 Ležaj glavnih vođica
8 Vođice sistema konformatora
1 Vitlo folije
14 Utvrđivač konformatora
3 Otkidač folije
20 Nosač konformatora
Slika 15 Konformator
Poz. Naziv dela
5 Noseći valjak konformatora
3 Razvodni lim
1 Telo konformatora
12 Utvrđivači
11 Leptir lim
15 Opruga leptira
2 Formirač
Slika 16 Vitlo
Poz. Naziv dela
12 Nosač vitla
4 Valjak pokretnog dela
3 Utvrđivač folije
5 Bočni graničnik
18 Osovina vitla
Slika 17 Razvod vazduha
Poz. Naziv dela
7 Odvajivač kondenzata
8 Zauljivač vazduha
16 Slavina dovoda vazduha
4 Merač vakuma
14 Regulator pritiska kvačilo/kočnica - podmazivanje
11 Regulator štipaljke veći pritisak
13 Regulator prigišnog cilindra glavnog kretanja
10 Regulator prigušnog cilindra dodavanja flaša
12 Regulator štipaljke manji pritisak
9 Regulator cilindra korekcije
21 Regulator otkidača folije
1 Centralni razvod
Slika 21 Transporter
Poz. Naziv dela
1 Transportna traka
2 Bočne vođice
3 Ručica nosača bočnih vođica
4 Prednji nosač
5 Srednji nosač
6 Pogon transportera
7 Pogonska grupa
8 Zatezna grupa
Slika 24 Kontrolni elektroorman
Poz. Naziv dela
1 Displej kontrolera
2 Regulator kapaciteta
4 Selektor izbora dužine etikete
5 Taster ručnog rada
6 Selektor ručnog rada
7 Taster START
8 Regulator brzine transportera
9 Sigurnosna sijalica greške
10 Reset taster
11 Taster CENTAL STOP
12 Taster STOP
13.0 ELEKTRO ŠEME
Translation - English "MAŠING"
Dragoslava Stefanovića st.,
34000 Kragujevac
Serbia
Handling and maintenance manual
Automatic machine for label installment ASA-90
Table of contents
1.0 INTRODUCTION
2.0 APPLYING THE MACHINE TO THE PRODUCTION PROCESS
3.0 DESCRIPTION OF THE LABEL INSTALMENT PROCESS
4.0 BASIC TECHNICAL DESRIPTION OF THE MACHINE
5.0 TECHNICAL FEATURES
6.0 TRANSPORTATION AND STORING
7.0 SAFETY PRECAUTIONS WHEN PUTTING THE MACHINE INTO
MOTION
8.0 PREPARATIONS FOR PUTTING THE MACHINE INTO MOTION
9.0 HANDLING THE MACHINE
10.0 MAINTENANCE OF THE MACHINE
11.0 SORTING OUT TECHNICAL DIFFICULTIES
12.0 THE DOCUMENTATION
13.0 ELECTRICAL SCHEMES AND PATHWAYS
1. INTRODUCTION
STRETCH SLEEVE technology refers to the production of the labels for a variety of products using the polyethylene materials that were added substances which enhance elasticity and attribute to smooth sliding of the label. In the process of labeling no adhesive substances(such as glues) are being used instead of which the label remains in place on the package due to the active elastic forces achieved through the process of putting the label in place using sliding a label on to a package of somewhat smaller diameter.
The advantages of this procedure over the previously used traditional methods of labeling are as follows:
1) Label forms a full circle around the package.
2) Cost savings due to the removal of the glues from the process
3) The label can come in contact with water and different chemicals and is also resistant to any damage that would come as a result of surface condensation.
4) Label appearance (high glow of the label surface).
5) The option of removing the label from the bottle fairly easily and having the bottle recycled without the label on.
6) The label will preserve its form even after the bottle is subdued to washing.
7) Low cost of the label.
1.0 Applying the machine to the production process
Automatic machine ASA-90 for sliding the labels on the bottles uses STRETCH-SLEEVE labels and places them on to PET packages. The machine operates fully automatically and has high productivity and these features insure it`s profitability. Labeling process takes place on an empty package due to the high system dynamics and strong inertial forces present here as a result the machine`s high production capacity.
3.0 DESCRIPTION OF THE LABEL INSTALLMENT PROCESS
The labels are delivered to the factory in the form of a perforated tube made from polyethylene and pierced in a sequence of identical lengths which respond to the required label size. This roll of polyethylene foil is placed on the foil suspender and is secured with a safety switch. The polyethylene foil rolls over a system of cylinder shaped rollers and a wire lever that serves a purpose of controlling the motor that in hand unravels the foil. The motor is controlled by this wire lever through a pair of initiators that are positioned on the axis of the wire lever (a.k.a. the ballerina). Thus the motor in charge of the unraveling of the foil continuously creates an amount of foil that stands as a reserve and enables the foil to be drawn by pincers or claws in regular recurring intervals encountering minimal resistance. The foil travels further over the system of cylinder shaped rollers and winches, through the system of two rubber rollers that do the task of correcting the position of the foil. After that the foil reaches the confirmatory unit and travels further to the photocell. The pincers capture the foil and drag it further. When the pincers have pulled out sufficient amount of the foil (of length little over the length of one label) the separators pinch the foil which stops it`s further motion and a single label is being extracted. Because the extraction of the label takes place in the air without any support for the foil the motor that corrects the position of the foil drags the foil slightly backwards to the photocell that is directed towards the brim of the foil. A single label carried by the pincers then slides on the bottle. The pincers are of mechanic-pneumatic type and the opening and closing of the pincers is done through the system of cams and a single pneumatic cylinder. The uptake of the label is done through the action of the pneumatic cylinder which spreads the inner pincer towards the outer pincer covered with rubber and that results in grabbing a single label. After that the inner pincer is being led over the cam and the outer pincer is tightened over the springs. The moment in which the label is being released is determined by the cam of the outer pincer and by adjusting this cam it is possible to adjust the level on which the label is released. The pincers than return to the upper position and the next bottle is brought in to the operating zone through the action of the bottle pusher. In the operating zone in which the sliding-on of the label takes place the bottle is held by the force of the vacuum created by the vacuum pump. In case that the bottle gets lifted due to the retrieval of the pincers in their previous position upwards than the photocell of the lifted bottle will signal to the controller to stop the machine. The machine also has an entrance transporter that takes the bottles to the bottle pusher. Travelling of the pincers upwards and downwards is done through the cams of the central axis. The process of starting and stopping the machine is enabled through the system of friction bond-breaks. These bond-breaks function in a way that when the bond is in action the breaks are not and vice versa. This is done through the action of the pneumatic valve 3/2.
Picture 3. Description of the label installment process
Pos. The name of the part
1 Confirmatory unit
2 The inner pincer
3 The outer pincer
5 Bottle stand
6 The cam of the inner pincer
8 The cam of the outer pincer
9 Coying installment unit
10 Copying unit of the pusher
13 Bottle pusher
15 Side rains
21 Label separator
33 Controlling unit
4.0 BASIC TECHNICAL DESCRIPTION OF THE MACHINE
The ASA-90 machine is a fully automatic machine of the vertical type that uses specific solutions that ensure the safety of the worker that operates the machine and enables the adjustments that need to be made for a new bottle type to be done fairly easily. The machine is delivered to you along with two tool sets intended for two different types of bottles of two different diameters. Also we will supply you with two different programmers that ensure adequate installment of two different label sizes. The selection between these programs is done through the switch inside the main electric cabinet. The machine has its own system of supplying itself with bottles over the transporting unit L=1500mm that brings the bottles to the bottle pusher. The machine independently through this system brings the bottles one by one into the operating zone. That means that the main executive elements of the machine operate in a sequence of synchronized rhythmic motions. The machine has a foreseen capacity of between 3000 and 4500 bottles per hour. The movement of the main components is ensured through the transmission of power over the mechanical system and further through the curve mechanism with the buffering effect of amortization pneumatic cylinders. These pneumatic cylinders have a role of keeping the curven rolls of these mechanisms with the curves (preventing uncontrollable oscillations or jumping that might occur at higher velocities). The machine is controlled with a programmable controlling unit that receives signals from the machine about the conditions of the executive parts of the machine through the system if sensors. This system of sensors also controls the security systems that protect the machine operator. The stand of the machine is made from steel profiles covered with construction type steel sheets. The zone in which the installment of the label takes place is protected with a door made of Plexiglas and every attempt to open this door will cause the machine to stop working instantly. The bearing panels and all of the moving parts are made of an aluminum based alloy for the purpose of reducing inertial forces present.
The machine is composed of the following functional compartments:
1. The mechanism of the main drive
2. Pincers
3. Supplying the bottles
4. The suspender of the foil roll
5. Bearing elements
6. Confirmatory unit
7. Winch or reel
8. Air distribution system
9. Pressure accumulator
10. Transporter
11. Coverings and sheet panels
12. Main electric cabinet
4.1 The mechanism of the main drive (pictures 6, 7, 8, 9) enhances all of the main movements on the machine: the upwards and downwards movements of the executive elements of the pincers that do the actual sliding-on of the labels upon bottles, and also movements of the bottle pusher that brings the bottles to the operational zone at a certain pace and rhythm. The main drive (pos. 1) over the belt transmitter (pos. 6) gets the momentum to the central axis of the copying unit (pos. 31). On this axis there are the copying unit of the main motion (pos. 9) and copying unit of the bottle delivery (pos. 10) which over its levers (pos. 37 and 22) transmits the momentum on to the executive elements. The transmission of the momentum between the axis and a belt transmitter is done through the pneumatic junction (pos. 7), and it`s emergency stopping is done by a pneumatic brake (pos. 61). The lever mechanism of this structure is manufactured if full form aluminum based alloy in order to reduce any inertial forces present. To ensure the safe and tight placement of the curven rolls of the curve mechanisms upon both lever mechanisms (main movements and the supplying of the bottles) have amortization pneumatic cylinders. This pneumatic cylinder switches on each time the machine is put in motion and switches off each time the machine is put to a halt. This enables the machine operator to manually lift the pincers every time the machine is turned off in case that a bottle gets stuck under the pincer mechanism.
4.2 The pincers (picture 10) – this mechanism ensures the uptake of the label, traction of the label and sliding the label on the bottle. When the pincer mechanism is in the upper position the inner pincer (pos. 50) is placed inside the label confirmatory unit while the outer pincer (pos. 51) is also in a closed state keeping the diameter of it`s opening slightly wider than the diameter of the confirmatory unit itself. Over the cylinder for the label uptake (pos. 5) the inner pincers open themselves out and over the outer pincers using them as a support grab the label. On the outer pincers there are rubber coverings that increase the friction force between the pincers and the labels. The main drive mechanism enables the pincers to move downwards. By moving downwards the pincers tract an entire line of labels and lift by doing so the wire lever(“the ballerina”) that controls the unraveling of the foil roll and in consequence enabling the unraveling of the foil roll. In this way the unraveling process does not encounter any friction or resistance. The label extractors extract a single label and slides it on the bottle, after the machine has drawn just enough foil, a portion that needs to be little longer than a single label. At a certain moment during its traveling downwards through the mechanism of the inner pincer(pos. 11) and over the curven rolls the inner pincer are being held in an open position and the cylinder for the label uptake closes. In a designated place for label release the outer pincer opens through the lever for label release. The label remains on the bottle due to the existing elastic force, and the inner pincer is automatically withdrawn during the downwards movements of this mechanism. In the down position the inner pincer is being activated once more that is it opens once again. It always opens against the outer pincer and since the outer pincer is in the open position unlike during the label release cycle, the inner pincer is now open to a greater diameter and this prevents the arising of the bottle that already has it`s label in place. While this part of the cycle takes place the pressure in the cylinder for label release is increased to prevent the inner pincer to close during the descend of the outer pincer from the label release cam. The bearer of this mechanism (pos. 4) is made from the aluminum based alloy, and thus relieved from any weight surplus. This feature reduces any inertial forces that might occur when the machine operates at high velocity.
4.3 Supplying the bottles (picture 11) is done by a structure that has a role of introducing the bottles in a synchronized manner with the pincer mechanism into the operating zone in which the installment of the labels takes place. This structure gets its momentum from the motion transmitting lever (pos. 17) that transmits the momentum further from the copying unit of the bottle supplier. The motion transmitting lever through the receiving lever (pos. 13), the bottle supplying shaft and the bottle supplying lever (pos. 14), a curl spindle (pos. 3) and the bottle pusher (pos. 1) introduces the bottles one by one pushing them in a row into the operating zone in which the label installment process takes place. Pushing the bottle forward is done while the pincers are in an upper position. The curl spindle has a role of fixating the bottle pusher in its starting position. The bottle pusher always makes the same motion but a certain part of the way, depending on the fine tuning; it travels without pushing the bottles forward. The difference between the length of this pathway and the entire pathway of the bottle pusher is to be equal to the transverse measurement of a single bottle. That means that between the onsets of the bottle pushing process and its completion the bottle pusher travels a pathway equal to the transverse measurement of a single bottle.
4.4 The suspender of the foil roll and the unraveling process (picture 12) – This structure has a role of bearing the foil roll but also to make sure that there is a continuous supply of foil to stand in reserve to ensure the traction of the foil relieved from any resistance to the unraveling process. This is essential because the perforated foil is very sensitive to the traction forces along the foil. The unraveling of the foil roll is powered by the unraveling drive (pos. 2) and through the system of pressure cylinder (pos. 1) and a cylinder with the rubber covering (pos. 5). When the foil is unraveled “the ballerina” falls down (pos. 14) and thus keeps the foil tightened at all times. When “the ballerina” is in the down position the unraveling process stops. With the traction of the foil “the ballerina” is being lifted, and the unravelment of the foil roll starts again. The counter ballast (pos. 18) serves a purpose of reducing the tightening of the foil by “the ballerina” to the minimum. The foil roll is imbedded on the suspender (pos. 19) and fixated using the foil roll limiter. (pos. 27).
4.5 The bearing elements (picture 13 and 14) serve a purpose of carrying the vital structural elements of the machine. The confirmatory unit lean over the confirmatory unit bearer (pos. 20) and it`s sideway motions are regulated through the bearing cylinder shaped rollers of the confirmatory unit. The foil extractors which are also there (pos. 3) are activated by the pneumatic cylinders that do the job of separating a single label from the foil. These foil extractors actually stop the row of labels that comes from the foil roll and thus allows the preceding label to be separated.
4.6 The confirmatory unit (picture 15) has a role of spreading the tube of labels and prepares it for the label uptake. It is comprised from a series of cylinder shaped rollers, tin sheets and springs. “The butterfly” (part of the confirmatory unit made from tin sheets) holds the foil tight at all times. In the moment of the label uptake these tin sheets are withdrawn in order to prevent the straining of the label and a sub sequential tearing of the label. After the separation of label these tin sheets spread once more to keep the foil tight. The confirmatory unit hangs on a confirmatory bearing cylinder shaped roller (pos. 5). A locking device (pos. 12) secures the confirmatory unit from any swinging motions that may be induced.
4.7 The winch or reel (picture 16) is a fit that keeps the force holds the foil tight equal to its weight. During the traction of the foil the winch is being lifted and since it was constructed to be very light, it enables the force that keeps the foil tight to be kept very small. This is of some importance because it prevents tearing of the foil along the perforated spots when the machine operates at high velocity.
4.8 Air distribution system (picture 17) is positioned in the back structure of the machine. The air distribution system is led out over the central distributing crossbar and each separate line is supplied with the pressure regulator, while the process of lubrication and the separation of the condensate are shared by all of the lines.
4.9 Pressure accumulators (picture 18 and 22) have a role of holding the line of the amortization cylinders of the main movements and also a role in supplying the bottles at a constant pressure. In this way the permanent contact between the curven rolls on the copying units, is being secured and this process is done without the excessive use of air which would make the production process less profitable when the machine operates at high velocity. In this way any bouncing of the pincer mechanism is prevented and an adequate synchronization of the pincers with the rhythm in which the bottles are being delivered.
4.10 Transporter (picture 21) is an independent fit on the machine that operates in a continuous operating rhythm. It`s role in the production process lies in providing a continuous flow of bottles towards the bottle pusher. That would mean that the bottle pusher in its back position is provided with a new bottle in timely fashion.
4.11 Coverings and sheet panels are there to provide the protection of the vital parts of the machine from any outside influences and also to provide protection to the machine operator from the moving parts of the machine that if uncovered may cause physical damage to the person(s) in the nearest vicinity of the machine.
4.12. Main electric cabinet (picture 24) – this electric cabinet is positioned on the front of the machine and through the panel of this cabinet we communicate and control over the machine using the commanding buttons and panels of the programmable controller. The function of each of these parts will be elaborated further in this book in the section on handling the machine.
5.0 TECHNICAL FEATURES
- PRODUCTION CAPACITY................................................ Q = 4500 BOTTLES/h
- EFFECTIVE POWER .................................. P = 4 kW
- USAGE OF AIR .................................. 100 NL / min
- OPERATING PRESSURE .......................................... 6 8 bar
- DIAMETER OF THE FOIL ROLLS ............................... 500 mm
- POWER SUPPLY VOLTAGE ..................................... 3 x 380 V 50 Hz
- MACHINE DIMENSIONS:
WIDEx LONG x HIGH ................... 2000 x 2215 x 1080
- WEIGHT OF THE MACHINE .......................................... 400 kg
Machine power supplies:
- Moto-reduction gear of the main drive ............... p=1,5 kW ni=300 min-1 50 Hz 3x380 AC
- Moto-reduction gear of the unraveling process .................... p=1/15 hp in=97min-1 50 Hz 220 V AC
- Moto-reduction gear of the transporter ...................... p=0,37 kW ni=25 min-1 50 Hz 3x380 AC
- The vacuum pump motor .............................. p=1,5 kW ni=2850 o/min 3x380 V AC
- Moto-reduction gear of the traction correction........ p=20 W 12 V DC
6.0 TRANSPORT AND STORAGE
The machine is transported and installed in a vertical position (picture 23). Transporting that is moving the machine from one place to another is done either by a forklift or using a transporting crane. When the machine is being transported the fork of the forklift are placed under the base of the machine. When a transporting crane is used to transport the machine it is done using the transporting handles that are positioned on the upper side of the machine. Storage and installment of the machine should be done in dry and ventilated areas with a minimum of air humidity possible having in mind that the machine is made from a stainless rust-resistant material. Under no circumstances should the machine be washed using a stream of any liquid. If cleaned from any unclean material it should be done by whipping using a dry cloth and while the main power supply is switched off. Any attempt to open the main electric cabinet should follow the switching off of the main power supply.
7.0 SAFETY PRECAUTIONS WHEN PUTTING THE MACHINE INTO MOTION
Before plugging the machine to the main power supply you should check if the main switch is in the OFF-position (turned off). You should also make sure if all the doors on the upper and lower part of the machine structure are closed. Under no circumstances should the machine be put into motion while the door on the lower part of the machine covering. You should not place your hands or any other objects in the opening between the sides of the front door even if both sides of the door are closed. The machine should not be placed on the surface that does not conduct electric current and always make sure that the machine operator stands on a dry surface. The adequate power supply should have a designated voltage of 3x380 V 50 Hz. No unauthorized handling of the machine by more than one operator should be allowed especially not in case of one of the operators controlling the machine using the controlling panels in the main electric cabinet and a different operator servicing the machine at the same time. If all of the preconditions are matched an adequate receptacle, to supply the source of three-phase electric current, with good grounding, is required. Then you should connect the cable that supplies the machine with the electric power using the fork delivered to you for that purpose, which is to be found on the pre-mentioned cable. Before connecting the machine to the source of the electric current make sure that the grounding is in position and also check the position of the 0-phase conductor on the designated receptacle.
8.0 PREPARATIONS FOR PUTTING THE MACHINE INTO MOTION
Before the machine is put into motion for the first time it is necessary to complete a series of requirements and do a number of tasks to ensure that the machine starts working properly and in an automatic operating regime.
1) Provide all of the necessary conditions mentioned in the section about the precautions that need to be taken before the machine is put into motion.
2) Set the bottles in a row on the transporter so that the transporter is full all the way to the bottle pusher and also from the site of the bottle pusher to the operating zone in which the label installment process takes place.
3) Place one bottle on the spot in the operating zone in which the label installment process takes place.
4) Place two more bottles behind the operating zone.
5) Place the foil roll on the suspender and tract the foil over and across in the way that it is described in the picture the path of the foil (picture 19). The foil should be drawn to the upper brim of the photocell which is placed on the far most brim of the confirmatory unit.
6) Check the diameters of the side bottle guiding lane and also make sure that all of the adequate replaceable elements for the designated bottle are in place.
7) Make sure once again if all of the safety requirements for putting the machine in motion are met.
8) Press the START button. After you have pressed the start button the machine will start to operate automatically and initiate the label installment process.
9) Always maintain the sufficient number of bottles on the transporter to prevent interrupting the process of the label installment due to the shortage of bottles that arrive in the operating zone.
10) Gradually increase the machines capacity to synchronize it with the other machines in the production line.
9.0 HANDLING THE MACHINE
9.1. PUTTING THE MACHINE TO A HALT
There are two ways of stopping the machine once it has begun to operate:
1) Putting the machine to a halt under the regular operating circumstances
2) Putting the machine to a full stop in an emergency situation
1) Putting the machine to a halt under the regular operating circumstances is done by first reducing the capacity of the machine to about 1000 bottles/h and then by pressing the STOP button which stops the machine. The pincers will stop in the lower position and putting the machine into motion once again is possible only if you follow the instructions mentioned in the section of this book entitled PREPARATIONS FOR PUTTING THE MACHINE INTO MOTION.
2) Putting the machine to a full stop in an emergency situations is done through the use of the CENTRAL STOP switch and then the machine stops instantly maintaining the present position which it occupied in the moment of pressing the CENTRAL STOP switch. Putting the machine into motion once again is possible only after the cause of that emergency situation is removed or taken care of in a recommended fashion. When that is done you must follow the procedure mentioned in the section of this book entitled PREPARATIONS FOR PUTTING THE MACHINE INTO MOTION. Unlock the CENTRAL STOP switch by turning the switch in the direction in which the arrows marked on it point. Reduce the capacity of the machine to about 1000 bottles/h and then press the START button.
9.2. Transferring from one to another bottle size (type)
To transfer from one bottle size to another bottle size it is required to do the following adjustments of the machine:
1) Replacing one confirmatory unit by a different one (by a confirmatory unit designated for a different bottle size) – Take of the bearing cylinder shaped roller and remove the old confirmatory unit. Insert the new confirmatory unit in its place and then use the wheels to fixate it so that any possible swinging from side to side is reduced to a minimum. Do not press the wheels against the confirmatory unit to avoid any part of the foil getting stuck.
2) Replacing the outer pincers – Remove the outer pincers and put the pincers of a different spread in their
place.
3) Replacing the inner pincers – Remove the inner pincers and put the pincers of a different spread in their place. Adjust the pincers so that they are up to 0.5 1 mm away from the designated bottle.
4) Replacing the label separators - Remove the label separators and replace them with the label separators of a different format. Adjust them so that they are up to 0.5 1mm away from the confirmatory unit.
5) Adjust the diameter of the side bottle guiding line – To ensure the smooth flow of the bottles through the side bottle guiding line it is necessary to adjust the diameter of the side bottle guiding line according to the dimensions of that new bottle. That would mean changing the guiding units on the transporter also. These side guiding units should be positioned 0.5 1mm away from each side of the new bottle.
6) Adjust the position of the bottle pusher – From the bottle pusher to the place in which the label installment takes place you can fit a whole number of bottles. For different bottle types this number is different. That means that it is required to adjust the position of the bottle pusher so that the distance between the place in which the label installment process takes place and the bottle pusher itself you would be able to fit a whole number of bottles.
7) Optional adjustments of the label controlling photocell unit position – The position of the label controlling photocell unit needs to be adjusted so that when the pincers are in an upper position and the foil is somewhere in the middle of the label controlling photocell unit the pincer is about 10 15mm inside the foil tube. This adjusting is done by moving the lever that adjusts the position of the photocell unit.
8) Changing the size of the label to work with – By turning the selector of the label size you can determine the size of the label you want to work with. The machine is equipped to work with three different label sizes.
NOTE:
Every interruption of the production process that stops the machine means that you have to push the RESET button firs and the push the START button in order to start the machine once again. This is a safety precaution so that the machine operator would have time to make sure that all of the requirements for putting the machine back into motion are met after the cause of the interruption is dealt with.
9.3 Putting the machine into motion in a manual operating regime.
During the fine tuning and maintenance of the machine it is necessary to put the machine into motion in a manual operating regime:
1) Switch the manual regime selector into the “manual regime” position.
2) Push the “TAKTNI RAD” button. If you press hold of this button that if you keep it pressed the machine will operate as it would in an automatic operating regime. If you press and then let go of this button the machine will do a single tact motion and then stop.
10.0 MAINTENANCE OF THE MACHINE
Maintenance of the machine would comprise of the daily, weekly and periodical maintenance of the machine.
10.1 Daily checkup of the machine – Before starting to operate the machine it is required to do the following verifications and actions that would ensure a safe and more reliable operating of the machine:
- A visual examination of the machine and sorting out the faults that may be present.
- Make sure that the pathway of the foil is passable and if not sort out any problems that would make that pathway impassable.
- Confirm the status of the pincers especially the rubber sheeting on the outside of the pincers.
- Confirm the status of all of the transmitters on the machine.
- Confirm the status and the position of the confirmatory unit.
- Verify the amount of the lubricant in the tank of the central lubricating process unit.
10.2 Weekly checkup of the machine
- Cover all of the spots that hold axial bearings with grease.
- Confirm the amount of oil present in the reduction gear.
- Confirm the amount of oil present in the system for saturating the air with oil.
- Do all of the other checkups mentioned in the section about the daily checkups.
- Release the condensate from the machine.
10.3 Periodic checkups, every three months
- Do a maintenance checkup of all of the sliding bearings and replace them if necessary.
- Do a maintenance checkup of all of the ball bearings and replace them if necessary.
- Do a maintenance checkup of the pincers and replace them if necessary.
- Perform all of the checkups mentioned in the section on the daily checkups.
The machine is supplied with a central lubricating process unit. The machine is automatically being lubricated after every 2000 cycles.
10.4 The list of all the necessary lubricants
- The oil designated for lubricating the sliding bearings – HIPOL 90 ISL.
- The oil for saturating the air:
Kinematic viscosity: up to 2 degrees E/323 K
NAFTAGAS: HIDRAULIK 20 HD
INA: hidraol 18 HD
HENA: Hydraulic oil M-18 HD
SHEL: Tellus Oel 15
ESSO: Spinesso 34
ARAL: ARAL-Oel K 2008
TEXACO: Capella Oil AA Waxfree
MOBIL OIL: Mobilifluid 62
BP: Energol HP 1
GOST 1707-51: Maslo industrualnoe 12
Different types of the lubricant greases:
INA: LIS-1, LIS-2
FAM: FOR-1, FOR-2
SHELL: Alvania 2
ESSO: Breacon 2
ARAL: ARAL - mast HL 2
TEXAKO: DEA Blissando Fo 20
MOBIL OIL: Mobil plex 47
BP: Energrease LS 2
GOST 6267-59: CIATIM – 201
11.0 SORTING OUT TECHNICAL DIFFICULTIES
If some irregularities in the functioning of the machine occur you should try to establish the reasons for that occurrence and deal with them.
The way the malfunction manifests itself The cause of the malfunction The way to solve the problem
Irregularities in the cycle Insufficient entering pressure in the system.
The position of the foil separator. Increase the entering pressure and provide sufficient and continuous air supply.
Make sure that the switch is in the right position for the designated label size.
Reoccurring bottle lifting There is no pressure difference between the regulators 11 and 12 picture 17.
The label. Create the pressure difference of at least 1 bar which would be used to create work by the regulator number 11.
A low quality label of insufficient elasticity can cause the bottle to lift. Replace the bottles.
The machine does not start when pushing the START button. CENTRAL STOP.
The door sensors. Jamming of the exiting transporter.
Insufficient bottle income. Unlock the CENTRAL STOP button. Make sure that all of the doors on the machine are closed.
The machine will start operating on its own right after the exiting transporter is released. Supply the machine with enough bottles.
The machine separates two labels at a time. The rubber coverings on the separators might be worn out. The position in which the label separator is in. The air pressure. Replace the rubber coverings on the label separators. Make sure that the label separator is in the adequate position.
Provide the machine with sufficient air pressure.
The label does not maintain the level position on the bottle. Copying unit of the label releasing process
Air pressure.
The rubber coverings of the outer pincers. Set the copying unit of the label releasing process in the right position.
Provide the machine with sufficient air pressure.
Replace the rubber coverings on the outer pincers.
12.0 THE DOCUMENTATION
Pictures 4 and 5 the front and back installation of the machine
Pos. Name of the part
12 The main drive
1 The vacuum pump
22 The tank of the central lubricating process unit
17 The pincers
7 The lever of the main drive
37 The bearer of the confirmatory unit
9 The distributor of the pneumatic power
23 The accumulator of the delivering pressure
16 The bottle delivering lever
15 The unraveling of the foil
2 The accumulator of the pressure of the main motion
8 The main switch
Pictures 6 and 7, 8, 9 the main drive mechanism
Pos. Name of the part
2 The amortization cylinder of the main drive
1 The main drive
37 The lever of the main motion
35 The supports of the lane of the curven rolls
46 The belt transmission of the n-coder
30 The N-coder
61 The pneumatic break
6 The main belt transmitter
7 The pneumatic bond
31 The central lever of the copying unit
22 The bottle delivering lever
9 The copying unit of the main motion
10 The bottle delivering copying unit
17 The axis of the main motion lever
Picture 10 The pincers
Pos. Name of the part
10 The support of the inner pincer
13 The guiding unit of the inner pincer
5 The label uptake cylinder
3 The bumper
19 The curven roll of the stable guiding process
25 The curven roll of the outer pincer
4 The pincer`s mechanism bearer
11 The inner pincer`s mechanism
1 The label release lever
50 The inner pincer
51 The outer pincer
Picture 11 Delivering the bottles
Pos. Name of the part
1 The bottle pusher
3 The curled spindle
26 Unibal
14 The lever of the bottle delivering unit
11 The suspending handles
25 The amortization cylinder of the bottle delivering unit
12 The inter-lever
6 The side guiding units
17 The lever of the transmitting motion
5 The bottle delivering winch
13 The receiving lever
Picture 12 the foil roll suspender with the system for unraveling the foil from the roll
Pos. Name of the part
2 The unraveling drive
4 Foil roll bearing groove
19 Foil roll bearing
27 Foil roll limiter
14 Ballerina
18 Counter weight
10 Foil accumulation
1 Compressive roll for unraveling
5 Rubberized roll for unraveling
Pictures 13 and 14 The bearing elements
Pos. Name of the part
11 The bearing of the main guiding units
8 The confirmatory system guiding units
1 The foil winch
14 The support of the confirmatory unit
3 The foil separator
20 The bearer of the confirmatory unit
Picture 15 The confirmatory unit
Pos. Name of the part
5 The bearing cylinder of the confirmatory unit
3 The distributing tin-made structure
1 The body of the confirmatory unit
12 The supporters
11 “The butterfly” (a tin fit)
15 The spring of “the butterfly”
2 The final forming unit
Picture 16 The winch
Pos. Name of the part
12 The winch bearer
4 The cylinder shaped roller of the moving part
3 The supporter of the foil
5 The side limiter
18 The winch axel
Picture 17 The air distribution system
Pos. Name of the part
7 The condensate separator
8 The system for saturating the air with oil
16 The air supply tap
4 The vacuum pressure measuring device
14 The regulator of the clutch/break-lubrication pressure
11 The regulator of the pincer higher pressure
13 The regulator of the amortization cylinder of the main motion
10 The regulator of the amortization cylinder of the bottle delivery
12 The regulator of the pincer low pressure
9 The regulator the correcting cylinder
21 The regulator of the foil separator
1 The central distributing unit
Picture 21 Transporter
Pos. Name of the part
1 The transporting line
2 The side guiding unit
3 The handle of the side guiding unit`s bearer
4 The front bearer
5 The middle bearer
6 The drive of the transporter
7 Drive units group
8 Tension units group
Picture 24 The controlling electric cabinet
Pos. Name of the part
1 The display of the controller
2 The capacity regulator
4 The unit that selects the designated label size
5 The switch of the manual operating regime
6 The unit that selects the manual operating regime
7 The START button
8 The regulator of the transporter velocity
9 The safety light that signals a malfunction
10 The RESET button
11 The CENTAL STOP switch
12 The STOP button
13.0 ElECTRICAL SCHEEMES AND PATHWAYS
Serbian to English: Operativni nalaz General field: Medical Detailed field: Medical (general)
Source text - Serbian Načini se linearni rez subokcipitalno do processusa spinosusa C2. Ekartiraju se meka tkiva, prikaže se skvama okcipitalne kosti, načini se osteoplastična kraniotomija.
Dura se otvori, isprazni se cisterna magna, ekartiraju se tonzile cerebeluma, preseče se vermis, prikazuje se tumor u IV moždanoj komori, infiltriše vermis, pričvršćen za horioidni pleksus IV komore, naleže na stablo, nejasno odvojen od cerebelarnog pedunkula desno, žilav, mekan, ukloni se maksimalno radikalno, osim manjeg dela koji je pričvršćen za moždano stablo.Hemostaza.
Šav dure, plastika dure periostom, epiduralna drenaža, kosti fiksirane transosealno, šav po slojevima.
Deo tumora za PH analizu.
Dr M.Milićević
Dr I.Bogdanović
Translation - English We made a linear incission extending from the suboccipital region to the processus spinosus of the second cervical vertebrae, moved the soft tissue aside to expose the surface of the occipital bone, and made an osteoplastic craniotomy. We then opened the dura mater, drained cisterna magna, using forceps we moved the cerebellar tonsillae(cerebellar tonsils), cut through the vermis thus visualizing a tumor in the fourth cerebral ventricle. Tumor had infiltrated the vermis, it was attached to the choroid plexus of the fourth ventricle, adjacent to the brainstem, with an unclear line of separation from the right cerebellar peduncle. The tumor is sinewy(or chewy) and soft. We removed most of the tumor performing a radical excision, except for the small portion that was attached to the brainstem. We performed haemostasis.
We sutured the dura mater, repaired it using bone periosteum, performed an apidural drainage, repaired the bone applying transosseous fixation and sutured the layers of the soft tissue layer by layer.
Part of the tumor was sent for a pathohistological analysis.
Dr M.Milićević
Dr I.Bogdanović
English to Serbian: Upper respiratory tract infections General field: Medical Detailed field: Medical (general)
Source text - English
112
KEY CONCEPTS
Most nonspecific upper respiratory tract infections have a viral,
not bacterial, etiology and tend to resolve spontaneously.
Each time antibiotics are administered for an upper respiratory
tract infection, the recipient is at increased risk of selection and
carriage of resistant organisms that can be passed to others.
This can lead to future antibiotic failure.
Amoxicillin is the drug of choice for acute otitis media. High-
dose amoxicillin (80 to 90 mg/kg/day) is recommended as it
is not always known if the patient is at high risk for a penicillin-
resistant pneumococcal infection.
Vaccination against influenza and pneumococcus may de-
crease the risk of acute otitis media, especially in those with re-
current episodes.
Viral and bacterial sinusitis are difficult to differentiate because
their clinical presentations are similar. Viral infections, however,
tend to resolve by 7 to 10 days. Persistence of symptoms be-
yond this time or worsening of symptoms likely indicates a bac-
terial infection.
Amoxicillin is first-line treatment for acute bacterial sinusitis. As
there is no difference in clinical outcome among antibiotics, the
advantages of amoxicillin include proven efficacy and safety, a
relatively narrow antibacterial spectrum that minimizes emer-
gence of resistance, good tolerability, and low cost.
Viruses cause the majority of acute pharyngitis cases. Of all the
bacterial causes, group A-hemolytic Streptococcus (S. pyo-
genes) is the most common and it is the only commonly occur-
ring form of acute pharyngitis for which antimicrobial therapy is
indicated.
Antimicrobial treatment of pharyngitis should be limited to
those who have clinical and epidemiologic features of group A
streptococcal pharyngitis with a positive laboratory test. Penicil-
lin is the drug of choice; amoxicillin can be used for children
because of its better taste.
Upper respiratory tract infections include otitis media, sinusitis,
pharyngitis, laryngitis (croup), rhinitis, and epiglottitis. These infec-
tions are responsible for the majority of antibiotics prescribed in
Learning objectives, review questions,
and other resources can be found at
www.pharmacotherapyonline.com.
Upper Respiratory
Tract Infections
YASMIN KHALIQ, SARAH FORGIE, AND GEORGE ZHANEL
ambulatory practice and the cost is significant.1 In 1998, for exam-
ple, the estimated cost of otitis media was $3 to $4 billion in the
United States, and $600 million in Canada.2
Most nonspecific upper respiratory tract infections have a viral,
not bacterial, etiology and tend to resolve spontaneously.3,4 Strategies
for limiting unnecessary antibiotic use have been developed1,3,5 in an
effort to address the problem of increased bacterial resistance that is
associated with antibiotic use. This is particularly important for
Streptococcus pneumoniae, the leading bacterial cause of meningitis,
pneumonia, otitis media, and sinusitis.1 In Canada, an average of 15
deaths per year caused by S. pneumoniae are reported in children
younger than 5 years of age.6
This chapter focuses primarily on otitis media, sinusitis, and
pharyngitis because these infectious entities are frequently bacterial
in origin, and appropriate antibiotic treatment can minimize mor-
bidity and potentially prevent complications.
OTITIS MEDIA
Otitis media is an inflammation of the middle ear. The diagnosis of
acute otitis media includes signs and symptoms of infection of the
middle ear, such as otalgia, fever, and irritability, as well as the
presence of fluid in the middle ear.7–11 In otitis media with effusion,
middle ear fluid is present, but signs and symptoms of infection are
absent. Otitis media is most common in infants and children, 75%
of whom have had at least one episode by the age of 1 year.12 Table
112–1 lists the risk factors for otitis media. Risk factors for bacterial
otitis media caused by resistant pathogens include (a) day-care
attendance, (b) recent antibiotic exposure, (c) age younger than 2
years, and (d) frequent bouts of otitis media.13
PATHOPHYSIOLOGY
Acute bacterial otitis media usually follows a viral upper respiratory
tract infection that causes eustachian tube dysfunction and mucosal
swelling in the middle ear.12,13 Bacteria that colonize the nasophar-
ynx thus enter the middle ear and are not cleared properly by the
mucociliary system.7 In the presence of effusion, the bacteria prolif-
erate and cause infection.7,13 Children tend to be more susceptible
to otitis media than adults because the anatomy of their eustachian
tube is shorter and more horizontal, facilitating bacterial entry into
the middle ear.13
MICROBIOLOGY
S. pneumoniae is the most common bacterial cause of acute otitis
media, with an incidence of 20% to 35%.6,8,14 Nontypeable Haemo-
philus influenzae and Moraxella catarrhalis are each responsible for
20% to 30% and 20% of cases, respectively. Bacterial organisms that
1779
have been associated less frequently with otitis media include Staphy-
TABLE 112-1 Risk Factors for Otitis Media
Winter season/outbreaks of respiratory syncytial or influenza virus
Attendance at day care centers
Lack of breast-feeding in infants
Aboriginal or Inuit origin
Early age of first diagnosis
Nasopharyngeal colonization with middle ear pathogens
Genetic predisposition
Siblings in the home
Lower socioeconomic status
Exposure to tobacco smoke
Use of a pacifier
Male gender
Immunodeficiency
Allergy
Urban population
From Faden et al.,12 and Hoberman et al.13
lococcus aureus, Streptococcus pyogenes, and gram-negative bacilli such
as Pseudomonas aeruginosa.13 In 20% to 30% of cases, no bacterial
pathogen is found, and in up to 44%, a viral etiology is found with or
without concomitant bacteria.7
Bacterial Resistance
Bacterial resistance to antimicrobial therapy for acute otitis media is of
growing concern, particularly in view of the increasing levels of drug-
resistant S. pneumoniae. Data from the United States (1999–2000)
indicate that 8.3% to 34.2% of all S. pneumoniae isolates are penicillin-
nonsusceptible (minimum inhibitory concentration [MIC] = 0.12 to 1
mcg/mL), that 12.2% to 21.5% are highly penicillin-resistant (MIC≥2
mcg/mL), and that these rates are highly variable depending on the
region of the country.15,16 International data collected from Europe,
Latin America, and North America between 1999 and 2003 indicate
penicillin nonsusceptibility rates of 28.6, 28.7, and 33%, respectively.
High-level resistance was reported as 14.7, 12.7, and 15.9% respec-
tively.17 Canadian data from isolates collected between 1997 and 2005
indicate that 16.1% to 25.3% of S. pneumoniae isolates are penicillin-
nonsusceptible.17 High-level penicillin resistance fluctuated between
2.3% and 9.7% over this time period, with a rate of 7.4% in 2006.
Macrolide and fluoroquinolone resistance have been steadily increasing
over 1997 to 2006, from 7.5% to 17.2%, and 0.6% to 7.3%, respec-
tively.18 Multidrug resistance in the United States is reported as 12.2%
to 22.4% of S. pneumoniae isolates.15,16 Multidrug resistance is defined
as concomitant resistance to at least three different antibiotic classes.
Therefore, antibiotic resistance rates with other-lactams (penicillins
other than penicillin, as well as cephalosporins), macrolides (azithromy-
cin and clarithromycin), clindamycin, trimethoprim-sulfamethoxazole,
tetracyclines, and fluoroquinolones also must be considered. In otitis
media, non–-lactam antibiotic treatment is mostly considered when
penicillin-allergic patients are treated or when treatment failure occurs.
S. pneumoniae resistance to amoxicillin with clavulanate is reported
to range from 0.3% to 1% in Canada, and up to 14% in the United
States.16,17 The second-generation cephalosporins that have been
found most active are cefuroxime and cefprozil, followed by cefixime
and cefaclor, with resistance rates of 6% to 12% in Canada and
approximately 25% to 30% in the United States.15,16,18 The approxi-
mate rates of resistance for individual agents are clarithromycin (8%
to 26%), trimethoprim-sulfamethoxazole (16% to 30%), doxycy-
cline (3% to 8%), and levofloxacin (0.5% to 2.5%).16,17
-Lactamase-producing H. influenzae and M. catarrhalis are found
in 23% to 35% and up to 100% of infected patients, respectively.16,19,20
Susceptibilities, however, vary by geographic region. Although these
organisms tend to cause infection that is more likely to resolve
spontaneously as compared with S. pneumoniae, they are still patho-
gens that must be accounted for, particularly in treatment failures.
TABLE 112-2 Clinical Presentation of Acute Bacterial Otitis Media
General
The acute onset of signs and symptoms of middle ear infection following cold
symptoms of runny nose, nasal congestion, or cough
Signs and symptoms
Pain that can be severe (more than 75% of patients)
Children may be irritable, tug on the involved ear, and have difficulty sleeping
Fever is present in less than 25% of patients and, when present, occurs more
often in younger children
Examination shows a discolored (gray), thickened, bulging eardrum
Pneumatic otoscopy or tympanometry demonstrates an immobile eardrum;
50% of cases are bilateral
Draining middle ear fluid occurs (less than 3% of patients) that usually reveals a
bacterial etiology
Laboratory tests
Gram stain, culture, and sensitivities of draining fluid or aspirated fluid if
tympanocentesis is performed
Data from Hendley JO: Otitis media. N Engl J Med 2002; 347:1169–1174.
Each time antibiotics are administered for an upper respira-
tory tract infection, the recipient is at increased risk of selection and
carriage of resistant organisms that can be passed to others. This can
lead to future antibiotic failure. Without antibiotic therapy, how-
ever, acute otitis media secondary to S. pneumoniae is less likely to
resolve spontaneously than that from other causes. S. pneumoniae is
increasingly resistant to penicillin, and penicillin-resistant S. pneu-
moniae is more likely to be resistant to multiple antibiotics.14,15,18
CLINICAL PRESENTATION AND DIAGNOSIS
Acute otitis media presents as an acute onset of symptoms such as
fever, otalgia, irritability, and tugging on the ear, accompanied by
signs such as a gray, bulging, nonmotile tympanic membrane.
Bacterial otitis media often follows a viral upper respiratory tract
infection, and the child will experience symptoms of runny nose,
nasal congestion, or cough (Table 112–2).
Resolution of the symptoms of acute otitis media occurs over 1
week. Pain and fever tend to resolve after 2 to 3 days, with most
children becoming asymptomatic at 7 days. Over a period of 1 week,
changes in the eardrum normalize, and the pus becomes serous fluid.
Air–fluid levels are apparent behind the eardrum, at which point the
stage is now referred to as otitis media with effusion. This does not
represent ongoing infection, nor are additional antibiotics required.12
Otitis media with effusion also can occur de novo and is thought to
be a result of respiratory viruses. The diagnosis of acute otitis media
and otitis media with effusion are easily confused, and careful atten-
tion to history, signs, and symptoms as well as results from pneumatic
otoscopy are important. Otitis media with effusion usually occurs in
spring or autumn, not winter, and may be a result of allergens or
viruses common at these times. It also differs from acute otitis media
in that pain is not present, nor a bulging eardrum. Effusions resolve
slowly. At 3 months, 90% have disappeared.10,12 Younger children
and those with a history of recurrent infections have a further delay in
resolution.7,12 Complications of otitis media are infrequent but
include mastoiditis, bacteremia, meningitis, and auditory sequelae
with potential for speech and language impairment.21,22
TREATMENT
Acute Otitis Media
■ DESIRED OUTCOME
The goals of treatment of acute otitis media are the reduction in signs
and symptoms, eradication of the infection, and prevention of com-
1781
plications. Avoidance of unnecessary antibiotic prescribing is another
goal in view of the increasing problem of S. pneumoniae resistance.
■ GENERAL APPROACH TO TREATMENT
The management of acute otitis media is not without controversy.
For example, a systematic review of studies demonstrated that
antimicrobial therapy provides resolution of symptoms in approxi-
mately 95% of patients,23 whereas approximately 80% of placebo-
treated patients also have a resolution of symptoms.23,24 Based on
the theory that many of these studies likely included children with
viral otitis leading to the small benefit of antimicrobials,23–25 antimi-
crobial treatment is still considered an appropriate management
strategy in correctly diagnosed bacterial acute otitis media.9,14
■ NONPHARMACOLOGIC THERAPY
Acetaminophen or a nonsteroidal antiinflammatory drug (NSAID)
such as ibuprofen should be offered early to relieve pain and malaise
in acute otitis media regardless of the use of antibiotics.11 Deconges-
tants, antihistamines, topical corticosteroids, and expectorants have
not been proven effective for acute otitis media,10,26 and side effects
associated with these treatments may be unpleasant.
Surgical insertion of tympanostomy tubes (T tubes) is an effective
method for the prevention of recurrent otitis media. These small
tubes are placed through the inferior portion of the tympanic
membrane under general anesthesia and aerate the middle ear.
Children with recurrent otitis who have more than three episodes in
6 months or four or more episodes (one of which is recent) in a year
should be considered for T-tube placement.
■ PHARMACOLOGIC THERAPY
Delayed Antimicrobial Therapy
It is difficult to identify who will benefit from antimicrobial therapy,
but it is likely that in children viral otitis media will resolve without
antibiotics, whereas children with bacterial otitis media will require
antimicrobials. With or without treatment, approximately 60% of
children who have acute otitis media become symptom-free within
24 hours.27 Antibiotic use reduces the duration of symptoms
(including pain and crying) by about 1 day.28 Delayed treatment
are now suggesting this wait-and-see approach in certain situations
as an alternative.31
Antimicrobial Therapy
Acute otitis media must be distinguished from otitis media with
effusion. Antimicrobials are indicated only in the former unless the
effusion persists beyond 3 months in otitis media with effusion.
Middle ear effusion in acute otitis media tends to continue after
antimicrobial therapy is completed but does not require retreatment.
Studies have not demonstrated any one antimicrobial agent to be
superior in the treatment of acute uncomplicated otitis media.23
Amoxicillin is the drug of choice for acute otitis media. High-
dose amoxicillin (80 to 90 mg/kg per day) is recommended as it is
not always known if a patient is at risk for a penicillin-resistant
pneumococcal infection.9,11 Amoxicillin has the best pharmacody-
namic profile (time above the MIC90 in the middle ear fluid for more
than 40% of the dosing interval) against drug-resistant S. pneumo-
niae of all available oral agents. In addition, amoxicillin has a long
record of safety, possesses a narrow spectrum, and is inexpensive.9
Higher middle ear fluid concentrations of amoxicillin as a result of
higher dosing overcome most drug-resistant S. pneumoniae even
with its increased MIC.33 Its excellent efficacy against S. pneumoniae
outweighs the issue of-lactamase–producing H. influenzae and M.
catarrhalis, against which amoxicillin may not be effective. This is
because H. influenzae and M. catarrhalis are both more likely than S.
pneumoniae to lead to a spontaneous resolution of the infection. In
patients with moderate-severe illness (severe otalgia, and tempera-
ture >39°C [102.2°F]), amoxicillin-clavulanate is recommended.
Table 112–3 lists treatment recommendations for acute otitis media.
If treatment failure occurs with amoxicillin, an agent should be
chosen with activity against-lactamase–producing H. influenzae
and M. catarrhalis, as well as drug-resistant S. pneumoniae.13,20
High-dose amoxicillin-clavulanate is recommended. Other choices
include cefuroxime, cefdinir, cefpodoxime, cefprozil, and intramuscular
ceftriaxone.11,14 Second-generation cephalosporins, while-lactamase
stable, are expensive, have an increased incidence of side effects, and may
increase selective pressure for resistant bacteria. Furthermore, most
TABLE 112-3 Acute Otitis Media Treatment Recommendations
decreases antibiotic use to approximately 30%, decreases side
effects, and minimizes bacterial resistance.29,30
Patients who are eligible for delayed therapy are children ages 6
months to 2 years, if symptoms are not severe.11 Children in this age
range with severe symptoms, and those younger than 6 months old,
should receive antibiotic therapy. Delayed treatment is not advisable
in children who have severe symptoms, those with recent antimicro-
bial exposure, or when underlying conditions exist, because these
patients are at increased risk of invasive disease and resistant bacte-
rial infections. If delayed therapy is tried, use of appropriate pain
First Line
Amoxicillin high dose
80–90 mg/kg/day
divided twice daily
Penicillin Allergy
Non–type I:
Cefdinir 14 mg /kg /day
once or twice daily
Cefuroxime 30 mg /kg /
day divided twice daily
Cefpodoxime 10 mg /kg /
day once daily
Cefprozil 30 mg /kg /day
divided twice daily
Treatment Failure
Amoxicillin-clavulanatea
medication, such as oral ibuprofen or acetaminophen, is strongly
advised. It is also important that the parent be aware of the symp-
toms of deterioration, and has easy access to followup.9,11 If no
improvement is noted in 48 to 72 hours, antibiotics should be started.
In children ages 6 months to 2 years, some clinicians recommend
reevaluation in 24 hours.29
Immediate symptom improvement, and prevention of mastoidi-
tis and meningitis are reasons to prescribe immediate antibiotic
treatment for acute otitis media. The rates of mastoiditis in the
Netherlands, Norway, and Denmark, countries that use delayed
therapy, and those in Canada, the United States, Australia, and the
If severe symptoms
(severe otalgia and
temperature above
39°C [102.2°F])
Amoxicillin-clavulanatea
Type I:
Azithromycin 10 mg /kg /
day 1, then 5 mg /kg /
day for days 2–5
Clarithromycin 15 mg /
kg /day divided twice
daily
Ceftriaxone 50 mg/kg/
day IM/IV for 3 days
Alternatives:
Clindamycin 30–40 mg/
kg /day in 3 divided
doses
Tympanocentesis
United Kingdom (immediate antibiotic use) are similar, although
about 1,600 fewer children per 100,000 experienced antibiotic side
effects in the former.30 Given the interest in reducing overprescrip-
tion and minimizing bacterial resistance, North American countries
a
Amoxicillin-clavulanate 90:6.4 or 14:1 ratio is available in the United States; 7:1 ratio is available in Canada
(use amoxicillin 45 mg/kg for one dose, amoxicillin 45 mg/kg with clavulanate 6.4 mg/kg for second dose).
From Forgie et al.,9 and American Academy of Pediatrics.11
1782
cephalosporins do not achieve adequate middle ear fluid concentrations
against drug-resistant S. pneumoniae for the desired duration over the
dosing interval. Use of trimethoprim-sulfamethoxazole and erythromy-
cin-sulfisoxazole are discouraged because of high rates of resistance.9,11
Intramuscular ceftriaxone is the only agent other than amoxicillin that
achieves middle ear fluid concentrations above the MIC for more than
40% of the dosing interval.20 Although single doses have been used, daily
doses for 3 days are recommended to optimize clinical outcomes.11,13,14
Ceftriaxone should be reserved for severe and unresponsive infections or
for patients in whom oral medication is inappropriate because of
vomiting, diarrhea, or possible nonadherence. Ceftriaxone is an expen-
sive agent, and the intramuscular injections are painful. The drug can be
given intravenously, but the risk-to-benefit ratio of starting an intrave-
nous line must also be examined. Tympanocentesis also can be consid-
ered for treatment failure or persistent acute otitis media. It has a
therapeutic effect of relieving pain and pressure and can be used to
collect fluid to identify the causative agent. This procedure, however,
is not frequently performed in practice in Canada.13 Clindamycin may
also be considered at this point for coverage of documented penicillin-
resistant S. pneumoniae.9,11,14 Patients with penicillin allergy can be
treated with several alternative antibiotics. If the reaction is not type I
hypersensitivity, cefdinir, cefpodoxime, or cefuroxime can be used.11 If
the reaction is type I, a macrolide such as azithromycin or clarithromy-
cin may be used. If S. pneumoniae is documented, clindamycin is an
alternative. However, the incidence of resistance is much higher with
these agents,9,13 and of these agents, only clindamycin is recommended
by the Centers for Disease Control and Prevention (CDC) and Amer-
ican Academy of Pediatrics guidelines.11,14 Table 112–4 lists evidence-
based principles guiding management of otitis media.
Short Courses of Therapy
A meta-analysis of 32 trials32 reported no difference in effect (cure
rates) after short (105 organisms/mL).42 Table 112–5 illustrates the signs and symptoms
that best predict a diagnosis of bacterial sinusitis. Between 5% and 13%
of viral upper respiratory tract infections in children are complicated by
bacterial sinusitis, whereas only 0.5% to 2% of viral upper respiratory
tract infections in adults are complicated by sinusitis.42–44,47 Other
factors that can be associated with sinus disease include allergic inflam-
mation, systemic diseases, trauma, environmental exposures, and ana-
tomic abnormalities.44,46,47 Complications include osteitis, orbital
cellulitis, meningitis, and brain abscess, but are extremely rare.43
PATHOPHYSIOLOGY
Similar to acute otitis media, acute bacterial sinusitis usually is pre-
ceded by a viral respiratory tract infection that causes mucosal inflam-
mation.42,43,47 This can lead to obstruction of the sinus ostia—the
pathways that drain the sinuses. Mucosal secretions become trapped,
local defenses are impaired, and bacteria from adjacent surfaces begin
to proliferate. The pathogenesis of chronic sinusitis has not been well
studied. Whether it is caused by more persistent pathogens or there is
a subtle defect in the host’s immune function, some patients develop
chronic symptoms after their acute infection.44,48,49
MICROBIOLOGY
Viruses are responsible for most cases of acute sinusitis; however,
when symptoms are persistent (≥7 days) or severe, bacteria may be
a primary cause or the cause of secondary infection.42 Acute sinusi-
TABLE 112-5 Clinical Presentation and Diagnosis of
Bacterial Sinusitis
General
A nonspecific upper respiratory tract infection that persists beyond 7 to 14 days
Signs and symptoms
Acute
bacteria implicated in acute otitis media: S. pneumoniae and H.
influenzae.1,44,45,50 These organisms are responsible for approxi-
mately 70% of bacterial causes of acute sinusitis in both adults and
children.45 M. catarrhalis is also frequently implicated in children
(approximately 25%).45,47 S. pyogenes, S. aureus, fungi, and anaer-
obes are associated less frequently with acute sinusitis.42,45 Issues of
bacterial resistance are similar to those found with otitis media and
are further addressed in that section of this chapter.
TREATMENT
Sinusitis
■ DESIRED OUTCOME
The goals of treatment of acute sinusitis are the reduction in signs
and symptoms, achieving and maintaining patency of the ostia,
limiting antimicrobial treatment to those who may benefit, eradi-
cating bacterial infection with appropriate antimicrobial therapy,
minimizing the duration of illness, preventing complications, and
preventing progression from acute disease to chronic disease.45,47,48
■ GENERAL APPROACH TO TREATMENT
Approximately 65% of patients with acute sinusitis will recover
spontaneously (these are likely patients with viral sinusitis).44,45
When the decision to treat with antimicrobials thus is made, the
choice must be effective and safe, and cost must be considered.
Tables 112–6 and 112–7 provide the evidence-based principles for
acute bacterial sinusitis in children and adults.
CLINICAL CONTROVERSY
Is antimicrobial treatment warranted in bacterial sinusitis? Because
most studies have not used sinus aspiration to diagnose bacterial
sinusitis, it is likely that patients with viral infections have diluted
the results of studies of antimicrobial therapy. It is recommended
that patients with mild acute sinusitis be given decongestants and
reassurance, whereas those with moderate disease for 7 days or
more, and those with severe disease, be given antimicrobial therapy.
■ PHARMACOLOGIC THERAPY
Data regarding supportive therapy are limited, but such therapy may
be useful in reducing symptoms in some patients.46 Nasal deconges-
TABLE 112-6 Evidence-Based Principles for Acute Bacterial
Sinusitis in Children
Adults
Nasal discharge/congestion
Maxillary tooth pain, facial or sinus pain that may radiate (unilateral in
particular) as well as deterioration after initial improvement
Severe or persistent (beyond 7 days) signs and symptoms are most likely
bacterial and should be treated with antimicrobials
Children
Nasal discharge and cough for greater than 10 to 14 days or severe signs
and symptoms such as temperature above 39°C (102.2°F) or facial
swelling or pain are indications for antimicrobial therapy
Chronic
Symptoms are similar to acute sinusitis but more nonspecific
Rhinorrhea is associated with acute exacerbations
Recommendation
The diagnosis of acute bacterial sinusitis is based on
clinical criteria in children who present with upper
respiratory symptoms that are either persistent or
severe.
Imaging studies are not necessary to confirm a diagnosis
of clinical sinusitis in children≤6 years of age.
Antibiotics are recommended for the management of
acute bacterial sinusitis to achieve more rapid clinical
cure.
No recommendations are made for adjuvant therapies or
antibiotic prophylaxis.
Rating
Strong—limited
scientific data
Strong—limited
scientific data
Strong—good
evidence
Controversial and
limited data
Chronic unproductive cough, laryngitis, and headache may occur
Chronic/recurrent infections occur three to four times a year and are
unresponsive to steam and decongestants
Compiled from Hickner et al.,42 Piccirillo,43 ref. 44, Scheid et al.,46 and ref. 47.
Rating: Strong recommendations are based on high-quality scientific evidence or when such was
unavailable, strong expert panel consensus from a subcommittee of the American Academy of
Pediatrics, the Agency for Healthcare Research and Quality, the New England Medical Center for
Evidence Based Practice, and colleagues from family practice and otolaryngology organizations.
Data from American Academy of Pediatrics. Pediatrics 2001;108:798–808.
1784
TABLE 112-7 Evidence-Based Principles on Acute Bacterial
Sinusitis in Adults
TABLE 112-8 Approach to Treatment of Acute
Bacterial Sinusitis
Recommendations
Most cases of acute rhinosinusitis diagnosed in ambulatory care are
caused by uncomplicated viral upper respiratory tract infections.
Bacterial and viral rhinosinusitis are difficult to differentiate on clinical
grounds.
Sinus radiography is not recommended for diagnosis in routine
cases.
Acute rhinosinusitis resolves without antibiotic therapy in most cases.
Treatment failure or prior antibiotic
therapy in past 4 to 6 weeks
Amoxicillin
Non–immediate-type hypersensitivity:-lac-
tamase–stable cephalosporin
Immediate-type hypersensitivity: Clarithro-
mycin or azithromycin or trimethoprim-
sulfamethoxazole or doxycycline or respi-
ratory fluoroquinolone
High-dose amoxicillin with clavulanate or-
lactamase–stable cephalosporin
Rating: A indicates randomized controlled trials with little or no heterogeneity; B indicates
Second choice: respiratory fluoroquinolone
randomized controlled trials with some heterogeneity or a well-designed cohort study; C indicates
case series or poor cohort studies; D indicates expert opinion.
Data from Hickner JM, Bartlett JG, Besser RE, et al. Ann Intern Med 2001;134:498–505.
High suspicion of penicillin-resis-
tant Streptococcus pneumoniae
Compiled from ref. 44, ref. 45, and ref. 47.
High-dose amoxicillin or clindamycin
Second choice: respiratory fluoroquinolone
tant sprays that reduce inflammation by vasoconstriction, such as
phenylephrine and oxymetazoline, are used often in sinusitis.42,44 Use
should be limited to the recommended duration of the product to
prevent rebound congestion. Oral decongestants also may aid in
nasal/sinus patency. Irrigation of the nasal cavity with saline and
steam inhalation may be used to increase mucosal moisture, and
mucolytics (e.g., guaifenesin) may be used to decrease the viscosity of
nasal secretions.42,44
Antihistamines should not be used for acute bacterial sinusitis in
view of their anticholinergic effects that can dry mucosa and disturb
clearance of mucosal secretions.46 Second-generation antihistamines
may play a role in chronic sinusitis where allergy is a component.
Glucocorticoids intranasally may decrease inflammation causing
headache, nasal congestion, and facial pain;51 however, there is little
data in acute sinusitis.
Antimicrobial Therapy
Two meta-analyses44,52 have demonstrated that antimicrobial therapy
is superior to placebo in reducing or eliminating symptoms in acute
sinusitis, with a reduction in clinical failure of 25% to 30% reported.
Results from individual randomized controlled trials are conflicting,
and are confounded by flaws in methodology. Of two randomized,
controlled, double-blind studies,50,53 one demonstrated that amoxicil-
lin provided no benefit over placebo, while the other demonstrated
that amoxicillin or penicillin were more effective than placebo.
Although neither study used sinus aspiration for diagnosis, the study
that showed no benefit with antibiotic treatment used radiography for
diagnosis of sinusitis, and duration of illness was not specified. Viral
infection thus was likely present in a number of patients, underesti-
mating the value of antimicrobial therapy. The second study50 demon-
strated the effectiveness of penicillin and amoxicillin in patients with at
least 7 days of illness and findings of sinusitis on computed tomogra-
phy (CT). CT is considered more specific for diagnosis than radiogra-
phy.46 With more rigorous inclusion criteria and better diagnostic
tools, more patients with bacterial sinusitis were likely included.
No difference between cure rates, clinical improvement, or relapse
rates was noted between different antibiotics according to one meta-
analysis.52 Another report suggests that amoxicillin-clavulanate was
41% more effective in reducing clinical failure than cephalosporins
when used within 10 to 25 days; however, by 45 days, the difference
disappeared.44 There was no difference noted when other antibiotic
classes were compared, but there is a lack of studies comparing older,
less expensive antibiotics with newer, more costly agents.
Amoxicillin is first-line treatment for acute bacterial sinusitis.
Because there is no difference in clinical outcome among antibiotics,
the advantages of amoxicillin include proven efficacy and safety, a
relatively narrow antibacterial spectrum that minimizes emergence of
resistance, good tolerability, and low cost. Most consensus reports
and reviews consider amoxicillin as first-line treatment for acute
bacterial sinusitis (Table 112–8). It is cost-effective in acute uncom-
plicated disease, and initial use of newer broad-spectrum agents is not
justified.44,47,54,55 If a patient is penicillin-allergic, trimethoprim-sulfa-
methoxazole, doxycycline, azithromycin, or clarithromycin may be
used. There is concern, however, regarding increasing resistance to
trimethoprim-sulfamethoxazole and macrolides,45 as well as the high
failure rate of all these agents. In adults, a respiratory fluoroquinolone
such as levofloxacin or gatifloxacin is an alternative in the penicillin-
allergic patient. Use of fluoroquinolones also should be restricted, if
possible, to those who have recently received antibiotics, those with
severe disease, and those with drug-resistant S. pneumoniae.45,56 Fur-
thermore, gatifloxacin should no longer be used because of well-
documented hypoglycemia and hyperglycemia. If the penicillin
allergy is not a true immunoglobulin (Ig) E-mediated reaction (e.g.,
hives or anaphylaxis), a second-generation cephalosporin is initially
recommended (e.g., cefprozil, cefuroxime, or cefpodoxime).47,57
If drug-resistant S. pneumoniae is highly suspected (daycare atten-
dance, recent antibiotic use, age younger than 2 years), high-dose
amoxicillin should be given. Some recommend clindamycin, but it is
important to note that this drug is not active against H. influenzae and
M. catarrhalis.47
In the case of treatment failure with amoxicillin (i.e., no improvement
in symptoms 72 hours after starting therapy) or in patients who have
received antimicrobial therapy in the prior 4 to 6 weeks, limitations
of initial treatment coverage must be considered.45 Improved cover-
age of H. influenzae and M. catarrhalis with either high-dose amoxi-
cillin plus clavulanate or a-lactamase–stable cephalosporin that
covers S. pneumoniae (e.g., cefprozil, cefuroxime, or cefpodoxime) is an
option.45,47 Other alternatives include cefdinir, azithromycin, clarithro-
mycin, and trimethoprim-sulfamethoxazole.46,47 Clinical cure rates are
similar among antimicrobial agents,54,55 although local-area resistance
rates also must be considered, as well as increasing resistance of S.
pneumoniae, H. influenzae, and M. catarrhalis to trimethoprim-sulfa-
methoxazole, and of S. pneumoniae to macrolides. Respiratory fluoro-
quinolones have also been recommended, as well as ceftriaxone and
telithromycin. Combination therapy is recommended in the otolaryn-
gology guidelines in cases of treatment failure.45 Examples include high-
dose amoxicillin or clindamycin with cefixime or rifampin. However,
there is no clinical evidence of the safety and efficacy of these combina-
tions at this time. Table 112–9 lists dosing guidelines for these drugs.
Duration of therapy for treatment of sinusitis is not well estab-
lished. Most trials have used 10- to 14-day antimicrobial courses,
although some trials also have investigated courses as short as 3
days.58 In one placebo-controlled comparison of 3- versus 10-day
treatment with trimethoprim-sulfamethoxazole and a decongestant,
a similar number in each group were cured or improved at 14 days.
Since the publication of this study, however, rates of S. pneumoniae
resistant to trimethoprim-sulfamethoxazole have increased dramati-
cally. Furthermore, extrapolation of these results to other antimicro-
1785
TABLE 112-9 Dosing Guidelines for Acute Bacterial Sinusitis
Drug Adult Dosage Pediatric Dosage
15% to 30% of cases of pharyngitis. In adults, it is the cause of 5% to
15% of all symptomatic episodes of pharyngitis.59–62
Amoxicillin
Amoxicillin-
clavulanate
Cefuroxime
Cefaclor
Cefixime
Cefdinir
Cefpodoxime
Cefprozil
500 mg three times daily
High dose: 1 g three times
daily
500/125 mg three times
daily
High dose: 2 g/125 mg
twice daily
250–500 mg twice daily
250–500 mg three times
daily
200–400 mg twice daily
600 mg daily or divided in
two doses
200 mg twice daily
250–500 mg twice daily
Low dose: 40–50 mg/kg /day
divided in three doses
High dose: 80–100 mg /kg /day
divided in three doses
40–50 mg /kg /day divided in
three doses
High dose: can add 40–50 mg /
kg /day amoxicillin
15 mg /kg /day divided in two
doses
20 mg /kg /day divided in three
doses
8 mg /kg /day in one dose or
divided in two doses
14 mg /kg /day in one dose or
divided in two doses
10 mg /kg /day in two divided
doses (max: 400 mg daily)
15–30 mg /kg /day divided in
MICROBIOLOGY
Viruses cause the majority of acute pharyngitis cases. Specific
etiologic agents include rhinovirus (20%), coronavirus (≥5%), adeno-
virus (5%), herpes simplex (4%), influenza virus (2%), parainflu-
enza virus (2%), and Epstein-Barr virus (95% (minimizes overprescription to those without disease), and a
sensitivity of 80%–90%, compared to culture.
Early initiation of antimicrobial therapy results in faster resolution of
signs and symptoms. Delays in therapy (if awaiting cultures) can be
made safely for up to 9 days after symptom onset and still prevent
major complications such as rheumatic fever.
Rating:
Strength of recommendation—A to E
Level
A-II
A-II
A-II
A-II
A-II
A-I
DIAGNOSIS
For a patient presenting with pharyngitis, the most important
clinical decision that needs to be made is whether or not the
pharyngitis is caused by group A Streptococcus. Diagnosis is essential
because it directs management.
Clinical scoring systems such as the Centor criteria67 or
modifications68 have been advocated for diagnosis in adults as a way to
overcome the lack of sensitivity and specificity of clinician judgment
and to avoid laboratory testing of all patients.60,62 Table 112–11 lists the
modified Centor criteria. However, concern exists that use of these
criteria alone leads to overprescribing.59,61,70 Guidelines from the Infec-
tious Disease Society of America, the American Academy of Pediatrics,
and the American Heart Association suggest that testing be done in all
patients with signs and symptoms of pharyngitis. Only those with a
positive test for group A Streptococcus require antibiotic treat-
ment.59,63,70 Recent studies suggest that limiting testing to patients who
meet two or more Centor criteria will minimize overtesting.68,70 The
simplest approach is likely bedside testing with culture confirmation in
cases of negative results. This ensures those with disease are not missed.
It is important to note that laboratory testing should not be used
without consideration of clinical criteria. This is because a positive
test does not necessarily indicate disease. A positive test may
indicate carriage (not active infection) with group A Streptococcus.
TABLE 112-11 Modified Centor Criteria for Clinical Prediction of
Group A Streptococcal Pharyngitis
Evidence to support use: A, good; B, moderate; C, poor
Evidence against use: D, moderate; E, good
Quality of evidence—I, II, or III
I: at least 1 randomized controlled trial
II: at least 1 well-designed clinical trial, not randomized, or a cohort or case-controlled analytical
study, or from multiple time series, or from dramatic results of an uncontrolled trial
III: opinions of respected authorities
Data from Bisno AL, Gerber MA, Gwaltney JM, et al. Clin Infect Dis 2002;35:113–125.
The incidence of carriage in children is 5% to 20%; it is considerably
lower in adults.63 Table 112–12 lists the evidence-based principles
for diagnosis of group A Streptococcus. There are several options to
test for group A streptococcal pharyngitis. A throat swab can be sent
for culture or used for the rapid antigen-detection test (RADT).
Cultures are the “gold standard” but require 24 to 48 hours for
results.61 The RADT is more practical in that it provides results
quickly, it can be performed at the bedside, and it is less expensive
than culture. Cultures are recommended for children, adolescents,
parents, and schoolteachers with negative RADTs, as well as in
situations of outbreak or to monitor resistance.62,63,66 Delaying
therapy while awaiting culture results does not affect the risk of
complications (although some argue that symptomatic benefit is
postponed, and contagion remains), and patients must be educated
as to the value of waiting given the low false-negative rate of RADT.
TREATMENT
Criteria
Temperature >38°C (100.4°F)
Absence of cough
Swollen tender anterior cervical nodes
Tonsillar swelling or exudate
Age
3–14 years
15–44 years
45 years or older
Score
≤0
1
2
3
≥4
Pharyngitis
■ DESIRED OUTCOME
The goals of treatment of pharyngitis are to improve clinical signs
and symptoms, minimize adverse drug reactions, prevent transmis-
sion to close contacts, and prevent acute rheumatic fever and
suppurative complications, such as peritonsillar abscess, cervical
lymphadenitis, and mastoiditis.59,60
■ GENERAL APPROACH TO TREATMENT
Antimicrobial therapy should be limited to those who have clinical
and epidemiologic features of group A streptococcal pharyngitis with
a positive laboratory test. Empiric therapy is not recommended.
The original Centor score applies to adults only. This modified version allows for age.
Data from McIsaac WJ, Kellner JD, Aufricht P, et al. JAMA 2004;291:1587–1595.
Antimicrobial overuse in those without disease and underuse in those
with disease is well documented.59,70
1787
TABLE 112-13 Dosing Guidelines for Pharyngitis
Drug
Penicillin VK
Penicillin benzathine
Penicillin G procaine and benzathine mixture
Adult Dosage
250 mg three or four times daily or 500 mg twice daily
1.2 million units intramuscularly
Not recommended in adolescents and adults
Pediatric Dosage
50 mg/kg/day divided in three doses
0.6 million units for weight 5%)
and is not widespread.75–81 There has been a report of an outbreak of
macrolide-resistant group A streptococcal pharyngitis in the United
States and increasing rates in New York City.80 Internationally, higher
rates have also been reported,81 and as usage of macrolides increases,
these rates will continue to rise. There is concern that if macrolide use
continues to increase, macrolide resistance rates also will increase.77,78
Consequently, use of newer macrolides as first-line therapy is discour-
aged in febrile patients with upper respiratory tract infections. Group A
Streptococcus resistance rates to tetracyclines and sulfonamides are high;
consequently, use of these agents is no longer recommended.59
The duration of therapy for group A streptococcal pharyngitis is 10
days to maximize bacterial eradication.59 Short-course therapy has been
advocated to help overcome compliance issues that lead to bacteriologic
failure.82 A 6-day course of amoxicillin shows promising results; in
addition, recent studies with newer broad-spectrum agents (e.g., azithro-
mycin, cefuroxime, cefprozil, cefdinir, cefixime, cefpodoxime, and
telithromycin) have demonstrated durations of 5 days to be effective.
CLINICAL CONTROVERSY
Although some clinicians propose short courses of treatment for
pharyngitis, confounding factors from these studies, such as lack
of strict entry criteria or differentiation between new or failed
infections, limit the widespread application of short antibiotic
courses at this time.59 As well, newer agents that have been studied
in this fashion are more expensive and may be more likely to lead
to resistance in light of their broad spectra of activity.61
TABLE 112-14 Antibiotics and Dosing for Recurrent Episodes
of Pharyngitis
trointestinal adverse effects. Second-generation cephalosporins, such
as cefuroxime and cefprozil, or third-generation cephalosporins, such
as cefpodoxime and cefdinir, which are-lactamase–stable, have been
advocated for clinical failures with penicillin. In cases of documented
macrolide resistance (owing to low-level macrolide resistance—
erythromycin MIC 1 to 8 mcg/mL—because of expression of the
mefA/E gene leading to efflux of macrolide out of the bacterial cell),
clindamycin is an alternative. The new ketolides, such as telithromy-
cin, may also have a role to play, especially in regions with a high
prevalence of macrolide-resistant strains. If patients are unable to take
oral medications, intramuscular benzathine penicillin can be given,
although it is painful and is no longer available in Canada.59 Amoxi-
cillin-clavulanate or clindamycin may be considered for recurrent
Drug
Clindamycin
Amoxicillin-clavulanate
Penicillin benzathine
Penicillin benzathine
with rifampin
Adult Dosage
600 mg orally divided in
two to four doses
500 mg twice daily
1.2 million units intramuscu-
larly for one dose
As above
Rifampin 20 mg/kg/day
orally in two divided doses
during last 4 days of treat-
ment with penicillin
Pediatric Dosage
20 mg /kg /day in three
divided doses (max:
1.8 g /day)
40 mg/kg/day in three
divided doses
0.6 million units for weight
Translation - Serbian
2008.godina
Infekcije gornjeg respiratirnog trakta
Ključne postavke
1. Većina nespecificnih infekcija gornjeg respiratornog trakta je virusne,a ne bakterijske etiologije I po pravilu ih organizam rešava spontano.
2. Svaki put kada primenimo antibiotike kod pacijenata sa infekcijom gornjeg respiratornog trakta, pacijenta izlazemo riziku da kod njega dodje do selekcije I kliconoštva rezistentnih sojeva mikroorganizama,koji lako mogu biti preneti drugim ljudima. Ovo može da dovede do neuspeha antibotske terapije u budućnosti.
3. Amoksicilin je lek izbora za akutni otitis media.Preporučuje se primena visokih doza amoksicilina(80 dfo 90 mg/kg/dan),pošto nije uvek moguće unapred znati da li kod pacijenta postoji povišen rizik za infekciju pneumokokom rezistentnim na penicillin.
4. Vakcinacije protiv Hemofilusa influence I Pneumokokamogu da smanje rrizik od akutnog otitisa media, naročito kod pacijenata sa rekurentnim epizodama otitisa.
5. Teško je razlikovati virusni od bakterijskog sinuzitisa zato što obe infekcije imaju sličnu kliničku sliku. Virusne infekcije se, međutim najčešće završavaju za 7 do 10 dana. Trajanje simptoma duže od 10 dana ili pogoršavanje istih ukazuje na verovatnu bakterijsku infekciju.
6. Amoksicilin je lek prvog izbora u lečenju bakterijskog sinuzitisa. Pošto ne postoji razlika u ishodu lečenja između različitih antibiotika,prednosti amoksicilina su dokazana efikasnost i bebednost primene, relativno uzak antibakterijski spektar što na minimum svodi verovatnoću nastanka rezistencije nalek, dobro podnošenje leka i niska cena.
7. Visusi su izazivači većine slučajeva akutnog faringitisa. Od svih slučajeva izazvanih bakterijama, grupa A beta-hemolitičkog Streptokoka(S.pyogenes) je najčešći izazivač i jedino je za ovaj bakterijski soj, od svih sojeva koji se učestalo javljaju, indikovana antimikrobna terapija.
8. Antimikrobna terapija faringitisa trebalo bi da bude rezervisana za one pacijente koji iskazuju kliničke i epidemiološke odlike faringitisa izazvanog grupom A hemolitičkog streoptokoka, sa pozitivnim laboratorijskim testom koji dokazuje prisusutvo ove bakterije. Penicilin je ovde lek izbora, dok se amoksicilin može koristiti kod dece zbog toga što je boljeg ukusa.
U infekcije gornjeg respiratornog trakta spadaju otitis media, sinuzitis, faringitis, laringitis(krup), rinitis i epiglotitis. Ove infekcije su odgovorne za većinu propisanih antibiotika u ambulantnoj praksi i uzrokuju značajne troškove. Na primer, 1998. godine procenjuje se da su troškovi lečenja otitis media u SAD iznosli 3 do 4 milijarde dolara, odnosno oko 600 miliona u Kanadi.
Većina nespecificnih infekcija gornjeg respiratornog trakta je virusne,a ne bakterijske etiologije I po pravilu ih organizam rešava spontano. Razvijene su strategije u cilju ograničavanja nepotrebne primene antibiotika, a sve u sklopu napora de se izborimo sa problemom porasta bakterijske rezistencije koja nastaje kao posledica neadekvatne upotrebe antibiotika. Ovo čje naročito važno u slučaju Streptococcus pneumoniae, vodećeg uzročnika meningitisa, pneumonije, otitis media i sinuzitisa.U Kanadi se u proseku svake godine prijavi 15 slučajeva smrti dece mlađe od 5 godina izazvanih S. Pneumoniae.
U ovom poglavlju smo se usredsredili pre svega na otitis media, sinuzitis i faringitis, zato što su ova infektivna stanja često bakterijske etiologije i odgovarajući atibiotski tretman može da svede morbiditet na najmanju moguću meru i da spreči moguće komplikacije.
OTITIS MEDIA
Otitis media je zapaljenje srednjeg uha. Dijagnostikovanje otitis media podrazumeva uočavanje simptoma kao što su otalgia(bol u uhu), groznica i iritabilnost, kao i eventualno prisustvo tečnosti u srednjem uhu. Kod otitis media sa efuzijom(izlivanjem tečnosti u srednje uho), uočava se tečnost u srednjem uhu, ali nema znakova i simptoma infekcije. Otitis media se najčešće javlja kod beba i male dece, tako da 75% ove populacije ima barem jednu eppizodu otitisa media do navršene prve godine života. Tabela 112-1 navodi faktore rizika za nastanak otitis media.U faktore rizika za nastanak otitis media izazvan rezistentnim patogenima spadaju: a)pohađanje jaslica i obdaništa b) nedavna izloženost antibioticima c)starost maja od 2 godine i d) česte epizode otitis media.
Patofiziologija
Akutni bakterijski otitis media obično dolazi nakon virusne infekcije gornjeg respiratornog trakta, koja dovodi do disfunkcije Eustahijeve tube i otoka sluznice srednjeg uha. Bakterije koje kolonizuu nazofaringealni prostor tako ulaze u srednje uho, a mukocilijarni sistem nije u stanju da ih ukoni na pravi način. Prisustvu izliva tečnosti bakterije bujaju i izazivaju infekciu. Deca su podložnija nastanku otitis media zato što je anatomija njihove Eustahijeve tube takva da je ona ktaća i više horizontalno postavljena nego kod odraslih, što olakšava prodor bakterija u srednje uho.
Mikrobiologija
S. pneumoniae je najčešći uzročnik bakterijskog otitis media, sa incidencom od 20% do 35%. Haemophilus influenzae i Moraxella catarrhalis izazivaju još oko 20-30% i 20%,tim redom. Ređe zastupljeni izazivači ovog staja su Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes i gram negativni bacili kao što je Pseudomonas aeruginosa . U 20-30% slučajeva otitis media nisu pronađene bakterije, dok je u gotovo 44% slučajeva dokazana virusna etiologija, sa ili bez konkomitantnih bakterija.
Tabela 112-1
Faktori rizika za otitis media
Zima/epidemije izazvane respiratornim sincicijalnim virusima i virusom gripa
Pohađanje jaslica ili obdaništa
Odsustvo dojenja kod beba
Pripadnost određenim etničkim grupama
Rano postavljena prva dijagnoza otitis media
Kolonizacija nazofaringeusa patogenima specifičnim za srednje uho
Genetska predispozicija
Zajednički život sa bratom ili sestrom približnih godina
Niži socioekonomski status
Izloženost duvanskom dimu
Korišćenje laže(cucle)
Muški pol
Imunodeficijencija
Sklonost alergijama
Pripadnost urbanoj populaciji
Bakterijska rezistencija
Baterijska rezistencija na antibiotike u akutnom otitisu media izaziva sve veću zabrinutost, naročito u smislu rasta učestalosti infekcija rezistentnim sojevima S. Pneumoniae. Podaci iz SAD (1999.-2000.) pokazuju da 8,3-34,2% svih izolata S. Pneumoniae nisu osetljivi na penicilin, a da je 12,2-21,5% izolata visoko rezistentno na penicilin i da ova rezistencija jako varira u zavisnosti od regije koja se ispituje. Međunarodni podaci prikupljeni na teritoriji Evrope, Latinske i Severne Amerike pokazuju neosetljivost na penicilin u stepenu od 28,6%,28,7% i 33% tim redom. Prisustvo visokog stepena rezistencije zabeležen je sa učestalošću od 14,7%,12,7% i 15,9% tim redom. Kanadski podaci prikupljeni iz izolata prikupljenih između 1997. i 2005. godine, pokazuju da je između 16,1 i 25,3% S.pneumoniae izolovanog iz pomenutih izolata nepodložno tj. otporno na penicilin. Visoki nivo penicilinske rezistencije se kreće između 2,3 i 9,7% za isti vremenski period, imajući nivo od 7,9% u 2006. godini. Rezistencija na makrolide i fluorohinolone takođe stabilno raste od 1997. do 2006. sa 7,5% na 17,2% i sa 0.6% na 7,3% tim redom. Rezistencija na više lekova u izolatima Streptococcus pneumoniae u SAD je prijavljena u stepenu od 12,2% do 22,4%. Rezistencija na veći broj antibiotika, ili multirezistencija se definiše kao konkomitantna rezistencija na najmanje 3 različite grupe ili klase antibiotika. Zbog toga rezistencija na antibiotike koji nisu beta-laktamske prirode, penicilinski preparati koji nisu penicilin, kao i cefalosporini, makrolidi(azitromicin i klaritromicin), klindamicin, trimetropim-sulfimetoksazol, tetraciklini i fluorohinoloni se takođe mora uzeti u obzir i razmatrati. U otitisu media, lečenje antibioticima koji nisu beta-laktamski se najčešće uzima u obzir kod pacijenata alergičnih na penicilin, odnosno kada dođe do neuspeha u lečenju kod pacijenata tretiranih penicilinskim antibioticima.
Rezistencija S.pneumoniae na amoksicilin sa klavulonskom kiselinom u Kanadi prijavljena je da se kreće između 0,3% i 1%, ide sve do 14% u SAD. Najkurentniji, odnosno najčešce propisivani antibiotici druge generacije su cefprozil i cefuroksim, a odmah za njima slede ceiksim i cefaklor, čija rezistencija se kreće između 6 i 12% u Kanadi i oko 25 do 30% u SAD. Približna stopa rezistencija za pojedinačne preparate je: za klaritromicin od 8% do 26%, za trimetropim-sulfimetoksazol od 16% do 30%, za doksiciklin 3% do 8% i levofloksacin 0,5% do 2,5%.
H. influenzae M. catarrhalis koje proizvode beta-laktamazu su izolovani u 23% do 35%, pa i do svih 100% inficiranih pacijenata. Virulenca ovih bakterija zavisi od geografskog regiona. Iako ovi mikroorganizmi često izazivaju infekcije koje će pre da se razreše spontano, bez lečenja, u odnosu na infekcije koje izaziova S. Pneumoniae, one ipak spadaju patogene koji se moraju uzeti u obzir i o kojima se mora razmišljati, naročito kada dođe do neuspeha u terapiji.
Tabela 112-2
Klinička prezentacija akutnog bakterijskog otitisa media
Opšti znaci Akutni ili nagli početak simptoma infekcije srednjeg uha koji slede nakon simptoma prehlade, curenja nosa, zapušenosti nosa ili kašlja
Znaci i simptomi Bol koji može biti izuzetno jak(više od 75% pacijenata ga doživi)
Deca mogu biti razdražljiva, mogu da povlače ušnu školjku uha koje je obolelo i imaju problema sa spavanjem
Groznica je prisutna u manje od 25% pacijenata i kada je prisutna češće se javlja kod mlađe dece.
Pregledom se uočava obezbojena(siva),zadebljala i ispupčena bubna opna
Pneumatska otoskopja ili timpanometrija prikazuje nepokretnu bubnu opnu; u 50% slučajeva nalaz je bilateralan.
Kada se javi ceđenje,odnosno dreniranje sadržaja iz srednjeg uha, a javlja se u manje od 3% slučajeva, obično otkriva bakterijsku etiologiju.
Laboratorijski testovi Bojenje po Grammu, bakterijske kulture i antiobiogram na razmaz dreniranog ilio aspiriranog tečnog sadržaja iz srednjeg uha, ako se uradi timpanocenteza
Kada se antibiotici primene u lečenju onfekcija gornjeg respiratornog trakta, primalac antibiotika je izložen pojačanom riziku za nastanak rezistencije i kliconoštva rezistentnih organizama koje može da prenese na druge. Ovo može da, u budućnosti, dovede do neuspeha antibiotske terapije. Međutim, bez primene antibiotske terapije, akutni otitis media, nastao zbog infekcije S. pneumoniae će se ređe i teže razrešiti spontano, nego kada je otitis media izazvan drugim izazivačima. S. pneumoniae je sve češće rezistentan na penicilin, a sojevi S. pneumoniae koji su rezistentni na penicilin su češće rezistentni na više vrsta antibiotika, odnosno imaju takozvanu višestruku ili multirezistenciju.
Klinička prezentacija i dijagnoza
Akutni otitis media se prezentuje naglim nastankom simptoma kao što su: groznica, bol u uhu, razdražljivost, povlačenje ušne školjke obolelo uha, koje prate znaci kao što su siva, ispupčena i nepomična bubna opna. Bakterijski otitis media često usledi nakon virusne infekcije gornjeg respiratornog trakta, tako da će dete vrlo često imati simptome kao što su curenje iz nosa, zapušenost nosa ili kašalj(tabela Tabela 112-2).
Simptomi koji nastaju kod akutnog otitisa media nestaće, tj. povući će se nakon nedelju dana. Bol i groznica obično nestanu nakon 2 do 3 dana, odnosno većina dece bude asimptomatsko nakon 7 dana trajanja bolesti. Toom perioda od 7 dana promene na samoj bubnoj opni nestanu i nalaz se normalizuje, atečnost koja se drenira ili se dobija aspiracijom iz srednjeg uha nakon timpanpocenteze postaje serozna. stadijum bolesti u kome se javlja nivo tečnosti iza bubne opne nazivamo otitis media sa efuzijom. Ovaj stadijum ne predstavlja dokaz postojeće i aktivne bakterijske infekcije i ne upućuje na potrebu da se u lečenju primene dodatni antibiotici. Otitis media sa efuzijom takođe može danastane i de novo, nevezano od bakterijske infekcije i smatra se da je posledica infekcije respiratornim virusima. Dijagnoze akutnog otitisa media i otitis media sa efuzijom je lako pomešati i potrebno je uložiti punu pažnju u razmatranje istorije bolesti, znakova i simptoma, kao i u tumačenje rezultata pneumatske otoskopije, odnosno timpanometrije. Otitis media sa efuzijom obično nastaje u proleće ili jesen, a ne u zimu i može biti posledica delovanja allergena ili virusa koji sučesti u ovim periodima godine. Takođe se od akutnog otitisa media razlikuje i po tome što nema bola i nema ispupčenja bubne opne. Efuzija ili izliv nestaje polako.
U toku 3 meseca 90% slučajeva pokazuje nestanak nivoa tečnosti u srednjem uhu. Mlađa deca i oni pacijenti čija istorija bolesti ukazuje na ponovljene infekcije srednjeg uha imaju odloženo povlačenje tečnosti iz srednjeg uha. Komnplikacije otitis media su retke, ali obuhvataju mastoiditis, bakteriemiju, meningitis i oštećenja sluha sa potencijalnim štetnim efektima na govor i učenje jezika.
LEČENJE
Akutni otitis media
Željeni ishod
Ciljevi terapije akutnog otitisa media su redukcija znakova i simptoma, iskorenjivanje infekcije i prevencija komplikacija. Izbegavanje nepotrebne primene i propisivanja antibiotika je još jedan od ciljeva, uzimajući u obzir rastući problem rezistencije S. pneumoniae na antibiotike.
Opšti principi lečenja
Lečenje akutnog otitisa media prate kontroverze. Npr. sistematski pregled studija u vezi lečenja akutnog otitisa media pokazao je da je davanje antimokrobne terapije dovelo do željenog ishoda i oslobađanja od simptoma uoko 95% pacijenata, dok je oko 80% pacijenata lečenih placebom pozitivno odreagovalo na taj način lečenja i dalo imalo iste rezultate lečenja. Uzevši u obzir razumnu pretpostavku da je dobar deo dece koja su učestvovala u ovim ispitivanjima bolovao od virusnih oblika otitisa media i nije imao značajne koristi od antibiotske terapije, primena antibiotika u lečenju otitisa media smatra se još uvek opravdanom samo u lečenju tačno dijagnostikovanog akutnog bakteriskog otitisa media.
Nefarmakološka terapija
Acetaminofen ili neki nesteroidni antiinflamatorni lek, kao što je ibuprofen, trebalo bi dati rano, na samom početku bolesti da bi pacijenta oslobodili bola i osećaja nelagode u svakom od slučajeva akutnog otitisa media, bez obzira da li se primenjuju antibiotici ili ne. Dekongestivi, antihistaminici, topikalni kortikosteroidi i ekspektoransi se nisu pokazali kao efikasani lekovi za lečenje akutnog otitisa media, a neželjena dejstva koja se povezuju sa ovim načinima lečenja mogu biti jako neprijatna. Hirurška implantacija timpanostomskih tuba ili cevčica(T tuba)smatra se efikasnom metodom za prevenciju rekurentnih epizoda otitisa media. Ove male cevi smeštaju se u donji deo bubne opne, pri čemu je pacijent pod opštom anestezijom i obezbeđuju aeracuju ili pristup vazduha srednjem uhu. Deca koja su imala ponovljene otitise i to više od 3 epizode u poslednih 6 meseci, ili 4 i više epizoda u prethodnih godinu dana, od kojih je jedna bila nedavno, su kandidati za implantaciju T tuba.
Farmakološka terapija
Odložena antimikrobna terapija
Teško je od početka identifikovati pacijente koji će imati najviše koristi od antibiotske terapije, ali može se reći da će deca sa virusnim otitis media ozdraviti bez primene antibiotika, dok će deci sa bakterijskim otitis media biti neophodno da se propišu antibiotici da bi postigli ozdravljenje. Oko 60% dece sa akutnim otitisom media ozdravi ili doživi povlačenje simptoma u prvih 24 sata bez obzira da li su lečeni ili ne. Primena antibiotika skraćuje trajanje simptoma(ukljujući bol i plač) za otprilike 1 dan. Odložena primena antibiotika smanjuje upotrebu antibiotika na oko 30% u odnosu na sadašnje cifrem smanjuje neželjena dejstva i smanjuje na najmanju moguću meru bakterijsku rezistenciju.
Pacijenti koji su kandidati za odloženu terapiju antibioticima su deca starosti između 6 meseci i dve godine, ako im simptomi nisu ozbiljni. Deca starosti od 6 mesci do 2 godine kojim su simptomi ozbiljni i deca malđa od 6 meseci trebalo bi da dobiju antibiotsku terapiju. Deca koja imaju oozbiljne i teške simptome, ona koja su nedavno primala antibiotike i ona sa drugim,pridruženim, patološkim stanjima nisu kandidati za odloženu terpiju antibioticima, zato što kod ovih pacijenata postoji povećan rizik za nastanak invazivnog oblikabolesti, odnosno komplikacija bolesti, kao i povećan rizik za nastanak rezistentnih bakterijskih sojeva i infekcije tim sojevima. Ako se pokušava sa odloženom terapijom antibioticima preporučuje se da se obavezno primeni odgovarajuća terapija bola, kao što je oralna primena ibuprofena ili acetaminofena. Takođe je veoma važno da roditelji deteta koje je obolelo budu obavešteni i svesni toga koji su simptomi i znaci pogoršanja bolesti i da im u tom slučaju konsultacija sa lekarom u tom slučaju bude dostupna. Ako do nikakvog poboljšanja ne dođe za 48 do 72 sata trebalo bi otpočeti sa primenom antibiotika. U dece starosti od 6 meseci do 2 godine neki kliničari preporučuju reevaluaciju, odnosno ponovni pregled nakon 24 sata.
Neki od razloga za propisivanje antibiotika odmah na početku biolesti kod akutnog otitisa media su brzo povlačenje simptoma i prevencija komplikacija kao što su mastoiditis i meningitis. Učestalost javljanja mastoiditisa u Holadiji, Norveškoj i Danskoj, zemljama koje koriste odloženu primenu antibiotika i sa druge strane Kanadi, SAD, Australiji i UK u kojima se odmah na početku bolesti kod otitisa media primenjuju antibiotici, je slična, s tim što u prvonavedenim zemljama ima manje zabeleženih neželjenih dejstava koja su posledica primene antibiotika(1600 na 100.000 dece sa povišenom temperaturom je manje sa zabeleženim neželjenim dejstvima zbog upotrebe antibiotika). Uzimajući u obzir koliki je interes da se spreči preterano propisivanje lekova i na najmanju moguću meru lsvede bakterijska rezistencija, zemlje Severne Amerike sada preporučuju ovaj „čekaj-i-vidi” pristup u lečenju kao alternativu propisivanju antibiotika na samom početku bolesti.
Antimikrobna terapija
Akutni otitis media moramo razlikovati od otitis media sa efuzijom(izlivom). Davanja antibiotika je indikovano samo u akutnom otitis media, sem u slučajevima kada izliv u srednjem uhu ostaje prisutan duže od 3 meseca u otitis media sa efuzijom. Izliv u srednjem uhu u epizodama akutnog otitis media se često javlja i nakon što je terapija završena, ali ne zahteva ponovno lečenje i davanje novog antibiotika.
Studije su pokazale da nijedan antibiotik nije superiora u odnosu na ostale u lečenju akutnog, nekomplikovanog otitisa media.
Amoksicilin je lek izbora za lečenje akutnog otitis media. Davanje visokih dozaamoksicilina(80-90mg/kg/dan)se preporučuje s obzirom da nije uvek jasno da li kod pacijenta postoji rizik od infekcije penicilin rezistentnim sojevima pneumokoka. Amoksicilin ima bolji farmakodinamički pofil protiv sojeva pneumokoka rezistentnih na antibiotike od svih ostalih antibiotskih lekova. Uz to amoksicilin j eproveren kao bezbedan lek dugi niz godina unazad, ima uzak spektar delovanja i nije skup. Više koncentracije amoksicilina koje se postižu u tečnosti (izlivu) u srednjem uhu do kojih se dolazi davanjem visokih doza amoksicilina, prevazilaze i savadavaju većinu soje va Streptococcusa rezistentnih na antibiotike. Njegova izuzetna efikasnost protiv S.pneumoniae ima veći značaj od pitanja borbe protiv sveprisutnih H.influenzae i M.catarrhalis koje proizvode beta-laktamazu, a protiv kojih amoksicilin možda i da ne bude efikasan. Ovo je iz razloga što H.influenzae i M.catarrhalis kada izazovu infekciju srednjeg uha, mnogo češće nego S.pneumoniae dovedu do infekcije koja spontano razreši i povuče bez terapije. Kod pacijenata sa umerenim do teškim oblikom boleti(teška otalgija i temperatura iznad 39 stepe Celzijusa) preporučuje se primena amoksicilina sa klavulinskom kiselinom. Tabela 112-3 navodi terapijske preporuke za lečenje akutnog otititsa media. Ako se terapija amoksicilinom pokaže kao neuspešna, trebalo bi odabrati antibiotik koji deluje protiv H.influenzae i M.catarrhalis, koji proizvode beta-laktamazu, kao i protiv sojeva S.pneumoniae rezistentnih na antibiotike. Preporučuju se visoke doze amoksicilina sa klavulonskom kiselinom. Alternativni antibiotici za ovaj vid terapije bili bi cefuroksim, cefdinir, cefpodoksim, cefprozil i intramuskularni ceftriakson. Druga generacija cefalosporina, iako otporna na beta-laktamazu, je skupa, češće se javljaju neželjena dejstva i primena ovih lekova može da ubrza selekciju rezistentnih sojeva bakterija. Šta više, većina antibiotika ne postiže adekvatnu koncentraciju u tečnosti u srednjem uhu, dovoljnu da bi se delovalo na S.Pneumoniae rezistentan na antibiotike u željenom vremenskom periodu tokom doznog intervala. Upotreba trimetroprim-sulfimetoksazola i eritromicin-sulfisoksazola se ne preoporučuje zbog visoke rezistencije bakterija na ove antibiotike.
Tabela 112-3 Preporuke za lečenje Akutnog otitisa media
Prva linija antibiotika Pacijenti alergični na penicilin Neuspeh terapije
Amoksicilin u visokim dozama 80-90mg/kg/dan podeljen u 2 doze Penicilinska alergija koja nije prvog tipa(ne postoji ukrštena reakcija sa cefalosporinima)-daju se cefalosporini
Cefdinir 14mg/kg/dan odjednom ili u podeljeno u dve jednake doze
Cefpodoksim 10mg/kg/dan odjednom
Cefuroksim 30mg/kg/dan podeljeno u dve doze
Cefprozil 30mg/kg/dan podeljeno u dve doze
Amoksicilin sa klavulonskom kiselinom
Penicilinska alergija tipa jedan(postoji ukrštena reakcija sa cefalosporinima)
Azitromicin 10mg/kg/dan prvog dana , aonda 5mg/kg/dan 2-5 dana
Klaritromicin 15mg/kg/dan podeljen u dve doze Ceftriakson 50mg/kg/dan IM/IV tokom tri dana
Kod teških simptoma (teška otalgija i temperatura iznad 39 stepe Celzijusa) daje se odmah amoksicilin sa klavulonskom kiselinom Alternativni lekovi kod neuspelog lečenja su
Klindamicin 30-40mg/kg/dan podeljeno u 3 doze
Timpanocenteza(hirurško lečenje)
Kada se intramuskularno primen ceftriakson on jedini postigne koncentraciju u tečnosti u srednjem uhu iznad donje granice željene terapijske koncentracije duže od 40 % trajanja doznog intervala. Iako su zabeležene terapije i izlečenje nakon jedne doze ceftriaksona, primena terapije jednom dozom ceftriaksona dnevno u trajanju od tri dana je preporučena terapija za postizanje optimalnih kliničkih rezultata. Ceftriakson bi trebalo davati kod teških inifekcija koje ne reaguju na terapiju ilči kod pacijenata kod kojih se ne mogu primeniti oralni lekovi zbog povraćanja, dijareje ili odbijanja terapije. Ceftriakson je skup antimikrobni lek i sama intramuskularna injekcija kod pacijenta izaziva bol. Ceftriakson se može davati i IV, ali se mora pritom uzeti u obzir i odnos rizika i koristi od otvaranja venske linije. Timpanocenterzu bi takođe trebalo uzeti u obzir kao moguću terapiju u lečenju pacijenata kod kojih antibiotska terapiaj nije dala željene rezultate, ili kod kojih perzistira ili se često ponavljaju epizode akutnog otitisa media. Terapeutski efekat ove intervencije je da oslobađa pacijenta bola i pritiska u srednjem uhu i može biti primenjen da se prikupi tečnost ili drugi sadržaj iz srednjeg uha u kome će biti identifikovan izazivač bolesti. Ovaj se postupak, eđutim, ne primenjuje često u lečenju akutnog otitisa media u Kanadi. Ovde bi trebalo razmotriti i upotrebu Klindamicina u lečenju pacijenata kod kojih je dokumentovano postojanje rezistentnioh sojeva S.pneumoniae. Pacijenti koji imaju alergiju na penicilin mogu biti lečeni uz pomoć više različitih antibiotika. Ako alergijska reakcija nije tipa I i ne postoji ukrštena reakcija sa cefalosporinima mogu se koristiti Cefdinir, Cefpodoksim i Cefuroksim. Ako je reakcija tipa II i postoji ukrštena reakcija sa cefalosporinima mogu se koristiti makrolidi ako što su azitromicin i klaritromicin. Ako je zabeleženo i dokazano prisustvo S.pneumoniae lek izbora je u tom slučaju alternativna terapija. Međutim incidencija rezistencije je mnogo viša za ove antibiotike i od navedenih antibiotika Cventar za kontrolu i prevenciju bolesti(CDC) i Američka akademija za pedijatrijske smernice preporučuju samo klindamicin. U tabeli 112-4 navedeni su principi i smernice za lečenje otitisa media zasnovani na dokazima.
Kratkotrajne terapije
Meta-analiza(ukrštena analiza) 32 istraživanja, koja su se bavila antibiotskom terapijom kod dece, pokazala je da ne postoji razlika u efektima i procentu izlečenih nakon kratke terapije(kraća od 7 dana) i nakon duže terapije (koja uobičajeno traje duže od 7 dana). Prednosti kratkotrajne terapije su da će pacijent verovatno ispoštovati terapiju do kraja kaoko je i preporučeno(komplijansa), sanjenje učestalosti neželjenih dejstava lekova i troškova terapije, kao i samnjenje bakterijske selekcije u nastanku sojeva rezistentnih na antibiotike, kako kod pojedinca, tako i u zajednici. Međutim ovi podaci imaju svoja ograničenja u koja spadaju neodgovarajuća veličina ispitivanog uzorka, odsustvo upotrebe standardnog dijagnostičkog kriterijuma i primena subterapijskih doza. Lečenje dece mlađe od 2 godine kratkotrajnim terapijama se ne preporučuje. Terapije u trajanju od 5 do 7 dana se mogu koristiti kod dece starostri 10 godina i više u slučajevima blagog ili umerenog otitisa media.
Tabela 112-4 Principi terapije akutnog otitisa media zasnovani na dokazima
Preporuke Rejting preporuke
Ispravno dijagnostikovani akutni otitis media trebalo bi lečiti antibioticima AI
Odložena terapija(opservacija)može biti jedna od opcija u lečenju, kod lakših i umereno teškioh slučajeva. BI
Antibiotska rezistencija je nešto što treba uzeti u obzir pre izbora antibiotika za lečenje. AII-1
Primena visokih doza amoksicilina(80-90mg/kg/dan)predstavlja prvu liniju antibiotika u lečenju nekomplikovanih infekcija AI-II-2
Kratkotrajna terapija antibioticima može biti razmatrana u nekim slučajevima AI
Kod dece starije od 2 godine, u slučaju rekurentnih otitis media ili kod otitis media sa perforiranom bubnom opnom preporučuje se terapija u trajanju od 10 dana. AI-AIII
Ako su epizode akutnog otitsa media učestale treba preporučiti preventivne mere kao što su pranje ruku, ograničavanje pristupa obdaništ, izbacivanje iz upotrebe „laža“ i uklanjanje deteta od izvora duvanskog dima. BII-III
Vakcinisanje protiv gripa preporučuje se kod dece koja imaju hronični otitis media. AII
Pneumokokna konjugovana vakcina se preporučuje kod dece starosti od 2 meseca do 2 godine, kao i kod starije dece kod koje postoji visok rizik od komplikacija tokomotitisa media zbog postojanja pridruženih patoloških stanja. AI
Snaga dokaza: A validni dokazi, B prihvatljivi dokazi, C ambivalentni dokazi, D dokazi protiv tvrdnje, I nema dovoljno dokaza
Utemeljenost dokaza: I randomizirane kontrolisane studije, II-1kontrolisane studije koje nisu randomizirane, II-2 studije kohorte ili studije slučaja, II-3 dramatičnio rezultati proizašli iz neko0ntrolisanih istraživanja, III mišljenje eksper(a)ta
Klinička kontroverza
Neke kliničke smernice sugerišu da kod dece starosti od 2 do 5 godina ne bi trebalo primenjivati kratkotrajnu terapiju antibioticima za akutni otitis media. Druge preporuke kažu da ima dovoljno dokaza da se odobri ovakva terapija, osim u slučajevima rekuretnog otitisa media ili otitisa media koji prati perforacija bubne opne.
Evaluacija ishoda terapije
Neuspehom terapije se smatra odustvo kliničkog poboljšanja nakon 3 dana u smislu poboljšanja znakova i simptoma infekcije u koje spadaju bol, groznica i crvenilo, odnosno ispupčenost bubne opne. Ponovni pregled bubne opne u kratkom vermenskom intervalu kod pacijenta kod koga dolčazi do poboljšanja opšteg stanja i povlačenja znakova bolesti može da zavede lekara, zato što vrlo često izli u srednjem uhu perzistira i pored kliničkih znakova poboljšanja. Pregled bubne opne u kratkim vremenskim razmacima ima smisla kod gubitka sluha koji je posledica perzistentne ili stalne efuzije koja je posledica i nadovezuje se na infekciju srednjeg uha. Rekurentni otitis media se definiše kao najmanje tri epizode za 6 mesec, ili najmanje 4 epizode za 12 meseci. Rekurentne infekcije bi trebalo da nas zabrinu zato što su pacijenti mlađi od 3 godine izloženi visokom riziku za gubitak sluha i govora, a takođe i da razviju teškoće u učenju. Podaci dobijeni iz studija najčešće ne preporučuju antibiotsku profilaksu. Meta analze su pokazale da profilaksa antibioticima sprečava nastanak jedne infekcije za godinu dana, nakon što je dete lečeno 9 meseci. Takođe nas zabrinjava i nastanak trezistencije bakterija na antibiotike. Primenu antibitske profilakse mogli bismo da odlažemo sve do nastanka simptoma od strane gornjeg respiratornog trakta koji ukazuju na virusnu infekciju, ili bi antibiotsku profilaksu trebalo ograničiti na 6 meseci, koliko traje zima. Postavljenje T tuba, uklanjanje adenoida i tonzilektomija mogu biti od značaja i doneti korist u lečenju dece sa ponovljenim neuspesima u terapiji akutnog otitisa media.
Vakcinacija
Vakcinacija protiv gripa i pneumokoka može da smanji rizik od nastanka akutnog otitisa media, naročito kod pojedinaca koji imaju rekurentne epizode. Imunizacija sa vakcinom protiv gripa daje i do 36% smanjenje učestalosti incidence akutnog otitisa media. Drugi autori su dokazali u svojim studiajma korist od vakcinacije ovom vakcinom tokom trajanja sezone gripa. Vakcinu protiv gripa možemo dati bilo kojoj zdravoj osobi kod koje ne postoje kontraindikacije za vakcinaciju, naročito kod osoba kod kojih postoje pridružena hronična stanja, akoja su stara najmanje 6meseci.
Konjugovana pneumokokna vakcina, indikovana za primenu kod dece obezbeđuje samnjenje učestalosti akutnog otitisa media za 6% i potrebe za ugradnjom T tuba za 20%. Takođe, pokazalo se da vakcinacija za 8% smanjuje učestalost poseta lekaru i da za 10 do 26% sman juje učestalost nastanka otitisa media kod dece koja su doživljavala 3-10 epizoda ove infekcije u toku godinu dana. Konjugovana pneumokokna vakcina se preporučuje svoj deci starosti od 2 do 23 meseca; takođe se preporučuje svoj deci starosti između 24 i 59 meseci kod kojih postojivisoki rizik od nastanka invazivnog oblika bolesti. Prethodno nevakcinisana deca starija od godinu dana, koja pate od rekurentnih otitisa media nemaju nikakve koristi od naknadne vakcinacije konjugovanom pneumokoknom vakcinom.
SINUZITIS
Sinuzitis je zapaljenje i/ili infekcija muloze paranazalnih sinusa. Termin rinosinuzitis koriste neki specijalisti zato što sinuzitis najčešće obuhvata i nosnu mukozu. Iako je velika većina ovih infekcija virusnog porekla, antibiotici se često propisuju za ovu indikaciju. Zbog toga je važno napraviti razliku između bakterijskog i virusnog sinuzitisa, radi donošenja optimalnih terapijskih odluka. Razlikovati virusni od bakterijskog sinuzitisa je jako teško,zato što se klinički prezentuju jako slično. Virusne infekcije, međutim, imaju tendenciju da se razreše za 7 do 10 dana. Trajanje simptoma nakon ovog perioda ili pogoršanje simptoma najverovatnije ukazuje na bakterijsku prirodu infekcije. Akutni bakterijski sinuzitis traje do 30 dana nakon čega dolazi do potpunog nestanka(povlačenja)simptoma, dok je hronični sinuzitis definisan kao epizode zapaljanja koje traju duže od 3 meseca sa perzistirajućim respiratornim simptomima. Bakterijski sinuzitis je previše često dijagnostikovan od strane porodičnih lekara i sa tim u vezi antibiotici se previše često propisuju za ovu indikaciju. U poređenju sa zlatnim standardom, a to bi bila sinusna aspiracija, gde se u aspiratu dokazuje više od 100.000 mikroorganizama po mililitru, nijedan klinički nalaz ne daje dovolčjno informacija za postavljanje puzdabe dijagnoze ovog oboljenja. Tabela 112-5 prikazuje znake i simptome koji naajpre ukazuju nato da bi mogla da se postavi dijagnoza bakterijskog sinuzitisa. Između 5 i 13% virusnih infekcija gornjeg respiratornog trakta u dece se komplikuje nastankom bakterijskog sinuzitisa, dok je kod odraslih taj procenat dramatično manji(između 0,5 i 2%).Drugi fakltori koji se povezuju sa bolešću sinusa obuhvataju alergijsko zapaljenje, sistemsku bolest,traumu, izlaganje toksinima ili anatomske abnormalnosti. Komplikacije obuhvataju osteitis, orbitalni celulitis, meningitis i absces mozga, ali su jako retke.
Patofiziologija
Slično akutnom otitisu media i bakterijski sinuzitis nastupa nakon virusne infekcije gornjeg dela respiratornog trakta, koja izazove zapaljenje mukoze. Ovo onda može da dovede do opstrukcije sinusnih ostia-puteva drenaže sinusa. Mukozni sekret zatim ostane zarobljen u sinusu, lokalne odbrambene reakcije mukoze su inhibirane i bakterije sa površina bliskih sinusima počnu da se razmnožavaju i naseljavaju sinus. Patogeneza hroničnog sinuzitisa nije proučena na najbolji mogući način. Bilo da su uzrok otporniji patogeni ili postojanje diskretnih nedostataka u imunom odgovoru domaćina, neki pacijenti razviju hronične simptome nakon akutne infekcije.
Mikrobiologija
Virusi su odgovorni za većinu slučajeva akutnog sinuzitisa. Međutim kada simptomi sinuzitisa traju 7 dana ili duže ili kada su teški, moguće je da su bakterije bile u osnovi oboljenja ili da su se nadovezale na virusnu i izazvale sekundarnu bakterijsku infekciju. Akutnio sinuzitis bakterijskog porekla, najčešće je izazvan istim onim sojevima bakterija koje su uključene u nastanak akutnog otitisa media-S.pneumoniae i H.influenzae. Ove bakterije su odgovorne za oko 70% akutnih sinuzitisa izazvanih bakterijama, kako kod odraslih tako i kod dece. M.catarrhalis se takođe često sreće kao izazivač akutnih sinuzitisa u dece(u oko 25% slučajeva). S.aureus, S.pyogenes, gljivice i anaerobi su ređi uzročnici akutnog sinuzitisa. Problemi i pitanja bakterijske rezistencije na antibiotike slični su akod akutnog sinuzitisa kao kod akutnog otitisa media i izloženi su i razmotreni u daljem tekstu.
Tabela 112-5 Klinička prezentacija i dijagnoza bakterijskog sinuzitisa
Opšti simptomi Nespecifična infekcija gornjrg respiratornog trakta koja traje duže od 7 do 14 dana
Znaci i simptomi Akutni
Kod odraslih
Curenje iz nosa i zapušenost nosa
Zubobolja u maksili, bol u licu ili sinusu koji može da iradira, naročito u jednu stranu, kao i pogoršanje simptoma nakon početnog poboljšanja
Teški i dugotrajni simptomi(diže od 7 dana)najčešće su posledica bakterijske infekcije i trebalo bi ih lečiti antibioticima
Kod dece
Curenje iz nosa i kašalj u trajanju dižem od 10 do 14 dana ili teški znaci i simptomi, kao što su temperatura iznad 39 stepeni Celzijusovih ili oticanje jedne strane lica ili biol su indikacija za antimikrobnu terapiju
Hronični
Simptomi su slični akutnom sinuzitisu,ali su manje specifični
Curenje iz nosa se povezuje sa akutnim pogoršanjima hroničnog sinuzitisa
Hronični neproduktivni kašalj, lariongitis i glavobolja mogu takođe da se jave.
Hronične/rekurentne infekcije javljaju se 3 do 5 puta godišnje i ne reaguju na inhalacije parom i dekongestivnu terapiju.
Lečenje
Sinuzitis
Željeni ishod terapije
Ciljevi terapije akutnog sinuzitisa su redukcija znakova io simptoma, postizanje i održavanje prohodnosti ostija sinusa, ograničavanje antimikrobnog lečenja na one koji će od takvog lečenja imati koristi, eradikacija bakterijske infecije upotrebom odgovarajućih antibiotika, skraćenje trajanja bolesti, prevencija komplikacija i progresije iz stanja akutnog sinuzitisa u hroničnu bolest.
Opšti pristup terapiji
Oko 65% pacijenata sa kutnim sinuzitisom oporaviće se ili ozdraviti spontano(ovo su najverovatnije pacijenti sa virusnim sinuzitisom). Kada se jednom donese odluka da se u lečenju koriste antibiotici , izbor antibiotika mora biti efikasan i bezbedan ,a takođe se mora uzeti u obzir cena terapije. Tabele 112-6 i 112-7 prikazuju principe postavljanja dijagnoze akutnog bakterijskog sinuzitisa kod dece i dodraslih zasnovane na dokazima.
Klinička kontroverza
Da li je antibiotska terapija neophodna u lečenju bakterijskog sinuzitisa? Zato što većina istraživanja nije koristila aspiraciju iz sinusa kao dijagnostičko sredstvo za bakteriski sinuzitis, najverovatnije su pacijenti sa virusnim sinuzitisom umanjili važnost rezultata(„razblažili su ispitivani uzorak“)upotrebe antimikrobne terapije kod ove indikacije. Preporučuje se da se pacijentima sa blagim akutnim sinuzitisom daju dekongestivi i da ih lekar ohrabruje da će ozdraviti i da će sve biti u redu, dok kod onih kod kojih postoji umereni oblik bolesti i kod kojih bolest traje 7 dana ili duže, ili pak kod onih koji pate od teškog oblika bolesti treba dati antibiotsku terapiju.
Farmakološka terapija
Podaci o primeni suportivne terapije su jako ograničeni, ali takva terapija može da ublaži ili umanji simptome pacijenata.
Tabela 112-6 Principi postavljanja dijagnoze akutnog bakterijskog sinuzitisa u dece zasnovani na dokazima
Preporuke Rejting preporuke
Dijagnoza akutnog bakterijskog sinuzitisa se zasniva na kliničkim kriterijumima za decu koja imaju simptome od strane gornjeg respiratornog trakta, koji su ili teškog stepena ili dugotrajni. Snažni-ograničeni naučni dokazi
RTG, skener ili MR glave nisu neophodni da se postavi klinička dijagnoza sinuzitisa kod dece do 6 godina Snažni-ograničeni naučni dokazi
Antibiotici se preporučuju kao način lečenja akutnog bakterijskog sinuzitisa da bi se postiglo brže izlečenje. Snažni-validni dokazi
Ne postoje preporuke za primenu adjuvantne terapije ili za primenu antibiotske profilakse. Kontroverzni podaci i ograničeni dokazi
Tabela 112-7 Principi postavljanja dijagnoze akutnog bakterijskog sinuzitisa u odraslih
Preporuke Rejting preporuke
Većina slučajeva akutnih rinosinuzitisa dijagnostikovanih u ambulantnoj praksi uzrokovani su nekomplikovanim virusnim infekcijama gornjih delova respiratornog trakta A(randomizirane kontrolisane studije sa malo ili nimalo heterogenosti)
Klinički je jako teško razlikovati bakterijski od virusnog rinosinuzitisa. B(randomizirane kontrolisane studije sa nešto heterogenosti ili dobro dizajnirane studije kohorte)
Sinusna radiografija se ne preporučuje kao dijagnostičko sredstvo u rutinskim slučajevima. B
Akutni rinosinuzitis biva izlečen bez upotrebe antibiotika u većini slučajeva. A
Nosni dekongestivni sprejevi koji smanjiju inflamaciju putem vazokonstrikcije, kao što su fenilefrin i oksimetazolin se često koriste kod sinuzitisa. Upotrebu treba vremenski ograničiti na period preporučen od strane proizvođača za svaki proizvod, da bi se sprečio rebound ili jo-jo efekat. Oralni dekongestivi takođe mogu da pomognu u uspostavljanju prohodnosti nosa i sinusa. Ispitanje nazalne šupljine fiziološkim rastvorim i inhaliranje parom takođe mogu da pomognu da se poveća vlažnost sluzokože, a mukolitici mogu da se koriste u cilju smanjivanja viskoziteta nazalne sekrecije.
Antihistaminike ne bi trebalo primenjiivati u slučaju akutnog bakteriskog sinuzitisa zbog toga što poseduju antiholinergički efekat što može da dovede do suvoće sluznice i da dovede do zgušnjavanja i zamućivanja mukoznog sekreta. Antihistaminici druge generacije mogu iomati svoje mesto u terapiji hroničnog sinuzitisa kada postoji alergijuska komponenta bolesti. Intranazalno primenjeni kortikosteroidi mogu da smanje inflamaciju koja izaziva glavobolju, zapušenost nosa i bol u licu; međutim malo je podataka o primeni glukokortikoida kod akutnog sinuzitisa.
Antimikrobna terapija
Dve meta-analize su pokazale da je antimikrobna terapija bolja od placeba u ublažavanju ili eliminisanju simptoma akutnog sinuzitisa, sa smanjenjem učestalosti neuspešnog lečenja za 25 do 30% prijavljenih pacijenata. Rezultati individualnih randomiziranih kontrolisanih studija su kontradiktorni i njihovo tumačenje nam ograničavaju greške u metodologiji istraživanja. Od dve randomizirane, kontrolisane duplo slepe studije koje su nam bile dostupne, jedna je pokazala da amoksicilin nema nikakvu prednost u lečenju sinuzitisa u odnosu na placebo, dok je druga pokazala da su amoksicilin, odnosno penicilin efikasniji od placeba. Iako nijedna od navedenih studija nisu koristile aspiraciju iz sinusa za postavljanje dijagnoze akutnog bakterijskog sinuzitisa, studija koja je pokazala da antimikrobna terapija nema nikakve koristi za pacijenta je koristila radiografske metode da dokazivanje i dijagnozu sinuzitisa, atrajanje bolesti nije uzimano u obzir i nije bilo navedeno. Zbog toga se može reći da je kod jednog broja pacijenata postojala virusna infekcija kao osnova akutnog sinuzitisa, što je dovelo do toga da se rezultati i korist od antimikrobne terapije omalovaži i umanji. Druga studija je dokazala efikasnost penicilina i amoksicilina kod pacijenata kod kojih je bolest trajala najmanje 7 dana i dokazivali su sinuzitis uz pomoć CT-a. CT se smatra specifičnijim dijagnostičkim sredstvom od radiografije. Obzirom da su korišćena bolja dijagnostička sredstva i primenjeni rigorozniji kriterijumi inkluzije kandidata za ispitivanje, veći broj pacijenata sa bakterijskim sinuzitisom je zapravi bio uključen u ovo istraživanje.
Jedna meta-analiza, poredeći delovanje različitih antibiotika, je pokazala da među njima nije bilo prisutne razlike u izmerenom stepenu izlečenja, kliničkog poboljšanja i procenata relapsa bolesti. Drugi izveštaji ukazuju da amoksicilin sa klavulinskom kiselinom bio 41% efikasniji u smanjenju broja neuspešnih terapija nego cefalosporini kada se primene u periodu od 10 do 25 dana , međutim nakon 45. dana ova razlika u korist amoksicilina sa klavulinskom kiselinom u odnosu na cefalosporine je nestajala. Nije primećena nikakva značajna razlika kada su poređene druge grupe antibiotika, ali postoji nedostatak studija koje bi eventualno poredile stare i jeftinije antibiotike sa novim i skupljim antibioticima.
Amoksicilin spada u terapiju prvog reda za akutni bakterijski sinuzitis. Zato što nema značajne razlike u kliničkom ishodu koje nude različite terapije antibioticima, prednosti amoksicilina su dokazana terapijska efikasnost i bezbednost, relativno uski antibakterijski spektar koji na najmanju moguću meru svodi nastnak rezistencije na antibiotike, dobra podnošljivost io niska cena.
Tabela 112-8 Pristup lečenju akutnog bakterijskog sinuzitisa
Nekomplikovani sinuzitis Amoksicilin
Nekomplikovani sinuzitis kod pacijenata alergičnih na penicilin Kada nije tip I(ne postoji ukrštena reakcija na cefalosporine)cefalosporini rezistentni na beta-laktamazu
Kod tipa I preosetljivosti na penicilin(postoji ukrštena reakcija sa cefalosporinima):klaritromocin ili azitromicin ili trimetoprim-sulfimetoksazol ili doksiciklin ili repiratorni fluorohinoloni
Neuspeh terapije ili primanje antibiotske terapije u prethodnioh 4 do 6 nedelja Visoke doze amoksicilina sa klavulinskom kiselinom ili cefalosporin otporan na beta-laktamazu
Drugi izbor bi bili respiratorni fluorohinoloni
Kada postoji visoka sumnja da je izazivač S.pneumoniae rezistentan na penicilin Visoke doze amoksicilina ili klindamicina
Drugi izbor bi bili respiratorni fluorohinoloni
Odnos cene i efikasnosti amoksicilina je takav da je indikovan u stanjioma akutnog nekomplikovanog sinuzitisa i početna upotreba novijih antibiotika sa širim spektrom dejstva nije opravdana. Kod pacijenta alergičnog na penicilin indikovana je primena trimetoprim-sulfimetoksazola, doksiciklina ili klaritromicina. Postoji međutim rastuća briga zbog toga što je sve više izražena rastuća rezistencija na trimetoprim-sulfimetoksazol, na makrolide, kao i na to što se javlja neuspeh u lečenju ovim antibioticima u visokom procentu. Kod odraslih alergičnih na penicilin, alternativa penicilinskoj terapiji je primena respiratornih hinolona kao što su levofloksacin i gatifloksacin. Upotrebu fluorohinolona bi takođe trebalo ograničiti, ako je to ikako moguće, na pacijente koji su nedavno primali antibiotsku terapiju, one koji imaju težak oblik bolesti i na one kod kojih je izazivač bolesti S.pneumoniae rezistentan na antibiotike. Uz to gatifloksascin više ne bi trebalo uopšte koristiti zato što postoje dobro dokumentovani slučajevi hipo- i hiperglikemije koje izaziva primena ovog leka. Ako penicilinska alergioja nije istinska IgE posredovana reakcija preosetljivosti(„urtikarija“ ili „anafilaksa“ kako se naziva u medicinskom žargonu)trebalo bi na početku preporučiti lekove iz druge generacije cefalosporina(cefprozil, cefuroksim i cefpodoksim). Ako postoji izražena sumnja da je izazivač bolesti S.pneumoniae rezistentan na antibiotike(dete koje ide u obdanište, nedavna upotreba antibiotika, starost manja od 2 godine)trebalo bi koristiti visoke doze amoksicilina. Neki preporučuju kliondamicin,ali je važno napomenuti da ovaj lek ne deluje protiv H.influenzae i M.catharralis.
U slučaju pacijenata kod kojih je došlo do neuspeha u lečenju amoksicilinom(kod onih kod kojih nije bilo promene simptoma na bolje u prva 72 sata) i kod pacijenata koji su primali antibiotsku terapiju prethodnih 4 do 6 nedelja, trebalo bi uzeti u razmatranje postojeća ograničenja u daljem izboru antibiotika. Bolja pokrivenost pacijenata ntibiotikom koja se odnosi na H.influenzae i M.catharralis postiže se ili visokim dozama amoksicilina sa klavulinskom kiselinom ili cefalosporinom otpornim na beta-laktamazu koji terapijski pokriva S.pneumoniae(cefprozil, cefuroksim ili cefpodoksim). U druge alternative spadaju cefdinir, azitromicin, klaritromicin i trimetoprim-sulfametoksazol. Kliničke stope izlečenju su slične za sve ove antibiotike. Iako bi i lokalnu rezistenciju, tj. rezistenciju bakteriju na lokalnom području trebalo uzeti u obzir, kao i povećanu učestalost rezistencije S.pneumoniae, H.influenzae i M.catharralis na trimetoprim-sulfametoksazol i rezistenciju S.pneumoniae na makrolide. Takođe su preporučivani respiratorni fluorohinoloni, ceftriakson i telitromicin. U preporukama otorinolaringolozima za terapiju i kliničkim protokolima preporučuje se kombinovaa terapija u slučaju neuspešnog lečenja. Primeri kombinovane terapije obuhvataju visoke doze amoksicilina ili klindamicina sa cefiksimom i rifampicinom. Međutim ne postoje klinički dokazi za bezbednost i efikasnost ovih kombinacija do sada.
Trajanje terapije za sinuzitis nije do kraja ustanovljeno. Većina studija je ispitivala efikasnost primene antibiotika u trajanju od 10 do 14 dana, iako su neke studije ispitivale efikasnost lečenja koje je trajalo svega 3 dana. U jednoj studiji kontrolisanoj placebom poređena je terapija u trajanju od 3 dana sa terapijom koja je trajala 10 dana i da su pacijenti lečeni kombinacijom trimetoprim-sulfimetoksazola i dekongestiva i uočeno je da je sličan broj ispitanika bio izlečen u svakoj od 2 grupe. Međutim, od objavljivanja ove studije, procenat sojeva S,pneumoniae rezistentnih na trimetoprim-sulfimetoksazol je dramatično porastao. Štaviše ekstrapolaciaj ovih rezultata na druge antimikrobne lekove ne može da se prihvati. Nedavno je trodnevna terpija azitromicinom za lečenje sinuzitisa odobrena kako u Kanadi tako i u SAD. Randomizirana dupla slepa studija je pokazala da je azitromicin u dozi od 500mg na dan u trajanju od 3 do 5 dana podjednako efikasan kao amksicilin sa klavulinskom kiselinom primenjivan 10 dana. Štaviše, novi oblik azitromicina sa produženim oslobađanjem i koji se administrira u jednoj dozi je nedavno odobren za primenu u SAD. Međutim, podaci za ove kratke terapijske protokole su jako ograničeni i nove preporuke u terapiji izražavaju zabrinutost zbog izraženog porasta broja sojeva .pneumoniae rezistentnih na antibiotike i to rezistentnih baš na makrolide. Trenutne preporuke su da antimikrobna terapija mora da traje 10 do 14 dana, ili najmanje 7 dana nakon što su znaci i simptomi bolesti dovedeni pod kontrolu.
Tabela 112-9 Vodič za doziranje antibiotika u lečenju akutnog bakterijskog sinuzitisa
Lek Doza za odrasle Doza za decu
Amoksicilin 500mg 3 puta na dan
Visoke doze:1000mg tri puta na dan Niskedoze :40-50mg/dan podeljeno u 3 doze
Visoke doze: 80-100mg/kg/dan podeljeno u 3 doze
Amoksicilin sa klavulinskom kiselinom 500/125mg podeljeno u tri doze
Visoke doze: 2000mg/125mg dva puta dnevno 40-50mg/kg/dan podeljeno u 3 doze
Visoke doze: može se dodati 40-50mg/kg/dan amoksicilina
Cefuroksim 250-500mg 2 puta dnevno 15mg/kg/dan podeljeno u 2 doze
Cefaklor 250-500mg 3 puta na dan 20mg/kg/dan podeljeno u 3 dozeS
Cefiksim 200-400mg 2 puta dnevno 8mg/kg/dan u jednoj dozi ili podeljeno u 2 doze
Cefdinir 600mg jednom dnevno ili podeljeno u 2 doze 14mg/kg/dan u jednoj dozi ili podeljeno u dve doze
Cefpodoksim 200mg dva puta dnevno 10mg/kg/dan podeljeno u 2 doze(400mg na dan maksimalno)
Cefprozil 250-500mg dva puta na dan 15-30mg/kg/dan podeljeno u dve doze
Doksiciklin 100mg svakih 12 sati -
Trimetoprim-sulfimetoksazol 160/800mg svakih 12 sati 6-8mg/kg/dan trimetoprim,30-40mg/kg/dan sulfametoksazola podeljeno u 2 doze
Klindamicin 150-450mg svaki9h 6 sati 30-40mg/kg/dan podeljeno u 3 doze
Klaritromicin 250-500mg 2 puta na dan 15mg/kg/dan podeljeno u 2 doze
Azitromicin 500mg prvog dana, a onda 250mg/dan od drugog do petog dana 10mg/kg/dan prvog dana, a onda 5mg/kg/dan od drugog do petog dana
Levofloksacin 500mg na dan -
Telitromicin 800mg/dan tokom 5 dana -
Ceftriakson 1000mg na dan 50-75mg/kg/dan podeljeno u doze na svakih 12-24 sata
Evaluacija ishoda lečenja
Antimikrobna terapija skraćuje srednje trajanje bolesti sa 17 na 9 dana, u slučaju amoksicilina, odnosno na 11 dana u slučaju penicilina. Pacijent kod koga simptomi istrajavaju ili se pogoršavaju i 72 sata nakon početka antiomikrobne terapije može biti svrstan u grupu pacijenata kod kojih lečenje nije uspelo, odnosno kod kojih je došlo do neuspešnog lečenja. Upućivanje specijalisti može biti rešenje za pacijente kod kojih nije bilo odgovora na terapiju prve ili druge linije, kod onih sa teškim, učestalim ili hroničnim oblicima ove bolesti i kod pacijenata kod kojih postoji rizik za nastanak komplikacija. Kod pacijenata koji su komplikovaniji slučajevi odgovor može biti u hirurškom lečenju.
FARINGITIS
Faringitis je akutna infekcija orofaringsa ili nazofaringsa. Faringitis je uzrok 1-2% svih ambulantno obavljenih pregleda lekara. Iako su virusi najčešći uzrok faringitisa, najčešći bakterijski uzročnici faringitisa su grupa beta-hemolitičkog Streptokoka ili S.pyogenes i oni će biti u centru pažnje našeg razmatranja. U pedijatrijskoj populaciji grupa A Streptokoka ili „streptokokno zapaljanje grla“ je uzrok 15-30% svih zabeleženih faringitisa. Kod odraslih sktreptokok je uzrok 5-15% svih simptomatskih epizoda faringitisa. Virusi izazivaju većinu epizoda akutnog faringitisa. Pecifični etiološki agensi obuhvataju rinovirus 20% slučajeva, koronavirus oko 5% slučajeva, adenovirus 5% slučajeva, herpes simpleks virus 4% slučajeva, influenca virus 2%, parainfluenca virus 2% slučajeva i Epštajn-Barov virus manje od 1% slučajeva. Bakterijska etiologija akutnog faringitisa je mnogo manje aktuelna. Od svih uzročnika bakterijskog faringitisa grupa A Streptokoka je najčešće zastupljena 10.30% osoba bez obzira na uzrast i pol, koje imaju faringitis su pozitivne na grupu A Streptokoka i to je jedina forma akutnog faringitisa koja se učestako javlja, a za koju je opravdano davati antibiotike. Drugi, ređe zastupljeni izazicvači faringitisa, obuhvataju grupu C i grupu G Streptokoka, Korinebakterijum difterije, Najseriju gonoreje, Mikoplazmu pneumonije, Arkanobakterijum hemolitikum, Jersiniju enterokolitiku i Hlamidiju pneumonije. Opcije lečenja za ove mikroorganizme izazivače akutnog faringitisa nisu, međutim ovde razmatrane.
Patofiziologija
Mehanizam kojim bakterije iz grupe A Streptokoka izazivaju faringitis nije dobro definisan. Asimptomatske kliconoše najverovatnije doživljavaju promenu u imunitetu kao domaćini, tj. dolazi do oštećenja inotegriteta ili poremećaja u imunom odgovoru faringealne mukoze im bakterije orofaringsa umesto saprofitskog odnosa lsa domaćinom, sada postaju izazivači infekcije. Patogeni faktori koje povezujemo sa ovim mikroorganizama takođe sami po sebi mogu da igraju određenu ulogu. Ovi patogeni faktori su pirogeni toksini, hemolizini, streptokinaze i proteinaze.
Klinička slika
Faringitis izazvan grupom A Streptokoka je teško razlikovati od virusom izazvanog faringitisa, oslanjanjem na istoriju bolesti i kliničku sliku. Međutim, iako su sve uzrasne grupe podložne ovoj vrsti infekcije, epidemiološki podaci pokazuju da kod određenih grupa postoji veći rizik. Deca starosti od 5 do 15 godina su najpodložnija. Roditelji školske dece i oni koji rade sa decom su takođe izloženi većem riziku od oboljevanja. Akutni faringitis kod dece mlađe od 3 godine retko izazivaju mikroorganizmi iz grupe A Streptokoka.
Sezonsko širenje i povećavanje broja obolelih se javlja i najviša učestalost faringitisa izazvanih grupom A Streptokoka je u toku zimskih meseci i u rano proleće. Inkubacioni period je 2 do 5 dana i bolest se često javlja u grupama(oboljeva odjednom veći broj ljudi). Širenje se događa direktnim kontaktom (najčešće rukama), Fligeovm kapima pljuvačke ili nazalnim sekretom i zbog toga se prenošenje događa mnogo češće ui zatvorenim institucijama, školama, u okviru porodica i u prostorima u kojima boravi veći broj ljudi. Nelečeni, pacijenti sa streptokoknim faringitisom su zarazni tokom akutne faze bolesti i još jednu nedelju nakon toga. Efektivna antimikrobna terapija smanjuje period zaraznosti ili infekcioznosti na oko 24 sata. Tabela 112-10 pokazuje kliničku sliku faringitisa i dijagnozu. Nesupurativne komplikacije kao što su akutna reumatska groznica, akutni glomerulonefritis, reaktivni artritis mogu se dogoditi, kao i supurativne komplikacije kao što su peritonzilarni absces, retrofaringealni absces, cervikalni limfadenitis, mastoiditis, otitis media, sinuzitis i nekrotizirajući fascitis. Akutna reumatska groznica se retko viđa u razvijenim zemljama. Akutna reumatska groznica kao komplikacija infekcije streptokokom grupe A je imala zabrinjavajuče razmere tokom 50-ih godina i bila je važan razlog za propisivanje penicilinske terapije, ali danas je godišnja incidenca ove bolesti izuzetno mala i ona je izuzetno retka(javlja se oko 1 slučaj na 1.000.000 stanovnika). Određeni rizik ipak ostaje i prijavljivani su slučajevi izbijanja ograničenih epidemija ove bolesti tokom kasih 80-ih i ranih 90-ih godina u SAD. Sa druge strane akutna reumatska groznica je jako raširena u zemljama u razvoju, odnosno procenjuje se da se u Indiji svake godine zabeleži oko 50.000 novih slučajeva akutne reumatske groznice.
Tabela 112-10 Klinička slika i dijagnoza faringitisa izazvanog Streptokokom iz grupe A
Opšti podaci Bol u grlu koji naglo počinje i najčešće se sam ograničava
Groznica i somatski simptomi(bolovi u zglobovima, slabost, malaksalost) traju 3-5 dana
Klinički znaci i simptomi su slični onima kod faringitisa izazvanih virusima, ali i onima kod bakterijskih faringitisa izazvanih nekim drugim bakterijskim sojevima koji nisu iz grupe A Streptokoka
Znaci i simptomi Bolno grlo
Bol pri gutanju
Groznica
Glavobolja
Mučnina, povraćanje i abdominalni bol(naročito kod dece)
Eritem, odnosno inflamacija tonzila i faringsa sa ili bez krpičastih eksudata
Uvećani limfni čvorovi bolni na palpaciju
Crvena otečena uvula
Znaci petehijalnog krvarenja na mekom nepcu
Skarlatiformni osip
Evo još nekoliko simptoma koji nisu isključivo vezani za grupu A streptokoka: kašalj, konjuktiivitis i dijareja
Laboratorijski testovi Bris grla i kultura bakterija ili rapid antigen detection test(RADt)-brzi test za određivanje antigena
Dijagnoza
Za paciejnta koji ima faringitis najvažnija klinička odluka koju lekar treba da donese je da li je on izazvan Streptokokom iz grupe A ili ne. Dijagnoza je od izuzetne važnosti, zato što ona određuje način lečenja. Klinički sistem bodovanja kao što je Centar kriterijum ili njegove modifikovane verzije je nešto što se zagovaralo kao put do tačne dijagnoze kod odraslih, u cilju razlikovanja bakterijskog od virusnih faringitisa i kao način da se prevaziđe nedostatak osetljivih i specifičnih kliničkih znakova, koji bi nam pomogli da donesemo ovu odluku, a u cilju izbegavanja laboratorijskog testiranja svih pacijenata. Tabela 112-11 navodi izmejenu formu Centor kriterijuma. Međutim, postoji zabrinutost da korišćenje samo ovih kriterujuma vodi u preterano propisivanje antibiotika. Preporuke Američkog udruženja za infektivne bolesti, Američkog udruženja za pedijatriju i Američkog udruženja za srčane bolesti su takve da bi laboratorijsko testiranje na infektivne agense kao uzročnike bolesti, trebalo da bude rađeno za sve paijente koji iskazuju simptome faringitisa. Samo oni čiji je nalaz pozitivan na grupu A Streptooka zahtevaju lečenje antibitskom terapijom. Nedavne studije su pokazale da ograničavanje laboratorijskog ispitivanja na uzročnik faringitisa na one pacijente koji zadovoljavaju 2 ili više Centor kriterijuma, smanjuje broj testiranih na najmanju moguću meru. Najjenostavniji pristup je testiranje pacijenta tu, odmah uz njegovu postelju, sa potvrđivanjem bakterijske kulture u slučajevima kada su rezultati negativni. Ovakav postupak obezbeđuje da niko ko ima faringitis izazvan Streptokokom iz grupe A ne ostane bez terapije.Važno je napomenuti da laboratorijsko ispitivanje ne bi trebalo primeniti, pre nego sto uzimemo u razmatranje kliničke kriterijume, zbog toga što pozitivan test na bakterije ne dokazuje uvek prisustvo bolesti. Pozitivnio test može da ukazuje na kliconoštvo(ne postoji aktivna infekcija)agensima iz grupe A hemolitičkog Streptokoka.
Tabela 112-11 Modifikovani Centor kriterijumi za kliničko predviđanje faringitisa uzrokovanih grupom A hemolitičkog Streptokoka
Kriterijumi Skor(broj poena)
Temperatura veća od 38 stepeni Celzijusovih 1
Odsustvo kašlja 1
Otečeni prednji cervikalni limfni čvorovi, osetljivi na palpaciju 1
Otok tonzila i eksudat 1
Starost kao kriterijum
3-14 godina 1
15-44 godine 0
45 godina ili stariji -1
Rezultat Rizik od streptokokne infekcije
manje ili jednako 0 1-2,5 %
1 5-10 %
2 11-17 %
3 28-35 %
veće ili jednako 4 51-53 %
Tabela 112-12 Principi dijagnostikovanja infekcije Streptokokom iz grupe A zasnovani na dokazima
Preporuka Snaga(težina) koju ima preporuka
Selektivna upotreba laboratorijskog testiranja samo za one pacijente koji imaju kliničku sliku infekcije Streptokokom grupe A, povećaće procenat pozitivnih rezultata testova i poboljšati rezultate lečenja kod onih koji su zaista bolesni, ane samo kliconoše. A-II
Klinička dijagnoza ne može biti postavljena sa sigurnošću,čak ni od strane najiskusnijih kliničara. Neophodna je bakteriološka potvrda A-II
Bakterijska kultura dobijena iz brisa grla ostaje zlatni standard za dijagnokstikovanje ovog oboljenja, sa osetljivošću 90-95 % za Streptokok grupe A, ako se uradi na pravi način. A-II
Brza identifikacija i lečenje pacijenata sa ovom vrstom infekcije može da dozvoli pacijentima da se brže vrate na posao ili u školu i da smanji akutni morbiditet od ove infekcije A-II
Većina nama dostupnih testova za brzo dokazivanje antigena(RADt)smanjuje ima specifičnost veću od 95%(sanjuje propisivanje antibiotika kod onih kd kojih ova infekcija ne postoji) i ima osetljivost od 80-90 % u odnosu na bakterijsku kulturu dobijenu iz brisa grla. A-II
Rano započinjanje antimikribne terapije dovodi do bržeg otklanjanja znakova i simptoma bolesti. Odlaganje antimikrobne terapije(ako se čeka na rezultate brisa grla pre nego što se počne sa antibiotskom terapijom)može da bude izvedeno na bezbedan način, ako odlaganje ne bude duže od 9 dana nakon početka simptoma, a da se pritom spreči nastanak teških komplikacija, kao što je reumatska groznica. A-I
Rangiranje preporuka:
Snaga preporuke- A do E
Kakvoća postojećih dokaza koji potvrđuju primenu preporuke: A-dobri, B-umereni, C-loši
Kakvoća postojećih dokaza koji govore protiv primene preporuke: D-umereni, E-dobri
Kvalitet korišćenih dokaza: I, II ili III
I: postoji makar jedna kontrolisana randomizirana studija
II: postoji makar jedna dobro osmišljena klinička studija koja nije randomizirana ili studija kohorte ili analitička studiaj kontrolisanog slučaja ili rezultati dobijeni iz više vremenskih serija ili postojanje dramatičnih rezultata nekontrolisanih istraživanja
III: mišljenje eksperata
Incidenca kliconoštva kod dece je 5 -20 % , a značajno je niža kod odraslih. Tabela 112-12 navodi principe postavljanja dijagnoze infekcije Streptokokom grupe A zasnovane na dokazima. Ima više mogućnosti za testiranje na Streptokok grupe A kod faringitisa. Bris grla možemo da pošaljemo na utvrđivanje bakterijske kulture, ili ga možemo koristiti da uradimo RADt(brzi test detekcije antigena). Bakterijska kultura predstavlja zlatni standard, ali je potrebno da prođe 24-48 sati. RADt je praktičnbiji, može se obaviti brže i to pored same pacijentove postelje, a i jeftiniji je nego bakterijske kulture. Kulture se preporučuju kod dece, adolescenata, njihovih roditelja i prosvetnih radnika kod kojih je RADt negativan, ako i u slučajevima naprasnog čirenja infekcije Streptokokom grupe A i u cilju praćenja nastale rezistencije bakterija na antibiotike. Odlaganja rezultata dok čekamo rezultate bakterijske kulture ne utile na rizik od nastajanja komplikacija(iako neki tvrde da se efekat antibiotika na ublažavanje simptoma odlaže i gubi, kao i da se produžava perio zaraznosti tj. kontagioznosti pacijenta), pacijentu se mora objasniti značaj čekanja na rezultate, s obzirom da postoji nizak, ali ipak prisutan, određeni stepen lažno negativnih rezultata RADt.
LEČENJE
Faringitis
Željeni ishod terapije
Ciljevi terapije farinfgitisa su da se umanjr klinički znaci i simptomi, svede na najmanju moguću meru broj reakcija na lek, da se spreči prenošenje infekcije na ljuder sa kojima se stupa u bliski kontakt i spreči nastanak akutne reumatske groznice i supurativnih komplikacija kao što su peritonzilarni absces, cervikalni limfadenitis i mastoiditis.
Opšti pristup lečenju
Antimikrobnu terapiju bi trebalo ograničiti na one pacijente koji imaju kliničke i epidemiološke odlike faringitisa izazvanog hemolitičkim Streptokokom iz grupe A i pozitivan laboratorijski test na ovu bakteriju. Ne preporučuje se davanje empirijske antimikrobne terapije. Preterana upotreba antibiotika kod pacijeneta kod kojih nema infekcije Streptokokom grupe A i nedovoljna primena antibiotika kod pacijenata kod kojih bolest izazvana ovim uzročnikom postoji, je veoma dobro dokumentovana.
Tabela 112.13 Preporuke za doziranje antibiotika kod faringitisa
Lek Doziranje kod odraslih Doziranje kod dece Trajanje terapije
Penicilin VK 250mg 3-4 puta na dan ili 500mg 2 puta dnevno 50mg/kg/dan podeljeno u 3 doze 10 dana
Benzatin penicilin 1,2 miliona jedinica intramuskularno 50.000 jedinica/kg za težinu manju od 27kg jedna doza
Mixtura penicilina G i benzatin penicilina Ne preporučujese adolescentima i odraslima 1,2 miliona jedinica(benzatin 0,9 miliona jedinica i prokain 0,3 miliona jedinica) jedna doza
Amoksicilin 500mg 3 puta dnevno 40-50mg/kg/dan podeljeno u 3 doze 10 dana
Eritromicin estolat 20-40mg/kg/dan podeljeno u 2 do 4 doze(maksimalno 1 g dnevno) isto kao i kod odraslih 10 dana
Eritromicin stearat 1g podeljen u 2 do 4 doze(odrasli i adolescenti) - 10 dana
Eritromicin etilsukcinat 40mg/kg/dan podeljeno u 2 do 4 doze(maksimalno 1 g dnevno) isto kao i kod odraslih 10 dana
Cefaleksin 250-500mg oralno 4 puta dnevno 25-50mg/dan podeljeno u 4 doze 10 dana
Farmakološka terapija
Pošto je bol u grlu vrlo često osnovni razlog za posetu lekaru, veoma se preporučuje davanje analgetske terapije kao što bi bio acetaminofen i NSAIL u cilju olakšavanja bola pacijentima. Acetaminofen je bolja terapija u ovom slučaju zato što postoje određena bijazan da bi primena NSAIL mogla da poveća rizik od nastanka nekrotizujućeg fascitisa i sindroma toksičnog šoka. Sindrom toksičnog šoka se povezuje sa faringitisima izazvanim Streptokokom iz grupe A. Mogu se koristuiti kako sistemski, tako i topikalni analgetici, ako i antipiretici i druga suportivna terapija kao što je odmor, unošenje dosta tečnosti i ispiranje grla slanim rastvorima. Simptomi mogu nestati 1 di 2 dana ranije uuz primenu ovakvih mera.
Antimikrobna terapija
Antimikrobna terapija skraćuje trajanje znakova i simptoma za 1 do 2 dana. Terapija takođe ublažava simtome kada se započne 2 do 3 dana od početka bolesti kod pacijenata kod kojih je dokazana infekcija Streptokokom grupe A. Mikrobiološka eradikacija uzročnika desiće se za 48 do 72 sata, što će
Serbian to English: Coronary angiography General field: Medical Detailed field: Medical: Cardiology
Source text - Serbian Opis koronarografije;_ ~ ..". . .
Glavno stable je bez suženja. Prednja descedentna arterija kalcifikovana. difunzno izrnenjena, bez značajnieg suženja, Stentovi LAD prohodni. Arterija Cirkumfleksa je bez značajnijeg suženja. Desna koronarna arterija je sužena 80 % u medijalnom delu, kalciftkovana.
Operator 1 iz procedure koja js prethodila:
RCA ~ LeA
Opis intervencije:
LEZIJA 1
Krvni sud: (02) RCA, Lokalizacija: Srednja, TIMI protok: TIMI3, ACC/AHA klasa.C, Tip lezije:De No .'D, Postoji tromb: da, Referentni prečnik krvnog suda: 3.0mm, Prečnik stenoze: 80 %, Dužina lezije: 1C mm, Predilatacija: da, OTW Sprinter 3.0x15 atm: 18 Kol:1 . žicani vodlčl: Koronarna žica BMW
universal (y704219) Kol: 1 , ugrađeni stentovi: Endeavor Resolute 3.0x15 atm:18 Kol: 1 , Ukupan broj stentova: 1, Ukupna dužlna ugr. stentova: 15 mm, Prečnik stenoze posle proc.: 0 %, Tretiranje leziie DES, Pokušaj uspešan, TIMI protok na kraju PCI: TIMI 3
Rađena je predilatacija RCA medialis OTW Sprinter 2.0 x 10 na 18 atm. Implantiran je stent Endeavor
Resolute 3.0 x 15 na 18 atm. Dobar angio rezultat, bez reziduame stenoze, Dobar distalnl protok TIMI 3.
KLINIČKI CENTAR NIŠ
OJ KUNlKA ZA KARDIOVASKULANE BOLESTI
Mat. br. lstorije bolesti
OTPUSNA LISTA SA EPIKRIZOM
PREZlME, IME JEDNOG RODITELJA lIME:
'""""',-----
ZANIMANJE:
--------- .... _-_._-
MESTO PREBIVALISTA:
_:N_:,;I:::S: MESTO RADA:
. -----------------_._._--_.-
LECEN JE OD:
UPUTNA DDAGNOZA:
----------
00
-------
PCI RCA MEDIAUS ET IMPLANTATIO- ENDEAVOR RESOLUTE 3.0X1S na 18 ATM.
INFARCTUS MYOCARDII ACUTUS NSTEMI
ST POST PCI LAD MEDIALIS ET IMPLANTATIO STENTI
ST POST INFARCTUM MYOCARDII DIABETES MELLITUS TIP 2
ZAVRŠNE DIAGNOZE: ODELJENJE ZA A-K-S -----
EPIKRI7.A (stanje i tok. bolesti, laboratorijski i drugi nalazi koji potvrduju dljagl1ozu, predlozi ze oOltjf'l let~l':nje):
Primljen zboq bola u grudima. Pre 20 dana lečen od infarkta miokarda, ugradjen stent. Leči se od dljabeta,
Objektfvni nalaz: Pulmo: vezikularan disajni šum. Cor: akcja ritmična, tonovi očuvanog intenziteta.
LABORATORIJA: wbc 9.2, rbc 4.58, hgb 136, hct 0.422, pit 230, gluk 16.8, urea 3.9, krea 84.B, na 135, k 4.1, mi 0.042, inr
1.140, aptt 34.1, fib 4.040, ckmb 1.6, tni 0.026, gluk 5.8, urea 3.6, krea 79.7, uk b1113.4, dir bil 2.2, uk prot 72.E., hoi 3.13, hdl
0.72, Idl i.s, trig 1.98, ast 33.5, alt 47.4, alp 51, krea kin 61, ckmb 10.29, crp 1.8, na 139, k 4.1, fib 3
EKG; sin ritam, SF 72/min, T talasi negativni u prekordijalnim odvodima, takođe u D2, D3, aVF.
EHO SRCA: Veličina leve komore u qranlcarna norrnale, postoji hipertrofija miokarda, qlobalna kontraktilna funkcija u
granicama normale.
U toku hospitalizacije urađena invazivna procedura - nalaz u prilogu.
ZAKLJUČAK: Urađena perkutana lntervencja, implantiran stent. Potrebno da nastavi sa dijetom za šećernu bolest.
TERAPUA: t. Aspirin protect 300mg, t. Plavix 7Smg, t, Controloc 20mg ujutru, t. Concor Smg 1/2 ujutru, t. Sortis 40mg uveče,
t. Monopril l0 10mg, t. Monizol 20 20 0, t. Lopion R 1 uveče, Nitroglicerin po potrebi.
PaCljent je blagovremeno obavesten 0 dijagnozi j proqnozl bolestl, Ukratko mu je •O•PiSi)J)i) predlozena rnedicinska mera, kao i cilj i ,~orist od' predlozene medicinske mere. obevesten je i 0 vremenu trajanja i mogu{;nost poslcdice preduzirnanja, odnosno ncprcduzimanja predtotene rnedic;;inskrc.r!~~•E.
Lekar odeljenja:
Translation - English Detailed results of the coronary angiography:
Main stem of the aorta is without constrictions. Frontal descending coronary artery is calcified, with widespread signs of alteration, with no significant constrictions. Existing stents inside LAD (left anterior descending artery) are clear and functional. Circumflex coronary artery is without significant constrictions. Right coronary artery is calcified and has an 80% constriction in the mid section.
Surgeon no.1 in the preceding procedure:
Detailed description of the intervention:
Lesion no.1
Blood vessel : (O2) RCA(right coronary artery), localization : mid section TIMI(Thrombolysis in Myocardial infarction)flow : TIMI 3 , ACC/AHA class C, Lesion type : de novo(new lesion), Thrombi in place : present, Average diameter of this blood vessel : 3.0mm , Diameter of the constriction : 80% , Lesion length : 10mm , Prestenotic dilatation : done , OTW Sprinter 3.0x15mm , Applied pressure : 18 atm(atmosphere) , number of items used : 1, Guidewires : Coronary wire BMW universal (y704219) , number of items used : 1 , Coronary stents put into place : Endeavor Resolute 3.0x15 , Applied pressure : 18 atm(atmosphere) , number of items used : 1 , Total number of stents applied : 1 , Sum of all lengths of the stents that were placed 15mm , Diameter of the constriction after the procedure : 0% . The lesion was treated with : DES(drug-eluting stent) , Treatment was successful , TIMI flow at the end of the PCI(percutaneous coronary intervention) : TIMI 3.
A prestenotic dilatation of the mid section of RCA was performed using OTW Sprinter 2.0 x 10 with 18 atm of pressure. An Endeavor Resolute 3.0 x 15 was placed, with 18 atm of pressure applied. The patient received a high angiographic score, showing no residual stenosis. There is a good distal blood flow (flow of blood beyond the treated section) TIMI 3.
Discharge papers (summary) with medical history
Referring diagnosis:
Percutaneous coronary intervention performed at the mid section of the right coronary artery with placing Endeavor resolute 3.0x15mm using 18 atm of applied pressure
Non ST-segment elevation myocardial infarction
Status post (state that follows) percutaneous coronary intervention performed at the mid section of the left anterior descending artery followed by a stent placement
Status post (state that follows) myocardial infarction
Diabetes mellitus 2
Final diagnosis: Acute coronary syndrome department
Patient was admitted because of chest pain. Twenty days ago he was treated for myocardial infarction, and a stent was placed. He is diabetic and is being treated for it.
Objective findings: Lungs: normal breathing sound, Heart: heart rate is rhythmic, heart sounds have sufficient intensity.
Laboratory : White blood cells 9.2 , Red blood cells 4.58 , Haemoglobin 136 , Hematocrit 0.422 , Platelets 230 , Glycaemia 16.8 , Urea 3.9 , Creatinine 84.8 , Na(sodium) 135 , K(potassium) 4.1 , ???? 0.042(could be ctn I , part of the cardiac troponin complex or simply repeated tni i.e. troponin result), INR (international normalised ratio) 1.140, Activated partial thromboplastin time (aPTT) 34.1 , Fibrinogen 4.040 , Creatine kinase-MB 1.6 , Troponin 0.026 , Glycaemia 5.8 , Urea 3.6 , Creatinine 79.7 , Total bilirubin level 13.4 , Direct bilirubin 2.2 , Total serum protein 72.6 , Cholesterol 3.13 , HDL(high-density lipoprotein) 0.72 , LDL(low-density lipoprotein) , Triglycerides 1.98 , AST(aspartate transaminase) 33.5 , ALT(alanine aminotransferase) 47.4 , Alkaline phosphatase 51 , CK(creatine kinase) 61 , Creatine kinase-MB 10.29 , C-reactive protein 1.8 , Na(sodium) 139 , K(potassium) 4.1 , Fibrinogen 3.
ECG: normal sinus rhythm, heart rate 72 bpm, T waves are negative in the precordial leads, and also in the D2, D3 and aVF leads.
Echocardiogram: left ventricle is within normal physiological diameters, there is a detectable hypertrophy of the myocardium(enlargement of the heart muscle), and an overall contractile function is within normal range.
During the hospital stay an invasive procedure was performed-described in the attached document.
Conclusion: PCI (percutaneous coronary intervention) was performed, with a stent being placed. Patient should continue to follow a diet, prescribed for his diabetes.
Therapy: t. (tablets) Aspirin protect 300mg, t. Plavix 75mg, t. Controloc 20mg to be taken in the morning , t. Concor 5mg one half to be taken in the morning , t. Sortis 40mg to be taken in the evening , t. Monopril 10 10mg , Monizol 20 20 0mg , t. Lopion R one to be taken in the evening , Nitroglicerin to be taken if, and when necessary.
Serbian to English: Report General field: Medical Detailed field: Medical (general)
Source text - Serbian
ZAHTEV ZA
KONSULTATIVNII DIJAGNOSTlČKI PREGLED
AMBULANTA OnELJEN.JE
lIN
.,-
Br. protok0 Ia; _ .
IME I PREZIME::~
M~ticn.i.br~oi,_-..
Br.sobe
-r-e- god. rodenja z:
..._- _"
Pol:
_
.,... ~....... I~
JMBG. Reglst. broj _ Šifra osiguranja filijala
POZIVA SE: K a r d i o l o g ~~ ~
RADNA Dg: CVI in obs. Coma cerebri, Insuff.ren.chr.terminalis
RADIOGRAFIJE I SKOPIJE -------- -_
•
Kardiološka konsultacija u 9.,30
JZVEŠTA.J I NALAZ:
h 12.09.2012.g.
Bolesnik je bez kontrakta sa ugašenim kornealnim ref1eksom, fiksiranog pogleda, dispnoičan, tahipnoičan. Na plućima .inspirijumski pukoti do visine skapule. Srčana radnja ritmična, tonovi tihi, sistolni šum na bazi i na vrhu. TA=125/80
Abdomen mek. Diskretni edemi po tkolenice. '.. ..
Dg: CVI in obs. Comma cerebri, Oedema pulmonum, Insuff. Renum terminalis, Dialysis in cursu, St. post implantationem pace maker permanens, Anaemia sec. EKG-nalaz: fibrilacija pretkomora' sa absolutnom aritmijom komora, frekvencija 70/min, 1evogram, rS u inferiornirn odvodima i prekordijalnoj seriji do V6,.bez evolucije.
S obzirom na lošu gasnu razmenu i pored stalne oksigenoterepije preko maske potrebno je bolesnika intubirati, dati Lasix amp. i.v. Uključiti Nirmin u infuziju 50 mg u 500 ml 0,9% NaCl preko pumpe 7ml/h uz stalni monitoring tenzije I isti isključiti u slučaju pada tenzije.
Kontrola neurologa.
Zemun, 90d. Doktor:
W'."VV.LU~L ~~iL~ ~~~~lllL~~j~09
r" I "1 ""I oJ I '--J..J .... U J • -
99381112443209
.J'~TIORAdooBeograd #4212 P.017 /033
. ZAHTEV ZA
KONSULTATIVNII DIJAGNOSTlČKI PREGLED
AMBULANTA
Br. protokola: .matjcni broj Br.sobe _ IME I PREZIME: . god. rodenja Pol: m z Adresa nosilac oslguranja -~~-----r--- JMBG -------r""l,.,.....--- Regist.•bro)"..: _ Br. zdr. Icnii;;lceln.'
Sifra oslguranja filijala vid --,- ....;,.
POZIVA SE: neurolog-------------------------------~
RADIOGRAFIJE I SKOPIJE _
STEPEN HITNOSTI:
1. hitno
2. u toku dana
3. u roku od 36 h
DOKTOR KONTAKTIRAN;
1. '1leno
2. preko rnedlelnske sestre
3. dostavlianjem zahteva .
VREME DOLASKA KONSULTANTA:
VREME DOSTAVLJANJA NALAZA:
• Zemun,12.o9.2012. god, vrerne ?:4-0
Lekar: Lj. Lamh~ .
IZVEŠTAJ I NALAZ:
Neurološki nalaz: svestan,nekomunikativan,naloge ne realizuje,Haedove probe ne izvršava, Devijacija očiju put levo. . .
Zenice izokorične, reaguju na svetlost. Kornealni refleks levo snižen,
desno u tragu. Afazičan. .
Ostali nalaz na KN nije dostupan pregledu.
Vrat slobodsn l'.'eningealniznac i. ne.gativn.:i,.
Hipotonija desno,pri Wartenbergu i Mingazziniju tonjenje ekstremiteta
(desnostrana akcentuacija), plantarni odgovor uredan.
llg CVI in obs
Encepbalopathia uremica
Indikoveti CT endokranijuma
Th Manitol 20% 125 ml 4xl na nadna III dana
Kontrola neurologa sa traženim nalazom CT glove
Zemun, 90d. Doktor:
02.NOV.2012 13:23 99381112443209 J'~TIORAdooBeograd
I ' _...J. ' ._. J~.-4.J --,-, • >oJ I I I ~ I o,c>
99381112443209
#4212 P.018 /033
ZAHTEV ZA
KONSULTATIVNII DIJAGNOSTlČKI PREGLED
AMBULANTA nnFJ .JENJE JIN za netro•
Sr, protokola: .. Ma~icni broj Sr,sobe
STEPEN HITNOSTI:
1. hitno
2. u toku dana
3. u roku od 36 h
DOKTOR KONTAKTIRAN:
1. licno
2. preko medlcinsk ,estre !'..
3. dcstavhanjem zah Vij"":'.~'.:.
VREME DOLASKA KONSU.LTANTA:
VREME OOSTAVLJANJA NALAZA:
• .:: Zemun, Od. vreme .....-.;...
-.._..,'.,
IZVEŠTAJ/NALAZ
11.09. 2012 Nalaz kardiooga
.Pacijent preveden iz KJ prethodnog dana. Oseća se bolje nakon HD koja
s e sprovodi unazad 5 dana na bazi. HBI. Isključen AKS.
Leži na 1 jastuku, ne guši ga . Ostali podaci u ist oriji bolesti. .
Pulmo nema zastoja ima bronhitičan weezing exp. I inspirijumski. Moguća uremijska pluća.
COR akcija ritmična, tonovi mukli, blag sistolni šum nad apeksom I aortom
TA=120/70
EKG: ritmičan, stalnog PM sa odgovarajućim repolarizacionim skretanjem
Dg.:Insuff. Cordis chr. pp. CMP ishaemica I50
St. post IM pars IPL aa. I
St. post implantatio PM VVI god. Anei X
Hypertensio arterialis. Insuff renum chr.
Th : Concor nastaviti 1,25mg Tritace 2x2,5mg, Atoris 20mg uveče, diurezu nema, sprovoditi redovan program hemodijalize,- indikovano I zbog kardiološkog stanja. Aspirin protect 100mg 1x1.
AMBULANTA ODELJENJE JIN za ne.fro
B,r.protokola: Maticni broj Br.sobe
IME I PREZIME: . god., rodenja --P-oO-I:-m-z- Adresa nosilac osiguranja
JMBG -:-- --:- Reglst. broj _ -" 3r. z-:d-:-r.-=-"-n:7:iiz:7ic-e-_-
Sifra osiguranja
' filijala vld
POZIVA SE: Pulmolog ---
RADNA Dg: Apnea
RADIOGRAFIJE I SKOPIJE -..,.- _
STEPEN HITNOSTI:
1. hitno,
2. u toku dana
3. u roku od 36 h
DOKTOR KONTAKTIRAN:
t.Ilcne .
2. 'preko medlelnske sestre
, 3'. dostavlianjern zahteva
VREME DOLASKA KONSULTANTA:
VREME DOSTAVLJANJA NALAZA:
• Zemun, god. vreme,;..' _ ,.. Lekar:
IZVEŠTAJ I NALAZ:
Bolesnik kardiopata, nefropata. Ranije savetovane koronarografije koje
je odbio, srčana insuficijencija, oligurija, na intermitentnoj dijalizi tokom ove hospitalizacije.Od jutros klinički znaci CVI. .
Od mlađeg Lekara prenešeno da je bolesnik imao epizodu insuficijentnog stanja, u smislu apnee , uradjene GA pC02 23% 58 SAT 86%, pH 7,27
HCO3 13, . BE 16,3 . ".
Bolesnik nekontaktibi1an, fiksiranog pog1eda, auskultatorno na plućima produžen ekspirijum, inspirijumski pukoti, znaci s taze i sekreta
Fr loo/min TA 130/6. .
Dg: CVI verisim.,kardiološke, Insuff.respiratoria
Th: Aminophy11in amp na 8h u 1oo ml NaCl,Urbason 3x4omg, Sabax 30mg 2xl
kardiološka neurološka, ordinirati 8,4% HC03. ,
Bolesnik tokom konsultativnog pregeda ( kardiologa, pulmologa.) intubiran,
aspiriran sekret gust,sukrvičav. Stavljen na MV.
l"oslati bris aspirate na bakteriologiju kontrola GiL
RADNA Dg: Obs Anaeurisma aortae ? Hypotensio art. Anaemia sec. Insuff. Renum chr. CMP chr. decompensata
RADIOGRAFIJE I SKOPIJE . _ .
STEPEN HITNOSTI:
1. hitno
2. u toku dana
3. u roku ad 36 h
DOKTOR KONTAKTIRAN:
1. llcno.
2. preko rnedlclnske sestre .
3: dostavlianjern zahteva
VREME DOLASKA KONSUL TANTA:
VREME DOSTAVLJANJA NALAZA: ..
• Zemun. ....._god. vreme _ ' .. Lekar: ~~
EHO ABDOMENA
Jetra je normalne veličine, homogene eho structure, bez fokalnih preomena, Holecista voluminozna, bez kalkuloze. Oba bubrega značajno redukovanog, hiperehogenogh parenhima, stanjenih dimenzija, U gornjem polu desnog bubrega cista 33mm, a na levom cista od 4cm I kalkulus od 11mm. Slezina nije uvećana, Pankreas se teško uočava. Nema slobodne tečnosti. M.bešika je prazna.
._ ZAHTEV ZA KONSULTATIVNI/DIJAGNOSTIČKI PREGLED
AMBULANTA . ODELJ~NJE _
Sf. protokola: Mati~ni ~roj Br. sobe
---
IME I PREZIME: god. ro(fenja Ppl: m t
Adrssa . nosilac osiQuranja
STEPEN HITNOSTI:
hitno
2. u toku dana
3. u roku od 36 h
DOKTOR KONTAKTIRAN:
1.Iično
2. preko rnedlclnske sestre
3. dostavljanjem zahteva
VREME DOLASKA KONSULTANTA:
VREME DOSTAVLJANJA NALAZA: _
Zemun. god. vreme
Lekar:
IZVEŠTAJ / NALAZ:
•
Mišljenje ksrdio1oga
Tahipnoican, ortopnoičan , dispnoičan, T.A. 160/80mmHg
Na plućima pukoti do skapula. Akcija srca aritmična, po tipu atrijalne fibrilacije, tonovi jasni, šumova nema. Abdomen je mek i palpatorno neosetljiv. Nema perifernih edema.
ERG; atrijalna fibrilacija, fr.komora oko 90/min,retke VES, rS u inferiornim
prekordijelnim odvodima , bez ST le1evacije, negativan T u I i aVL.'
Bez diosmike U odoosu De racije,EKG-e.
Dg. Oedema pulmonum. Insuff. renum terminalis.
Th:Morfijum 1-2mg IV, nitroglicerinska infuzija(dozirati prema TA).
Predlažem da se prebaci u internističku intenzivnu negu.
Po stebi1izaciji opšteg stanja uraditi ehokardiografski pregled.
Cardiological consult at 9:30 AM on September 12th 2012.
No contact can be made with the patient, corneal reflex is negative, eyes are in a fixed position, the patient is dyspneic (difficulty breathing) and tachypneic (rapid breathing). Auscultation reveals breathing crackles that can be heard all the way up to the scapular spines. Heart action is rhythmic, muffled, and systolic murmurs could be hearted on both base and the tip (apex) of the heart. B.P.= 125/80. Abdomen was palpated to be soft. There are discrete edemas of both calfs.
Diagnosis: Suspected insultus vascularis cerebri(stroke), Cerebral coma, Pulmonary edema, Terminal stages of renal insufficiency, Undergoing dialysis, Status post implantationem pace-maker permanens(A permanent pace-maker is in place), Secondary anemia.
ECG findings: fibrillation of the atriums and an absolute arrhythmia of the ventricles, heart rate is 70 bpm, normal heart axis, rS pattern in the inferior leads and the precordial leads up to V6, not displaying sings of evolution.
Considering that there had been poor or no effect of oxygen therapy applied through a mask on the lung gas exchange, intubation and administering an amp. of Lasix I.V., is advised. Administer a Nyrminic (nitroglycerine) drip of 50mg of nitroglycerine per 500ml of saline(use 0,9% NaCl solution) through a pump, applying 7ml/hour, while monitoring BP. In case that the blood pressure drops, discontinue the drip.
A neurology consult is required.
Report/findings:
Neurological find: patient is conscious, does not comunicate, doesn`t respond to commands, does not execute any of the Haed`s tests, eyes deviate to the left.
The pupils are isocoric(equal), respond to light, corneal reflex is reduced on the left side, and barey present(positive) on the right side. The patient is aphasic(has impaired language ability).
The other tests of cranial nerves functions could not be done.
The neck is mobile. There sre no positive meningeal signs.
Right side hypotonia. During the Wartenberg and Mingazzini trials there was drooping of the extremities(predominantly on the right side). Sound plantar reflexes.
Diagnosis: Suspected insultus vascularis cerebri(stroke)
Uremic encephalopathy
CT of the endocranium (head CT) is required.
Therapy: Manitol 20% solution 125ml four times a day, for the next 3 days
A neurological control exam should be performed after the head CT.
Working diagnisis: Pulmonary edema, Chronic renal insufficiency
Report/findings:
Cardiologist`s report
Patient was transfered from the coronary intensive care unit the day before. He feels better after a five day course of hemodialysis as indicated for the existing chronic renal insufficiency. There was no acute coronary syndrome.
The patient is lying in bed, resting his head on just one pillow, not experiencing any difficulty breathing. Other data could be found in the patient’s medical history.
Lungs show no signs of heart failure; bronchitic wheezing could be detected during both inhaling and exhaling. Uremic lung syndrome is suspected.
Heart action is rhythmic, muffled, mild systolic murmurs could be heard over the apex and the aorta of the heart. B.P.= 120/70.
ECG shows the rhythm of a permanent pace-maker, with a constant heart frequency of 60 bpm, with corresponding interferences during the repolarization of the heart tissue.
Diagnosis: Chronic heart failure consequent to the Ischemic cardiomyopathy I 50(ICD)
Status after the myocardial infarction infarction of the posterior lower lateral portion of the heart, one year ago
Status after the implantation of the pace-maker VVI, ten years ago
High blood pressure
Chronic renal insufficiency
Therapy: continue with Concor 1.25mg, Tritace 2x2.5mg Atoris 20mg every evening, no diuretic therapy. A strict regime of hemodialysis should be implemented, especially because of the underlying cardiological conditions. Aspirin protect 100mg once a day.
Working diagnisis: Apnea (suffocation)
Report/findings:
The patient is suffering from cardiomyopathy and nephropathy. He was previously advised to have a coronarography done, but he refused to do so, sufferes from chronic heart failure and oliguria(low urine production),and was undergoing intermittent dialysis during this hospital stay. Since this morning, the patient presented with clinical signs of insultus vascularis cerebri(stroke). Junior physician reported an episode of insufficient ability to breath presented as apnea (the absence if breathing), blood gas analyses were done pCO2=23, O2=58, saturation = 86%, pH=7.27, HCO3=13, alkaline excess= 16.3 .
The patient could not be communicated to, his eyes are in a fixed position, auscultation of the lungs reveal a prolonged exhalation, breathing crackles during the inhalation, with signs of coronary failure in the lungs and some detectable mucus secretion. Heart rate = 100 bpm, BP = 130/60
Diagnosis: Insultus vascularis cerebri(stroke) verisimiliter(probably)
Cardiological conditions
Repiratory insufficiency
Therapy: an amp. of Aminiphyllin to be administered I.V. every 8 hours mixed with 100ml of saline(use 0,9% NaCl solution), Urbason 40mg every 8 hours, Sabax 30mg twice a day, along side the ongoing neurological and cardiological therapy. Administer 8.4% HCO3.
During the previous examinations (done by a cardiologist and a pulmologist), the parient was intubated and a thick, bloody secretion was aspirated through the tube. Mechanical ventilation of the patient was applied.
Order a bacteriological smear of the aspirate. Gastroenterology consult is advised.
A pulmologist follow-up to be requested by the attending physicion.
Working diagnosis: Aortic aneurysm? , High blood pressure, Secondary anemia, Chronic renal failure, Chronic decompensated cardiomyopathy(heart failure)
Ultrasound of the abdomen
Report/findings:
The liver is within normal physiological proportions, the ultrasound reveals it ti be of homogenous structure, without amy focal changes. Gallblader has an icreased volume, without any gallstones.
Both kidneys present with significantly reduced, and hyperechogenic parenchyma, with reduced owerall measurements. In the upper section of the right kidney a cyst 33mm in diameter is visible, and a 4cm wide cyst and a calculus 11mm in diameter could bee seen on the left kidney.
The spleen shows no signs of enlargement. I had trouble visualizing the pancreas.
There is no liquid in the abdominal cavity.
Urinary bladder is empty.
Report/findings:
Cardiologist`s report
The patient is tachypneic, ortopnoic, dispneic, B.P.= 160/80 mm Hg
Auscultation of the lungs reveals breathing crackles that can be heard all the way up to the scapular spines. Hearth action is arrhythmic, with atrial fibrillation, heart tones are clear, no murmurs could be heard. Palpation of the abdomen shows it to be soft, without palpatory tenderness. There are no peripheral edemas.
ECG findings: atrial fibrillation, ventricular frequency approximately 90 bpm, sporadic VES(ventricular extrasystoles), rS pattern in the inferior leads and the precordial leads, no signs of ST elevation, negative T wave in D1 and aVL leads. There is no progression of changes, compared to the previous ECG exams.
Diagnosis: Pulmonary edema, Terminal stages of renal insufficiency
Therapy: Morphine 1-2mg I.V., nitroglycerine drip (doses should be adjusted according to the blood pressure).
I recommend that the patient should be transferred to the intensive care unit for the internal medicine patients.
Following the improvement of the patients overall condition, the patient should be subjected to an echocardiographic exam.
Working diagnosis: Terminal stages of renal insufficiency, Haemodialysis – following the placement of the central venous catheter, Status post implantationem pace-maker (A pace-maker is in place)
Radiographic exam: radiography of the heart and lungs
Report/findings:
Radiography of the heart and lungs, AP (front-back) direction, the patient is lying:
There are no infiltrations in the lungs. Pulmonary vascular pattern is emphasized bilaterally.
There is no pleural effusion.
The base of the heart is widened, aorta is dilated and calcified.
Serbian to English: Anaesthesiologist General field: Medical Detailed field: Medical (general)
Source text - Serbian ZAHTEV ZA KONSULTATIVNI/DIJAGNOSTICKI PREGLED
Br.sobe:
ODELJENJE: KARDIOLOGIJA
Matični broj ist. bol.:
I ME I PREZIME
Adresa: >
JMBG:
Sifra osiguranja.
Reg. broj: Filijala.:
. Godina rodjenja Pol:
_ Nosilac osiguranja:
Br.zdrav.knj. Vid.:
POZIVASE: ANESTEZIOLOG
RADNADg.: Insuff. renuum terminalis chr. gr. V N18
RADIOGRAFIJE/SKOPUE: MOLIM VAŠU KONSULTAIJU RADI PLASIRANJA DVOLUMINALNOG CVK.
STEPEN HITNOSTI:
1. HITNO
2.U TOKU DANA
3. U TOKU 36 SATI
Vreme dolaska konsultanta:
IZVEŠTAJ/NALAZ
Plasiran i pozicioniran dvolumenski CVK u v.subclaviu dex.
AMBULANTA Br protokoki.
ZAHTEV ZA KONSULTATIVNI / DIJAGNOSTIČKI PREGLED
Br.sobe:
ODELJENJE: KARDIOLOGIJA
Maticni broj ist. Dol.
IME I PREZIME
Adresa; JMBG:
Sifra osiguranja.:
Reg.br* Filijala.:
Godina rodjenja - Pol.
, Nosilac osiguranja:
Br zdrav.knj. Vid.;
STEPEN HITNOSTI:
1. HITNO
2. U TOKU DANA
3. U TOKU 36 SATI Vreme dolaska konsultanta:
DOKTOR KONTAKTIRAN:
1. LICNO
2. PREKO MED.SESTRE
3.DOSTAVLJENJEM ZAHTEVA Vreme dostavljanja nalaza: Lekar:
IZVEŠTAJ/NALAZ
Nefrološka konsultacija: j
Imajući u vudu azotne materije i Elektroliti, neophodno je Plasirati dvovolumenski CVK a nakon čega bolesniku
Dijalizirati. :
ZAHTEV ZA KONSULTATIVNI / DIJAGNOSTIČKI PREGLED
AMBULANT A: _ Br.protokola; IME I PREZIME
Adresa; JMBG,
Šifra osiguranja..
POZIVA SE: nefrologa
STEPEN HITNOSTI:
1. HITNO
2. U TOKU DANA
3. U TOKU 36 SATI Vreme dolaska konsultanta
DOKTOR KONTAKTIRAN:
1.LIČNO
2. PREKO MED.SESTRE
3. DOSTAVLJANJEM ZAHTEVA Vreme dostavljanja nalaza:
Lekar:
IZVEŠTAJ/NALAZ
Bolesnik primljen u KJ zbog produženog ang.bola. Pre 2 dana plasiran pejsmeker zbog AV bloka. na B. Kosi.
Za bubrežnu slabost zna unazad nekoliko godina. Poslednje vrednosti azota od 25.8. urea 22 Cr 485 Hb 104
a prethodno oko 600. Kalijum 5,6 . Nema otoke. Nije dekompenzovan. Dehidriran. jezik suv. Diše ubrzano.
Diureza od jutros nihil, TA 130/80, Nema otoke, Žali se na bolove u grudima. !
U sadašnjim nalazima: Hb 93 Kalijum 5,6 Na 137 Urea 36 Kreatinin 841
Dg: HTA, Nephroangioscl. Insuff renum chr. gr IV Anaemia sec, kardiol.Dg.
TH: Rehidracija 1500 ml. tokom dana parenteralno (NaCI 0,9% ), per os koliko može , kontrola diureze. Sol.
NaHC03 8,4% 60 ml. iv lagano. Kontrola diureze. Kontrola azotnih materija, elektrolita i gasnih analiza
03.09,2012. Konsultacija nefrologa ukoliko ne promokri.
Leva pretkomora i mitralna valvula:
LP je dilatirana. MV normalnog izgleda, kuspisi dobre pokretljivosti, normalne Vmax i profil protoka, MR 2 ,
Leva komora:
LK je normalnih dimenzija, akinezija bazalne ½ inferoposteriornog zida, snižene globalne sistolne funkcije.
Perikard;
Bez prisustva perikardnog izliva.
Aorta i aortna valvula:
Aorta je normalnih dimenzija i izgleda. Aortna valvula je trolisna, kuspisi degenerativno izmenenjeni očuvane separacije, Vmax 2,7 m/sec.
Desna pretkomora i trikuspidna valvula: DP i TV bez patoloških promena, trag TR
Desna komora:
Desna komora normalnih dimenzija i funkcije
Plućna arterija I plućna valvula:
PA i PV bez patoloških promena.
Zaključak:
Asinergija ieve komore
Blaga MR
Blaga aortna stenoza
Dg: Ehokardiografski pregled R93.1
URGENTNI EHOKARDIOGRAFSKI PREGLED
Datum: pregleda;
Ime:* '
Prezime;
Broj protokola;
JMBG
Šifra usluge:
Indjkacija za urgentni ehokardiografski pregled: Bol u grudima
Nalaz:
Preliminarni eho pregled, rađen u krevetu, otežana vizuelizacija.
EF;LK 45%, akinezija inferoposteriornog zida.
Vizuelizovani početni deo asc. aorte, luk i početni deo desc. aorte bez znakova disekcije.
Dg:: Ehokardiografski pregled R93.1
Translation - English Anaesthesiologist
Terminal stages of chronic renal insufficiency grade V N18(ICD)
Anesthesiologist’s consult is required for the purpose of placing a dual lumen central venous catheter
Report/findings:
A dual lumen catheter, serving as a central venous catheter was inserted and put into place, within the right subclavian vein.
Nephrologist
Working diagnosis: Chronic renal insufficiency
Report/findings:
Nephrological consult:
Taking into account blood levels of urea, creatinine and blood electrolytes, it is necessary that a dual lumen central venous catheter is put into place. After that the patient should undergo dialysis.
Nephrologist
Working diagnosis: Chronic renal insufficiency
Report/findings:
The patient was admitted to the coronary intensive care unit, because of a prolonged anginal pain. Two days ago, a pace-maker was put in place due to the AV(atrio-ventricular) blockage by doctors in the hospital on B.Kosa. Patient has been aware of his kidney failure for the past several years. Most recent laboratory results were N(nitrogen) = 25.8 , urea = 22 , creatinine = 485, previously was measured around 600, Hb (hemoglobin) = 104 , K(potassium) = 5.6 . The patient displays no peripheral edemas. No signs of decompensation. The patient is dehydrated, his tongue is dry. Breathes rapidly. No urine was produced since this morning. B.P. = 130/80. No edemas. The patient complains of chest pains.
Present laboratory results: Hb(haemoglobin) = 93 , K(potassium) = 5.6 , Na(sodium) = 137 , urea = 36 , creatinine = 841
Diagnosis: High blood pressure, Nephroangiosclerosis, Chronic renal insufficiency grade IV, Secondary anemia and also those diagnosis pertaining to the patient’s cardiological conditions.
Therapy: rehidration with 1500 ml of I.V. saline (use 0,9% NaCl solution) in the course of one day, adding as much oral rehydration as possible, and controlling subsequential excretion of urine. Also apply 60ml of 8.4% solution of NaHCO3 (sodium bicarbonate) in a slow drip. Follow the production and excretion of urine. Laboratory tests for urea, creatinine, electrolytes and blood gases should be repeated on August 3rd 2012. A nephrologist should be consulted in case that the patient does not start to urinate.
The patient is here for his scheduled nephrological follow up, referred to us by the clinic.
On physical examination: cardiopulmonary compensated, B.P. = 150/80 mm Hg.
Laboratory (blood work) results: sedimentation rate 100/110, bleeding time 160, clotting time 400, INR (international normalized ratio) 1.275,
Hgb (hemoglobin) 104, RBC (red blood cells) 2.94, Hct (hematocrit) 30.8, PLT (platelets) 114, WBC (white blood cells) 3.4
Glycemia 6.3 , Total protein 69 , Albumin 34, Triglyceride 1.4 , Cholesterol 3.6 , K(potassium) 5.6 , Na(sodium) 142 , total Ca(calcium) 2.06 , Cl(chlorine) 102 , P(phosphorus) 1.86 , Blood iron 13.1 , AST(aspartate transaminase) 13 , ALT(alanine aminotransferase) 10 , Gamma GT 15 , Alkaline phosphatase 128 , CK(creatine kinase) 40, urea 22.8 , creatinine 485 , Uric acid 470.
Radiography of the heart and lungs: pulmonary vascular pattern is emphasized bilaterally, predominantly on the right side. Costophrenic angles are clear. Heart is showing signs of myopathy, and the aorta is widened.
Blood Type: An Rh (D): positive
There is a controlled chronic kidney failure, with secondary anemia adequately managed with ESA (erythropoiesis supplementing agent or EPO) therapy.
Therapy: ongoing
Echocardiography report
Left atrium
Front to back diameter: 47mm
Aorta
Root of the aorta: 32mm
Left ventricle
Proportions: EDD(End-diastolic left ventricular diameter) 50mm, ZZ(Posterior wall end-diastolic thickness) 10mm
Functional measurements: EF (Ejection fraction) 40%
Left atrium and the mitral valve:
Left atrium is dilated. Mitral valve looks sound; the cusps have sufficient mobility. Vmax and flow profile are normal, MR (mitral regurgitation) 2 .
Left ventricle:
Left ventricle is within normal physiological proportions, basal half of the lower inferior wall is akinetic, and with decreased overall systolic function.
Pericardium:
There is no pericardial effusion.
Aorta and the aortic valve:
Aorta is within normal physiological proportions and appearance. Aortic valve has 3 cusps, all of which show degeneration, adequate separation of the cusps, Vmax 2.7m/sec.
Right atrium and the tricuspid valve:
No pathological changes were detected. There is a hint of tricuspid regurgitation.
Right ventricle:
Right ventricle is within normal physiological proportions and has a normal function.
Pulmonary artery and the pulmonary valve:
No pathological changes were detected.
Conclusion:
Left ventricular asynergy.
Mild mitral regurgitation.
Mild aortic stenosis.
The examination is indicated because:
The patient has chest pains
Find:
A preliminary echosonography, performed with the patient lying in bed, while having difficulty visualizing each heart segment.
EF (ejection fraction) of the left ventricle 45%, lower inferior wall of the left ventricle is akinetic.
Visualiyed portions of the ascending aorta, aortal arch, and the begining of the descending aorta show no signs of dissection.
Bosnian to English: Pathology General field: Medical Detailed field: Medical (general)
Source text - Bosnian
Makroskopski nalaz: Primljeni bioptički materijal je partikula tkiva, promjera 5x4 mm, primljena za hitnu biopsiju, pregledana intraoperativno, bez mogućnosti decidne dijagnoze. Naknadno je dostavljena još jedna pitna partikula tkiva, dimenzija 4x3 mm, ali također bez mogućnosti decidne dijagnoze. Ukupno 2 parafinska bloka. Opis: Mikroskopski, u preparatu 1 vidi se na površini zadebljali višeslojni pločasti epitei, bez signifikatne atipije stanica sa fokalno vidljivim uvratlma epitela prema lamini propriji; subepltelno vidi se nešto gustog upalnog infiltrata.
U drugoj partikuli vidi se nešto regularnog epitela na površini (CK ), a subepitelno umnoženo vezivo, prožeto obiljem krvnih žila I gustim, mješovitim upalnim infiltratom.
Makroskopski nalaz : Primljeni bioptički materijal je više sitnih partikula tkiva (sadržaj desnog maksilarnog sinusa), primljenih za hitnu blopsiju, koje se pregledaju intraoperativno i riješe kao „benigno, bez vidljivog tumora". Ostatak isječaka se ukalupi u 1 parafinski blok. Opis: Mikroskopski, ni u trajno dobijenim rezovima se ne uoči tumorskog tkiva. Na površini partikula vidi se višeredan cilindrični epitet, a stroma edematozna I prožeta gustim hronlčnlm upalnim inflltratom. Vide se također i sitni fragmenti kosti, urednog izgleda.
Makroskopski nalaz: Primljeni bioptički material su sitni fragmenti tkiva, promjera 8x8mm do 17x12mm, sivkasto bijeličaste bije, žilavije konzistencije.
Materijal se ulozi u 1 parafinski blok.
Opis: Mikroskopski, vide se identične promijene kao u biopsiji 6960/2012., KCUS. Vide se također i fragmenti kosti bez patoloških promijena.
Translation - English Macroscopic findings: Bioptic material that we received was a tissue particle, 5x4 mm in diameter, accepted for urgent processing, examined during surgery without reaching an undoubtable (determinate, definitive) diagnosis.
Subsequently, we received another small tissue particle, 4x3 mm in diameter, but there also was no definitive diagnosis.
A total of two paraffin blocks were made.
Description: A microscopic examination of the first specimen shows thickening of the stratified squamous epithelium, without any significant cell atypia, with some visible localized inward folding of the epithelium, towards lamina propria; some thick inflammatory infiltrate could be seen below the epithelium.
In the other tissue particle, some intact epithelium could be seen on the surface (CK ), and a proliferation of the connective tissue, imbued with a multitude of blood vessels and a thick, mixed inflammatory infiltrate.
Macroscopic findings: Bioptic material that we received consisted of several small tissue particles (content of the right maxillary sinus), accepted for urgent processing, examined during the surgery, and determined to be „ benign, with no visible signs of tumor“ . The rest of the section was moulded into one paraffin block.
Description: A microscopic examination of the permanently stained slices did not show us any tumorous tissue. On the surface of the particle a stratified columnar epithelium could be seen, and the stroma is oedematous and imbued with thick chronic inflammatory infiltrate. Some small bone fragments could also be visualized, having sound appearance.
Macroscopic findings: Bioptic material that we received presents as small tissue particles between 8x8 and 17x12 mm in diameter, grayish/whitish in colour, of rigid consistency. This material was embedded in one paraffin block.
Description: A microscopic examination has shown the changes in the tissue to be identical to those detected after the biopsy marked as 6960/2012., KCUS. Bone fragments could also be visualized, displaying no pathological changes.
English to Serbian: Microwave food processing - a review PART I General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English Accepted Manuscript
Microwave food processing - a review
PII: DOI:
Reference:
To appear in:
Received date: Accepted date:
S. Chandrasekaran, S. Ramanathan, Tanmay Basak
S0963-9969(13)00138-5
doi: 10.1016/j.foodres.2013.02.033
FRIN 4527
Food Research International 10 September 2012
21 February 2013
FOOD RESEARCH INTERNATIONAL
I
Please cite this article as: Chandrasekaran, S., Ramanathan, S. & Basak, T., Microwave food processing - a review, Food Research International (2013), doi: 10.1016/j.foodres.2013.02.033
This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.
Microwave food processing - a review
S. Chandrasekaran, S. Ramanathan and Tanmay Basak Department of Chemical Engineering,
Indian Institute of Technology Madras, £y
Chennai 600 036
India.
Abstract
Microwave heating has vast applications in the field of food processing such as cooking, drying, pasteurization and preservation of food materials. In this article, various applications of microwave food processing such as microwave cooking, microwave pasteurization and microwave assisted drying were extensively reviewed. The advantages and the factors affecting the microwave cooking of food materials have been reviewed. Microwave pasteurization of fresh juices, milk and various food products has been elaborately discussed. Microwave pasteurization has the ability to achieve destruction of microorganisms at temperatures lesser than that of conventional pasteurization due to significant enhancement or magnification of thermal effects. Applications of microwave drying include microwave assisted hot air drying, microwave vacuum drying and microwave freeze drying. Microwave drying combined with other conventional drying enhances the drying characteristics of sole effect of microwave drying. Modeling of microwave heating of food materials based on Maxwell's equations and Lambert's law equations have been reviewed along with their applications. Microwave modeling can be used to predict the temperature and moisture distributions during microwave heating of food materials. The factors affecting the dielectric property of food material and the applications of dielectric property measurements were also discussed. Various solution strategies to overcome non-uniform temperature distribution during microwave heating of food materials were proposed. It is required to obtain better end product qualities of food materials by conducting more research at pilot scale levels. It is also necessary to eliminate hot spots or non-uniform temperature distribution during microwave heating of food materials. Keywords: microwave heating, drying, pasteurization, cooking, modeling
1. Introduction
Microwave heating has vast applications in the field of food processing over a period of several decades. The applications of microwave heating in food processing include drying, pasteurization, sterilization, thawing, tempering, baking of food materials etc. [Metaxas and Meredith, 1983, Gupta and Wong, 2007]. Microwave heating has gained popularity in food processing due to its ability to achieve high heating rates, significant reduction in cooking time, more uniform heating, safe handling, ease of operation and low maintenance [Salazar-Gonzalez et al., 2011, Zhang et al., 2006]. Moreover, microwave heating might change flavor and nutritional qualities of food in a lesser extent as opposed to conventional heating during cooking or reheating process [Vadivambal and Jayas, 2010].
Microwaves are electromagnetic waves whose frequency varies within 300 MHz to 300 GHz. Domestic microwave appliances operate generally at a frequency of 2.45 GHz, while industrial microwave systems operate at frequencies of 915 MHz and 2.45 GHz [Datta and Anantheswaran, 2000]. This review article is divided into the following sections. 2. Dielectric properties of the food materials, its measurement techniques and applications, 3. Microwave cooking, 4. Microwave drying, 5. Microwave pasteurization and sterilization and 6. Modeling of microwave-food interactions. This review focuses on latest developments and the current status of research on microwave food processing and outlines the directions for future research.
1.1 Microwave heating mechanism
Microwave heating is caused by the ability of the materials to absorb microwave energy and convert it into heat. Microwave heating of food materials mainly occurs due to dipolar and ionic mechanisms. Presence of moisture or water causes dielectric heating due to dipolar nature of water. When an oscillating electric field is incident on the water molecules, the permanently polarized dipolar molecules try to realign in the direction of the electric field.
Due to high frequency electric field, this realignment occurs at million times per second and causes internal friction of molecules resulting in the volumetric heating of the material. Microwave heating might also occur due to the oscillatory migration of ions in the food which generates heat in presence of high frequency oscillating electric field [Datta and Davidson, 2000]. There are many factors which affect the microwave heating and its heat distribution and the most important of them are the dielectric properties and penetration depth.
2. Dielectric properties
The ability of a material to convert microwave to heat can be understood by knowing
its dielectric properties. The real part of dielectric property, termed as dielectric constant,
signifies the ability to store electric energy and the imaginary part of dielectric property,
termed as dielectric loss, signifies the ability and convert electric energy into heat,
*'j", (1)
where ' and " are dielectric constant and dielectric loss respectively and .
. The ratio of dielectric loss to dielectric constant is given by loss tangent and is expressed as,
(2)
where K' and K" are relative dielectric constant and relative dielectric loss respectively, which are given as ''/0 i " "/0. Here, 0 is the permittivity of free space (0= 8.854 x 10-12 F/m). The dielectric properties are mainly affected by the operating temperature and the microwave frequency used. Based on the microwave absorption, materials are classified into (I) absorbers or high dielectric loss materials which are strong absorbers of microwave (II) transparent or low dielectric loss materials where microwave passes through the material with little attenuation and (III) opaque or conductors which reflect the microwaves. Hence, a knowledge of dielectric properties is necessary to differentiate the materials into the above three categories.
The power penetration depth (Dp) is defined as the distance at which the power density drops to a value of 1/e from its value at the surface and is expressed as [Metaxas and Meredith, 1983],
(3)
where c is the velocity of light given as , ω is the angular frequency and μ0 is
the permeability of free space (μ0 = 4π x 10-7 H/m).
(3) is applicable for food materials which are non-magnetic (μr = 1) in nature. The power which varies with the square of electric field is given as,
, where E is the electric field intensity. Apart from the dielectric properties and the penetration depth, other factors which affect microwave food processing are microwave oven design (oven size and geometry), microwave frequency, placement of food material inside the oven, moisture content, density, composition, load, shape and the size of food materials [Icier and Baysal, 2004a]. In general, amount of moisture or water content in a food material plays a deciding factor in determining the dielectric properties of the food material, since water is a good absorber of microwaves.
2.1 Factors affecting dielectric properties of food materials
Microwaves are not absorbed by the material due to its electronic or atomic polarization , however, they might be absorbed owing to its dipole or ionic polarization. Dipole polarization is significant at frequencies above 1 GHz while ionic losses are predominant at frequencies below 1 GHz [Ryynanen, 1995]. The dielectric constant of pure water decreases slightly with frequency. Similarly, the dielectric loss increases with increasing frequency for moist foods. The dielectric properties of food materials are mainly determined by their chemical composition and to a less extent of physical structure. Generally, food material consists of a mixture of organic material, water and salt. The dielectric loss at a particular frequency increases with the addition of salt. Salt solutions act as conductors in presence of the electromagnetic field, hence decrease in the permittivity and increase in the dielectric loss factor was observed by Icier and Baysal [2004a]. The dielectric property of water varies depending on whether it is in free or bound state. In the presence of an electric field, the polar molecules of water in free state orient more freely than those of bound water. For high water content frozen materials, the dielectric properties might increase with an increase in temperature in the melting zone. During runaway heating of frozen and thawed foods, the warm part gets rapidly heated and at the same time there are still some ice left in the food material and hence poses non-uniformity issues [Ryynanen, 1995]. The dielectric characteristics of the food materials may also vary with their particle size, structure and density of the material. Dielectric properties are also affected by the apparent density of the air-particle mixture of a granular or particulate material [Icier and Baysal, 2004a]. The dielectric properties of food materials such as bread, flour, fruits and vegetables depend mostly on their water content. Although, dielectric constant and dielectric loss values are generally low for fats and oils, an increase in dielectric loss with temperature can also be observed [Icier and Baysal, 2004a].
The variation of dielectric properties with temperature and microwave frequencies was investigated for solutions containing salt, sugar and carboxymethylcellulose (CMC) [Coronel et al., 2005]. Based on the results, it was concluded that CMC does not have any significant effect on the dielectric properties whereas it has an effect on the viscosity. For sugar solutions, dielectric constant increases with the temperature and the sugar concentration. However, the dielectric loss factor decreases with sugar concentration due to non-polar nature of sugar, however it was also found that the dielectric loss factor increases with temperature.
Thus, sugar, salt and CMC can be used to mimic the dielectric properties and rheological properties of the food product to be processed [Coronel et al., 2005]. For natural honey with 18% moisture content, the dielectric loss increases with temperature for frequencies above 1 GHz. The dielectric loss of honey was found to increase with water content at low frequencies due to ionic conduction [Guo et al., 2011]. Boldor and co-workers (2004a) investigated the dielectric properties of in-shell and shelled peanuts at various densities, temperature and moisture content over a frequency range of 300 to 3000 MHz. At microwave frequencies of 915 and 2450 MHz, the dielectric properties were found to be dependent on temperature for low moisture content samples. On the other hand, at higher moisture contents, the dielectric properties were found to be less significant on temperatures [Boldor et al., 2004a].
2.2 Measurement of dielectric properties
The dielectric properties can be measured by various techniques such as lumped circuit, resonator, transmission line and free space method. The lumped circuit method is suitable for frequencies below 100 MHz and not suitable for low loss materials. The cavity resonator technique can be used for frequencies between 50 MHz to 100 GHz. This technique is applicable to high or low temperatures and also for very low loss materials (loss tangent in the range of Transmission line method is generally applicable for liquid and solid materials but not for gases since their permittivity is very low. This method can be applied for frequencies ranging within 30 MHz - 100 GHz. Free space method is used for measuring large, flat, thin and parallel-faced samples and is applied for high frequencies (3 GHz to 100 GHz). This method is non destructive and noncontacting and hence that can be used for measuring at very high temperatures. [Rynnanen, 1995; Icier and Baysal, 2004b].
2.3 Dielectric properties measurements- applications
Nelson and co-workers (1995) assessed the maturity of peaches with the help of microwave permittivity. Fresh peaches of three varieties, Dixired, Redhaven and Windblo were selected based on their different stages of maturity. Dixired variety was the earliest to mature which is followed by Redhaven and finally by Windblo variety. Permittivity values of peaches at 0.2 GHz and 10 GHz are related to various stages of maturity which is also dependent on the variety. Permittivity measurements were carried out using open-ended coaxial line probe and network analyzer. It was found that at 0.2 GHz increase in dielectric constant was observed with maturity whereas the dielectric loss displayed little dependence on different stages of maturity. In contrast, at 10 GHz, dielectric loss was found to increase with maturity whereas the dielectric constant did not show any dependence upon various maturity stages. The various stages of maturity can be distinguished with the help of permittivity maturity index which is defined as the ratio of the loss tangent of a sample at two different frequencies especially at lower range of frequency and higher range of frequency. Similarly, Nelson (2003) carried out permittivity measurements for samples cut from fruits and vegetables (apple, banana, avocado, cantaloupe, carrot, cucumber, grape, orange and potato) over a frequency range of 10 MHz to 1.8 GHz and at various temperatures ranging from 5 °C to 95 °C. The dielectric loss factor was considerably decreased with frequency whereas slight decrease in dielectric constant was observed with frequency. Similarly, the dielectric loss factor was generally found to be increased with temperature. On the other hand, dielectric constant was found to be increased with temperature at lower frequencies whereas that decreased with temperature at higher frequencies. For fruits and vegetables with higher moisture content, the dielectric constant is generally higher over temperature ranges from 5 °C to 95 °C, due to the presence of greater amount of water content in the tissue sample. At low frequencies in the range of 200 MHz to approximately 1-2 GHz, the loss factor is influenced by the ionic conduction mechanism. For frequencies between 1-2 GHz the dielectric mechanism shifts from ionic conduction to dipole polarization and for frequencies above 2 GHz dipolar relaxation mechanism dominates the dielectric loss behavior [McKeown et al., 2012]. It was observed that at low frequencies, carrot showed highest magnitude of permittivity values (dielectric constant and dielectric loss). The dielectric constant value was found to be in the decreasing order of fruits and vegetables: carrot, avocado, cantaloupe, orange, potato, banana, cucumber, grape and finally apple. Similarly, with respect to dielectric loss the decreasing order are: carrot, avocado, banana, grape, cantaloupe, potato, orange, cucumber and apple. Although moisture content did not correlate with the dielectric properties, other factors such as density, tissue structure, nature of water binding to constituents of fruits and vegetables might have affected the dielectric properties
2.4 Microwave dielectric spectroscopy
Microwave dielectric spectroscopy is an emerging technique used to characterize and determine the quality of food products [Bohigas et al., 2008]. This technique is based on the measurement of dielectric properties which can be used to determine the sugar content in yoghurt at various frequencies (1 GHz to 20 GHz). The dielectric constant decreases with the sugar concentration (0 - 15%) in yoghurt. [Bohigas et al., 2008]. Lougovois and co-workers (2003) investigated the freshness quality and remaining storage life of iced gilthead sea bream (Sparus aurata) by sensory evaluation, k1 value, GR Torrymeter (permittivity measurement) and bacterial count. At frozen state, the maximum storage life of the fish can be extended (upto 16 days) owing to the prolonged lag phase of most bacteria. The changes in the dielectric properties of fish skin and fish muscle relate to spoilate rate and hence used as an indicator to determine quality. Since, GR Torrymeter works on the principle of dielectric measurement, Torrymeter values greater than 11 indicate fresh fish whereas value of 6 denote marginal quality by which the fish might have reached a storage life of 16 days.
GR Torrymeter offered fast and reliable method for sensory assessment and the accuracy of determining shelf life period is lesser than that of other quality measurement techniques [Lougovois et al., 2003]. McKeown and co-workers (2012) investigated the moisture prediction in Vidalia onions using dielectric spectroscopy measurements. The measurement of dielectric properties was carried out using open-ended coaxial-line probe and network analyzer over a range of 200 MHz to 20 GHz. It was observed that at all frequencies, dielectric constant was found to increase with moisture content. Meanwhile, dielectric loss exhibited similar behavior at higher frequency ranges. It was found that model predictions incorporating density independent function of the dielectric properties may be used to predict moisture content at higher frequencies [McKeown et al., 2012]. Similarly, the quality of south Atlantic hake (Merluccius capensis) during long term frozen storage can be determined by measuring the dielectric properties of individual fish [Kent et al., 2005]. The dielectric properties were measured in the microwave region using an open ended coaxial sensor and time domain reflectometer. It was observed that the loss of quality was more predominant when the frozen samples stored at -10 °C, moderate loss of quality observed at -20 °C and weaker loss at -30 °C. Hence higher storage temperature led to higher level of deterioration [Kent et al., 2005]. Microwave dielectric spectroscopy was also used to determine the low meat quality of pork in a rapid and non-destructive manner [Castro-Giraldez et al., 2010]. Thus knowledge of dielectric properties are not only used to predict the microwave absorbing capabilities of a food material, it is also used to characterize and determine the quality of food materials.
2.5 Non-uniform temperature distribution
Even though microwave heating is volumetric and hence is more uniform compared to many traditional heating methods, non-uniform temperature distribution is one of the major problems associated with the microwave heating. Due to non-uniform temperature distribution, few regions of the material get heated very rapidly, whereas the remaining region gets heated to a lesser extent. Because of uneven temperature distribution, microorganisms are not fully eradicated during microwave pasteurization [Vadivambal and Jayas, 2010]. The significant parameters which can affect the non-uniformity are penetration depth, microwave flux and the duration of microwave heating [Lobo and Datta, 1998].
Microwave pasteurization of ready-to-eat meals shows that the multimode (2450 MHz, 1.5 kW) and single mode tunnel (896 MHz, 7 kW) microwave systems were shown to display different temperature distributions. Temperature distribution was measured by inserting thermocouple probe at the center, at the four corners and at the mid-way along each edge. In multimode tunnel domestic oven, the corners were the hottest, the edges were relatively less hot and the center region exhibited the lowest temperature. In contrast, in the single mode tunnel, the corners were cooler than the edges and overall, a more uniform temperature distribution was observed by Burfoot and co-workers [1988]. In multimode microwave ovens, the use of turntable reduces the non-uniformity in the temperature of food products. Microwave heating of frozen and refrigerated food (lasagna and shepherd's pie) was investigated and it was found that in the absence of a turntable, significant difference in temperature distribution was observed between different regions [Fakhouri and Ramaswamy, 1993]. Microwave heating of liquid (water, sauce), solid (mashed potatoes) and multicomponent food (mashed potato and sauce) were investigated by James and co-workers [2002]. The mean temperatures at hot and cold spot were found to be 83.9 and 61.7 °C, respectively for water whereas for multicomponent food, the hot and cold spots correspond to 91.8 and 36.7 °C, respectively. Thus, the temperature distribution was found to be less uniform for multicomponent food than that of water [James et al., 2002].
The size and shape of the food materials affect the temperature distribution. Three different shapes such as, brick, cylinder and hexagonal prism with three different volumes were studied to determine non-uniform temperature distribution of potato samples [Vilayannur et al., 1998]. For brick shaped samples, the hot spot occurred at the corner whereas the cold spot occurred at the geometric center. For cylinder shaped products, the hot spot occurred at the center whereas for hexagonal prism samples, the hot spot was found to be at the boundary regions. It was also reported that the hexagonal prism shaped products provided more uniform temperature distribution than cylinder or brick shaped products [Vilayannur et al., 1998]. In another study, hot spots were found to be at the center for spherical shaped products whereas for cylindrical products, high temperature was observed at the center as well as at the surface. For cube shaped samples, most of the microwave energy was concentrated at the center [Campanone and Zaritzky, 2005]. Hence, hot spots generally occur at the center than at other regions for slab shaped as well as cylindrical materials.
Pseudofood (3% agar gel) within a cylindrical glass beaker was heated in a 2.45 GHz microwave oven and was shielded by aluminum band of low thickness (0.002 cm) at different spacing and orientation [Ho and Yam, 1992]. The authors concluded that with appropriate shielding, the temperature uniformity can be ensured whereas without shielding the temperature uniformity was poor [Ho and Yam, 1992]. The unevenness of microwave heating can also be caused by the standing wave effect and the rapid decay of microwave [Rattanadecho, 2004]. Non-uniformity due to standing wave can be reduced by using metallic stirrers and turn tables in domestic ovens [Rattanadecho, 2004].
The solutions proposed to decrease non-uniformity in temperature distribution during microwave heating are (i) combining conventional and microwave heating, (ii) controlling the food geometry, (iii) providing shielding using metallic bands at suitable spacing and orientation, (iv) providing suitable microwave oven design, (v) manipulating the heating cycle and (vi) heating with reduced microwave power for long duration [Vadivambal and Jayas, 2010]. Also, the thickness of the food samples can be limited (up to 25 mm) and the thin samples can be stacked together to obtain limited thickness to provide uniform temperature distribution [Ohlsson and Thorsell, 1984]. The above solutions suggested by various researchers are confined to specific conditions and thus cannot be generalized [Vadivambal and Jayas, 2010]. Microwave energy is largely used in the industries for tempering of meat, pasta drying, tempering of frozen foods etc. A major improvement in the temperature distribution might provide a good scope for utilizing microwave for various industrial processes [Vadivambal and Jayas, 2010].
Translation - Serbian
Prerada hrane mikrotalasima – pregled
S. Chandrasekaran, S. Ramanathan i Tanmay Basak*
Odeljenje hemijskog inženjeringa,
Indijski tehnološki institut Madras,
Chennai 600 036
India.
_________________
* Tel: 91 44 2257 4173, Fax: 91 44 2257 0509,
Email: tanmay@iitm.ac.in.
Sažetak
Zagrevanje mikrotalasima ima široku primenu u preradi hrane pri kuvanju, sušenju, pasterizaciji i čuvanju prehrambenog materijala. U ovo radu se opširno govori o različitim primenama prerade hrane mikrotalasima kao što je mikrotalasno kuvanje, mikrotalasna pasterizacija i sušenje hrahe uz pomoć mikrotalasa. Govori se o prednostima i faktorima koji utiču na mikrotalasno kuvanje prehrambenih materijala. Detaljno smo objašnjavali problematiku mikrotalasne pasterizacije svežih sokova, mleka i različitih prehrambenih proizvoda. Mikrotalasnom pasterizacijom može da se postigne uništavanje mikroorganizama na temperaturama koje su niže od onih koji su obično potrebni za sprovođenje pasterizacije zbog znatnog pojačavanja svih termalnih efekata koje se postiže ovim putem. Primena sušenja pomoću mikrotalasa obuhvata pomoć mikrotalasa pri sušenju vrelim vazduhom, mikrotalasno sušenje u vakumu i mikrotalasno sušenje pri smrzavanju. Kombinovanje konvencionalnih metoda sušenja sa mikrotalasnim sušenjem pojačava efekte sušenja koje imaju sami mikrotalasi. Modeliranje mikrotalsnog sušenja po Maksvelovoj jednačini i jednačini Lambertovog zakona, razmatrani su zajedno sa njihovom primenom. Mikrotalasno modelovanje može se koristiti da se predvidi distribucija temperature i vlažnosti tokom mikrotalasnog grejanja prehrambeniih materijala. Takođe smo govorili o faktorima koji utiču na dielektrična svojstva prehrambenih materijala, kao i o primeni merenja dielektričnih svojstava materijala. Predloženo je više različitih strategija koje mogu da se koriste za prevazilaženje problema neravnomerne distribucije temperature, tokom mikrotalsnog zagrevanja prehrambenog materijala. Potrebno je sprovoditi više pilot-istraživanja, sa ciljem da se dođe do kvalitetnijeg finalnog proizvoda, pri preradi prehrambenih materijala mikrotalasima. Neophodno je takođe eliminisati tačke pregrevanja(hot spots) , odnosno neravnomernu distribuciju temperature, tokom mikrotalsnog zagrevanja prehrambenih materijala.
Ključne reči : mikrotalasno zagrevanje, sušenje, pasterizacija, kuvanje, modelovanje
1. Uvod
Zagrevanja hrane pomoću mikrotalasa ima široku primenu na polju prerade hrane tokom poslednjih nekoliko decenija. Primena zgrevanja pomoću mikrotalasa pri preradi hrane obuhvata pasterizaciju, sterilizaciju, odmrzavanje, temperovanje i pečenje prehrambenih materijala itd.(Metaxas and Meredith, 1983, Gupta and Wong, 2007). Zagrevanje pomoću mikrotalasa pri preradi hrane, svoju popularnost duguje mogućnosti brzog postizanja željenih temperatura, značajnom skraćenju vremena kuvanja, ravnomernjem zagrevanju, bezbednom rukovanju hranom, jednostavnom rukovanju opremom i niskim troškovima održavanja (Salazar-Gonzalez et al., 2011, Zhang et al., 2006). Štaviše, zagrevanje pomoću mikrotalasa može da u manjoj meri da promeni ukus i hranljiva svojstva hrane, u odnosu na konvencionalno zagrevanje prilikom kuvanja ili zagrevanja hrane (Vadivambal and Jayas, 2010).
Mikrotalasi su elektromagnetni talasi, frekvencije između 300MHz i 300GHz. Kućni mikrotalasni aparati koriste mikrotalase frekvencije 2.45 GHz, dok industrijski mikrotalasni sistemi rade na frekvencijama od 915 MHz do 2.45 GHz (Datta
and Anantheswaran, 2000). Ovaj pregledni naučni rad podeljen je na sledeće odeljke: 2. Dielektrična svojstva prehrambenih materijala, tehnike njihovog merenja i primena, 3. Mikrotalasno kuvanje, 4. Mikrotalasno sušenje, 5. Mikrotalasna pasterizacija i sterilizacija i 6. Modelovanje interakcija između mikrotalasa i hrane. U ovom pregledu smo usredsređeni na najnovija saznanja i trenutni status istraživanja prerade hrane mikrotalasima, sa posebnim osvrtom na smer u kome bi trebalo da se kreću buduća istraživanja.
1.1 Mehanizam zagrevanja pomoću mikrotalasa
Zagrevanje delovanjem mikrotalasa je uzrokovano sposobnošću materijala da apsorbuju energiju mikrotalasa i pretvore je u toplotu. Mikrotalasno zagrevanje prehrambenih materijala nastaje, pre svega, usled dipolarnih i jonskih mehanizama. Prisustvo vlage ili vode izaziva dielektrično zagrevanje zbog dipolarne prirode vode. Kada se molekuli vode podvrgnu delovanju oscilujućeg električnog polja, trajno polarizovani dipolarni molekuli pokušavaju da se prerasporede u pravcu delovanja električnog polja. Zbog visoke frekvencije električnog polja, ova preraspodela se odvija milionima puta u sekundi i dovodi do unutrašnjeg trenja među molekulima, što za posledicu ima volumetričko zagrevanje materijala. Mikrotalasno zagrevanje može takođe da se dogodi usled stvaranja toplote zbog oscilatorne migracije jona u hrani, uvedenih u oscilujuće električno polje visoke frekvencije (Datta and Davidson, 2000.). Postoje mnogi faktori koji utiču na zagrevanje pomoću mikrotalasa i raspodelu toplote, a najvažnija među njima su dielektrična svojstva i dubina prodiranja mikrotalasa.
2. Dielektrična svojstva
Sposobnost materijala da pretvara mikrotalase u toplotu možemo da spoznamo kroz upoznavanje sa dielektričnim svojstvima materijala. Realni deo dielektričnih svojstava, označen kao dielektrična konstanta, označava sposobnost skladištenja električne energije i imaginarni deo dielektričnih svojstava, označen kao dielektrični gubitak, označava sposobnost i pretvaranje električne energije u toplotu,
*'j", (1)
gde je ' dielektrična konstanta, a " dielektrični gubitak, dok je
.
Odnos u kome stoje dielektrični gubitak i dielektrična konstanta, predstavljen je tangentom gubitka, koja se izražava kao:
,
pri čemu je ' relativna dielektrična konstanta, a " relativni dielektrični gubitak, koji su izraženi kao ''/0 i " "/0. Ovde je 0 permitivnost praznog prostora (0=
8.854 x 10-12 F/m). Na dielektrična svojstva najviše utiču radna temperature i frekvencija mikrotalasa koji se koriste. Na osnovu absorpcije mikrotalasa, materijali su klasifikovani u (I) apsorbere ili materijale sa velikim dielektričnim gubitkom, koji dobro apsorbuju mikrotalase, (II) transparentne materijale ili materijale koji imaju nisku vrednost dielektričnog gubitka, kroz koje mikrotalasi prolaze sa malo gubitaka i (III) nepropusni ili reflektorni materijali koji odbijaju mikrotalase. Dakle, poznavanje dielektričnih svojstava je neophodno da bi se materijali diferencirali u navedene tri kategorije.
Dubina prodiranja snage (Dp) je definisan kao distanca na kojoj gustina snage opada do vrednosti od 1/e , u odnosu na vrednost koju ima na površini materijala i izražava se kao [Metaxas and Meredith, 1983],
,gde je c brzina svetlosti predstavljena kao
,
ω je ugaona frekvencija i μ0 je permeabilnost praznog prostora (μ0 = 4π x 10-7 H/m). Jednačina (3) je primenljiva na prehrambene materijale koji nemaju magnetnu prirodu (μr = 1). Snaga, koja zavisi od kvadrata električnog polja predstavljena je kao,
, pri čemu je E intenzitet električnog polja. Ako izuzmemo dielektrična svojstva materijala i dubinu prodiranja, drugi faktori koji utiču na preradu hrane mikrotalasima su dizajn mikrotalasne peći (veličina i gometrijska svojstva), frekvencija mikrotalasa, način smeštanja prehrambenih materijala u peć, sadržaj vlage, gustina, sastav, količina, oblik i proporcije prehrambenog materijala (Icier and Baysal, 2004a). Uopšteno govoreći, sadržaj vlage ili vode u prehrambenom materijalu, predstavlja odlučujući faktor koji determiniše dielektrična svojstva materijala, obzirom da je voda dobar apsorber mikrotalasa.
2.1 Faktori koji utiču na dielektrična svojstva prehrambenih materijala
Materijali ne apsorbuju mikrotalase zahvaljujući njihovoj elektronskoj ili atomskoj polariozaciji, ali bi uizrok njihove apsorpcije mogao da leži u dipolarnoj ili jonskoj polarizaciji materijala. Polarizacija dipola je važna pri frekvencijama iznad 1 GHz, dok dielektrični gubitak predominira pri frekvencijama ispod 1 GHz (Ryynanen, 1995). Dielektrična konstanta čiste vode opada blago, sa porastom frekvencije mikrotalasa. Slično tome, dielektriči gubitak raste sa porastom frekvencije kod većine vrsta hrane. Dielektrična svojstva prehrambenih materijala su pre svega određena hemijskim sastavom i, u nešto manjoj meri, fizičkom strukturom materijala. Uopšteno uzevši, prehrambeni materijali se sastoje od mešavine organskih materijala, vode i soli. Dielektrični gubitak na zadatoj frekvenciji mikrotalasa raste sa dodavanjem soli. Slani rastvori deluju kao provodnici u elektromagnetnom polju, pa su Icier and Baysal (2004a) primetili opadanje permitivnosti i porast faktora dielektričnog gubitka. Dielektrična svojstva vode zavise od toga da li je voda u slobodnom ili vezanom obliku. Pod dejstvom električnog polja polarizovani molekulu vode koji su u slobodnom stanju, slobodnije se usmeravaju od onih koji su u vezanom obliku. Kod smrznutih materijala sa visokim sadržajem vode, dielektrična svojstva mogu da se poboljšavaju sa porastom temperature u zoni otapanja. Prilikom nekontrolisanog zagrevanja zaleđene ili odmrznute hrane, topli delovi se ubrzano zagrevaju, a u isto vreme u prehrambenom materijalu ima još rezidualnog leda, što predstavlja problem jer uzrokuje neravnomerno zagrevanje (Ryynanen, 1995). Dielektrična svojstva prehrambenih materijala mogu takođe da se menjaju u zavisnosti od veličine pojedinačne čestice od koje se materijal sastoji, strukture i gustine materijala. Na dielektrična svojstva takođe utiče prividna gustina mešavine vazdušnih čestica, granularnog ili čestičnog materijala (Icier and Baysal, 2004a). Dielektrična svojstva prehrambenih materijala kao što su hleb, brašno, voće i povrće pretežno zavise od sadržaja vode. Iako su vrednosti dielektrične konstante i dielektričnog gubitka kod masti i ulja, uopšteno govoreći, niske, može da se sa porastom temperature primeti rast dielektričnog gubitka (Icier and Baysal, 2004a).
Promena dielektričnih svojstava sa promenom temperature i frekvencije mikrotalasa, ispitivana je kod rastvora koji sadrže so, šećer i karboksi-metil-celulozu (Coronel et al., 2005). Na osnovu rezultata, došlo se do zaključka da karboksi-metil-celuloza nema nikakav značajan uticaj na dielektrična svojstva, dok ima uticaj na viskoznost materijala. Kod šećernih rastvora, dielektrična konstanta raste, kako rastu temperatura i koncentracija šećera. Međutim, dielektrični gubitak opada sa rastom koncentracije šećera, usled nepolarne prirode šećera, ali je sa druge strane primećeno da dielektrični gubitak raste sa porastom temperature. Dakle, šećer, so i karboksi-metil-celuloza mogu da imitiraju dielektrična i reološka svojstva prehrambenih proizvoda koji se prerađuju (Coronel et al., 2005). U slučaju prirodnog meda sa sadržajem vlage od 18%, dielektrični gubitak raste sa porastom temperature za frekvencije iznad 1 GHz. Uočeno je da dielektrični gubitak kod meda raste sa sadržajem vode na niskim frekvencijama mikrotalasa, usled jonskog provođenja [Guo et al., 2011]. Boldor i saradnici (2004a) ispitivali su dielektrična svojstva kikirikija u mahuni i oljuštenog kikirikija, pri različitim gustinama, temperaturama i sadržaju vlage, u rasponu frekvencija od 300 to 3000 MHz. Pri frekvencijama od 915 i 2450 MHz otkriveno je da dielektrična svojstva zavise od temperature kod uzoraka koji imaju nizak sadržaj vlage. Sa druge strane, pri većem sadržaju vlage u uzorcima, temperatura je imala manji uticaj na dielektrična svojstva [Boldor et al. 2004a].
2.2 Merenje dielektričnih svojstava
Dielektrična svojstva mogu se meriti različitim tehnikama kao što su lumped circuit (pupinizacijom, Pupinovim kolom), rezonatorom, metodom predajne linije (fider metoda) i metodom praznog prostora. Metod Pupinovog kola se može primenjivati na frekvencijama nižim od 100 MHz, ali nije odgovarajući za materijale sa malim dielektričnim gubitkom. Tehnika šupljinskog rezonatora može da se koristi na frekvencijama između 50 MHz i 100 GHz. Ova tehnika je primenljiva kako na visokim, tako i na niskim temperaturama, pa i kod materijala sa veoma niskim dielektričnim gubitkom (tangenta dielektričnog gubitka je reda veličine 10-6). Metoda predajne linije se, u principu, primenjuje kod materijala koji su u tečnom ili čvrstom stanju, ali nije primenljiva na gasove, jer je njihova permitivnost veoma niska. Ova metoda može da se primenjuje u rasponu frekvencija mikrotalasa od 30 MHz do 100 GHz. Metoda praznog prostora koristi se za merenje kod uzoraka koji su veliki, ravnih površina, tanki i složeni su tako da su paralelni jedni drugima i može se primenjivati na visokim frekvencijama (3 GHz do 100 GHz). Ova metoda nije invazivna i tokom njenog sprovođenja nije neophodno ostvariti kontakt sa materijalom, što znači da se može koristiti za merenje na visokim temperaturama [Rynnanen, 1995; Icier and Baysal, 2004b].
2.3 Merenje dielektričnih svojstava – primena
Nelson i saradnici (1995) ocenjivali su zrelost breskvi na osnovu mikrotalasne permitivnosti. Sveže breskve koje su pripadale trima sortama Dixired, Redhaven i Windblo odabrane su na zbog njihove različite vegetacije i perioda sazrevanja. Dixired sorta prva sazreva, za njom Redhaven i poslednja zri Windblo. Vrednost permitivnosti breskvi na frekvencijama mikrotalasa 0.2 GHz i 10 GHz, povezana je sa različitim stadijumima zrelosti breskvi što takođe zavisi i od sorte breskve. Merenje permitivnosti rađeno je korišćenjem koaksijalne sonde otvorenog kola i mrežnog analizatora. Na frekvenciji od 0.2 GHz, primećeno je kako vrednost dielektrične konstante raste sa porastom zrelosti breskvi, dok dielektrični gubitak nije u značajnoj meri zavisio od različitih stadijuma zrelosti. Nasuprot tome pri vrednosti mikrotalasa od 10 GHz, primećeno je da dielektrični gubitak raste sa stepenom zrelosti breskvi, dok dielektrična konstanta nije u značajnoj meri zavisila od različitih stadijuma sazrevanja. Različiti stadijumi zrelosti mogu se razlikovati uz pomoć zrelost-permitivnost indeksa, koji se definiše kao odnos tangente dielektričnog gubitka uzorka na dve različite frekvencije, pre svega na najnižim i najvišim vrednostima frekvencija iz zadatog opsega. Slično ovome Nelson je (2003) sproveo merenje permitivnosti za uzorke voća i povrća(jabuka , banana, avokado, dinja, šargarepa, krastavac, grožđe, pomorandža i krompir) u rasponu frekvencija mikrotalasa od 10 MHz do 1.8 GHz, i na različitim temperaturama, u rasponu od 5 ºC do 95 ºC. Faktor dielektričnog gubitka je u značajnoj meri opadao sa porastom frekvencije, dok je sa druge strane, primećeno blago opadanje vrednosti dielektrične konstante sa porastom frekvencije mikrotalasa. Slično tome, primećeno je da vrednost faktora dielektričnog gubitka, uopšteno govoreći, raste sa porastom temperature. Sa druge strane, otkriveno je da dielektrična konstanta raste sa porastom temperature na niskim frekvencijama mikrotalasa, dok opada sa porastom temperature na višim frekvencijama mikrotalasa. Kod voća i povrća da većim sadržajem vlage, dielektrična konstanta je uopšteno govoreći, veća u rasponu temperature od 5ºC do 95 ºC, zbog prisustva veće količine vode u uzorcima biljnog tkiva. Na niskim vrednostima mikrotalasa u rasponu od 200 MHz do približno 1-2 GHz, na faktor dielektričnog gubitka utiču jonski provodni mehanizmi. Na frekvencijama 1-2 GHz mehanizam delovanja mikrotalasa na dielektričnu supstancu prelazi sa principa jonske provodljivosti na princip polarizacije dipola, dok za frekvencije iznad 2 GHz, na dielektrični gubitak u supstanci predominantno utiče mehanizam dipolarne relaksacije [McKeown et al., 2012]. Primećeno je da na niskim frekvencijama mikrotalasa, šargarepa ima najviše vrednosti permitivnosti(dielektrične konstante i dielektričnog gubitka). Vrednost dielektrične konstante kod razmatranog voća i povrća opada sledećim redom: šargarepa, avokado, dinja, pomorandža, krompir , banana, krastavac, grožđe i na samom kraju jabuka. Slično tome, poređali smo ovo voće i povrće prema opadanju vrednosti dielektričnog gubitka: šargarepa, avokado, banana, grožđe, dinja, krompir, pomorandža, krastavac i jabuka. Iako sadržaj vlage nije u potpunosti odgovarao dokazanim dielektričnim svojstvima, drugi faktori kao što je gustina biljnog tkiva, njegova struktura, način na koji je voda vezana za sastavne elemente voća i povrća, mogli su da utiču na dielektrična svojstva.
2.4 Mikrotalasna dielektrična spektroskopija
Mikrotalasna dielektrična spektroskopija je nova metoda koja se koristi za utvrđivanje i opisivanje kvaliteta prehrambenih proizvoda [Bohigas et al., 2008]. Ova metoda se zasniva na merenju dielektričnih svojstava i može se koristiti za utvrđivanje sadržaja šećera u jogurtu na različitim frekvencijama (1 GHz do 20 GHz). Dielektrična konstanta opada sa rastom sadržaja šećera (0-15 %) u jogurtu [Bohigas et al., 2008]. Lougovois i saradnici (2003) ispitivali su svežinu i preostalo vreme do isteka roka trajanja jedne vrste morske ribe pod imenom Orada (Sparus aurata), koja je držana na ledu, uz pomoć čulne evaluacije organoleptičkih svojstava, k1 vrednosti, GR torimetra (permitivnosti) i broja bakterija. U smrznutom stanju maksimalni rok trajanja ribe može da se produži (do 16 dana) zahvaljući produžavanju lag-faze za većinu bakterija. Promena dielektričnih svojstava riblje kože i mišića stoje u vezi sa brzinom kojom se riba kvari i zbog toga se koriste kao indikatori za utvrđivanje kvaliteta ribe. Obzirom da GR torimetar radi po principu merenja dielektričnih svojstava, vrednosti dobijene merenjem torimetrom koje su veće od 11 ukazuju da se radi o svežoj ribi, dok vrednost 6 ukazuje na granični kvalitet ribljeg mesa, u kome riblje meso može da se nađe nakon isteka punog roka skladištenja od 16 dana. GR torimetar predstavlja brzu i pouzdanu metodu senzorske procene stanja hrane, ali je tačnost u određivanju preostalog roka trajanja hrane manja nego kod drugih tehnika za merenje kvaliteta [Lougovois et al., 2003]. McKeown i saradnici (2012) ispitivali su predviđeni sadržaj vlage u crnom luku sorte Vidalia, korišćenjem spektroskopskog merenja dielektričnih svojstava. Merenje dielektričnih svojstava je vršeno korišćenjem sonde otvorenog kola i mrežnog analizatora, u rasponu frekvencija od 200 MHz to 20 GHz. Primećeno je da dielektrična konstanta raste sa porastom sadržaja vlage, na svim frekvencijama. Istovremeno, vrednosti dielektričnog gubitka su se menjale na sličan način u višem registru frekvencija. Utvrđeno je da modeli predviđanja koji koriste funkciju dielektričnih svojstava, koja ne zavisi od gustine tkiva, mogu da se koriste za predviđanje sadržaja vlage na višim frekvencijama mikrotalasa (McKeown et al., 2012). Slično tome, kvalitet Južnoatlanskog oslića (Merluccius capensis) tokom dugotrajnog skladištenja u smrznutom stanju, može se odrediti merenjem dielektričnih svojstava svakog pojedinačnog komada ribe [Kent et al., 2005]. Dielektrična svojstva, merena su talasima u frekvencijskom registru mikrotalasa, korišćenjem otvorenog koaksijalnog senzora i reflektometrije u vremenskom domenu. Primećeno je da je pad u kvalitetu najizraženiji u smrznutim uzorcima koji su skladišteni na temperaturi od -10 ºC, umereni pad kvaliteta zabeležen je na uzorcima skladištenim na temperature od -20 ºC, dok je mali pad u kvalitetu zabeležen kod uzoraka skladištenih na -30 ºC. Dakle, viša temperature skladištenja vodila je do većeg stepena propadanja [Kent et al., 2005.]. Mikrotalasna dielektrična spektropskopija je takođe korišćena u otkrivanju mesa niskog kvaliteta kod svinjetine, na brz i neinvazivan način [Castro-Giraldez et al., 2010]. Dakle, poznavanje dielektričnih svojstava ne koristi se samo da bi se predvidela sposobnost apsorbovanja mikrotalasa od strane različitih prehrambenih materijala, već se takođe koristi da bi se opisao i odredio kvalitet prehrambenih materijala.
2.5 Neravnomerna raspodela temperature
Iako je zagrevanje mikrotalasima volumetrijsko i samim tim uniformnije u odnosu na brojne tradicionalne metode zagrevanja, neravnomerna raspodela temperature je jedan od glavnih problema povezanih sa zagrevanjem pomoću mikrotalasa. Zbog neravnomerne raspodele temperature, određeni broj delova prehrambenog materijala se veoma brzo zagreje, dok se ostali delovi manje ugreju. Zbog neravnomerne raspodele temperature mikroorganizmi ne bivaju eradicirani u potpunosti tokom mikrotalasne pasterizacije [Vadivambal and Jayas, 2010]. Parametri koji značajno mogu da utiču na neravnomernost zagrevanja su dubina prodiranja, fluks mikrotalasa i trajanje zagrevanja mikrotalasima [Lobo and Datta, 1998].
Mikrotalasna pasterizacija gotovih jela pokazala je da sistemi sa višemodnim (2450 MHz,1.5 kW) i jednomodnim tunelima (896 MHz, 7 kW) imaju različitu distribuciju temperature. Distribucija temperature je merena uvođenjem termopar sonde u sredinu, u svaki od 4 ugla i na polovinu dužine svake od ivica materijala koji se zagreva. Pri korišćenju mikrotalasne pećnice koja se koristi u domaćinstvu, a koja funkcioniše po principu višemodnog tunela, uglovi su bili najviše zagrejani, ivice nešto manje zagrejane, a sredina materijala je imala najnižu temperaturu. Nasuprot tome, Burfoot-a i saradnici [1988] su primetili da su, kod sistema sa jednomodnim tunelima, uglovi bili hladniji nego ivice i primećeno je da postoji ravnomernija raspodela temperature u čitavom zagrevanom materijalu. Kod višemodnih mikrotalasnih pećnica korišćenje rotacionih postolja smanjuje neujednačenost u prehrambenom proizvodu. Ispitivano je mikrotalasno zagrevanje smrznute i rashlađene hrane (lazanje i pastirska pita) i otkriveno je da, ako se ne koristi rotaciono postolje, postoje značajne razlike u raspodeli temperature između različitih delova prehrambenog materijala [Fakhouri and Ramaswamy, 1993]. Mikrotalasno zagrevanje tečnosti (voda, preliv), čvrstih materijala (krompir pire) i multikomponentne hrane (krompir pire sa prelivom) ispitivano je od strane James-a i saradnika [2002]. Srednje vrednosti izmerenih temperatura na najtoplijim i najhladnijim tačkama su kod vode bile 83.9 i 61.7 °C tim redom, dok su u slučaju višekomponentne hrane, temperature na najtoplijim i najhladnijim tačkama odgovarale vrednostima od 91.8 and 36.7 °C, tim redom. Tako je utvrđeno da je raspodela temperature manje ravnomerna kod višekomponentne hrane, nego kada je u pitanju voda [James et al., 2002].
Veličina i oblik prehrambenih materijala utiču na raspodelu temperature. Tri različita oblika kao što su kvadar, ciulindar i heksagonalna prizma, sa tri različite zapremine, ispitivani su sa ciljem da se utvrdi neravnomernost raspodele temperature za uzorke krompira [Vilayannur et al., 1998]. Kod uzoraka koji su imali oblik kvadra, najtoplija tačka bila je u uglovima, dok je najhladnija tačka bila u geometrijskom središtu uzorka. Kod uzoraka cilindričnog oblika najtoplija tačka javljala se u središtu, dok je kod uzoraka oblika heksagonalne prizme, najtoplija tačka bila u rubnim delovima uzorka. Takođe je zabeleženo da uzorci oblika heksagonalne prizme imaju ravnomerniju distribuciju temperature, od uzoraka koji su bili oblika cilindra ili kvadra [Vilayannur et al., 1998]. U drugoj studiji najtoplije tačke uočavane su u središtu uzoraka koji su imali oblik sfere, dok je u slučaju uzoraka cilindričnog oblika, najviša temperatura zabeležena u središtu uzorka, ali i na površini uzorka. Kod uzoraka oblika kupe, većina mikrotalasne energije bila je koncentrisana u središtu [Campanone and Zaritzky, 2005]. Iz ovoga sledi da se najtoplije tačke kod uzoraka pločastog i cilindričnog oblika, najčešće nalaze u središtu uzorka.
Pseudohrana(3% agar gel) u cilindričnom staklenom peharu zagrevan je u mikrotalasnoj pećnici koja radi na frekvenciji od 2.45 GHz i štićen je aluminijumskom trakom male debljine (0.002 cm) na različitim rastojanjima i u raznim pravcima [Ho and Yam, 1992]. Autori su zaključili da se pomoću odgovarajuće zaštite može obezbediti ravnomernost raspodele temperature u zagrevanom materijalu, dok se bez zaštite postiže neravnomerna raspodela temperature [Ho and Yam, 1992]. Neravnomernost pri zagrevanju mikrotalasima takođe može da bude izazvana efektom stojećeg talasa i brzim opadanjem snage mikrotalasa [Rattanadecho, 2004]. Neravnomernost kao posledica efekta stojećeg talasa može se smanjiti korišćenjem metalnih mešača i rotacionih postolja kod mikrotalasnih pećnica koje se koriste u domaćinstvu [Rattanadecho, 2004].
Predložena rešenja, u cilju smanjenja neravnomernosti raspodele temperature, tokom zagrevanja pomoću mikrotalasa su: (I) kombinovanje konvencionalnog i mikrotalasog zagrevanja, (II) promena oblika tj. geometrije hrane, (III) pružanje zaštite materijalu koji se greje uz pomoć metalnih traka, na odgovarajućem rastojanju i u odgovarajućem smeru, (IV) dizajniranje mikrotalasnih pećnica na odgovarajući način, (V) menjanje i prilagođavanje grejnih ciklusa i (VI) dugotrajno grejanje uz pomoć mikrotalasa smanjene snage [Vadivambal and Jayas, 2010]. Takođe, debljina uzoraka hrane može da se ograniči (do 25 mm), a uzorci hrane tanji od ovoga mogu da se slažu jedni na druge, da bi se obezbedila predviđena debljina uzoraka u cilju postizanja ravnomerne raspodele temperature [Ohlsson and Thorsell, 1984]. Prethodno navedena rešenja, predložena od strane različitih istraživača, ograničena su na specifične uslove i zbog toga ih nije moguće uopštavati, jer ne važe u svim situacijama [Vadivambal and Jayas, 2010]. Mikrotalasna energija ima široku primenu u industriji, za temperovanje mesa, sušenje testenine, temperovanje smrznute hrane itd. Značajan napredak na polju bolje raspodele temperature, mogao bi da stvori prostor za primenu mikrotalasa u različitim industrijskim procesima [Vadivambal and Jayas, 2010].
English to Serbian: Microwave food processing- a review PART II General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English 3. Microwave cooking
Cooking is one of the major applications of microwave. In this section, various reports on the effects of microwave on cooking parameters such as quality, taste and color retention for various food materials are reviewed. There are numerous reports on the baking of bread and cooking of rice and meat using microwaves. In many cases, a comparison is also made between microwave cooking and traditional cooking. In bread baking process, it is essential to obtain browning and good texture at a fixed moisture level [Icoz et al., 2004]. Conventional baking using hot air provides suitable color and texture. In microwave baking, sufficient brown color on the surface of breads and crust formation were not possible. During microwave heating, the air surrounding the food product is cold and water evaporating from food gets condensed on contact with cold air, which results in the lack of crispness of food product. Susceptors were placed at the bottom of the sample to provide crust formation and surface browning of the food product. Note that, susceptors are microwave absorbing materials, which convert microwave to heat and supply the heat to the weak microwave absorbing materials by means of conduction and radiation. The color measurements were carried out using a chroma meter as L*, a* and b*. L* is a measure of lightness, a* is a measure of greenness to blueness while b* is a measure of redness to blueness. Lightness values were found to decrease with baking time and temperature which indicated that the color of the sample became darker. The results showed that zero order kinetics can explain the change in lightness using microwave. Browning was not observed without the help of susceptors [Icoz et al., 2004]. Baking of bread using different heating modes such as jet impingement, microwave plus jet impingement and microwave plus infrared were also investigated by Sumnu and co-workers [2007]. A crisp crust and brown color can be obtained with microwave along with jet impingement. Jet impingement baking is carried out by applying high speed convection with the help of commercial electrical oven. The air jets were introduced from top to bottom at a velocity of 10 m/s. Microwave-impingement combination baking is achieved by combining high speed convection heat with microwaves using the same JET oven. Here, microwaves were introduced from the top and the air jets were introduced from both top and bottom at a velocity of 10 m/s. Microwave infrared baking combines both microwave and infrared heating. In the combination oven, halogen lamps were provided at the top (oven ceiling) and bottom (oven floor) and a rotary table was provided to improve heating uniformity of the samples. The results showed that the temperature were higher in microwave-infrared combination, intermediate in microwave-impingement combination and lower in JET oven. Maximum moisture was retained in breads baked in JET compared to those baked in other combined modes. Since, microwave plus infrared did not develop good, rigid outer crust, the temperature at the surface was lower and a lot of moisture had escaped. This results in the reduction of final volume of the bread [Sumnu et al., 2007]. Based on these reports, it is concluded that microwave heating alone or in combination with other modes of heating (hot air or infrared) for baking process do not provide better end product qualities compared to that of conventional baking.
Staling of breads refers to the changes occurring after the removal of bread sample from the oven and it might occur at different rates and intensities [Ozkoc et al., 2009]. The changes include microbial deterioration, loss of flavor, loss of crispness in the crust, increased crumb firmness, amylopectin retrogradation and loss of moisture content. Ozkoc and co-authors (2009) investigated the staling of breads baked in different ovens. The moisture content of microwave-baked breads was found to be lowest among the samples. Due to large heat generated throughout the sample volume during microwave heating, interior pressure gradient is found to be developed. This creates an outward flux of rapidly escaping vapor. Microwave-baked samples were found to have highest hardness values, setback viscosities, total mass crystallinity values and retrogradation enthalpies among other heating modes. This causes staling to occur quicker in microwave baked breads compared to that in conventionally baked products. Staling of breads can also be retarded to a significant extent by the addition of certain materials such as xanthan guar blend [Ozkoc et al., 2009]. In summary, microwave is not an ideal choice for bread baking process and more research is required to make it a viable option.
Lakshmi and co-workers (2007) compared the energy usage and the efficiency of cooking rice by microwaves and by other domestic appliances such as electric rice cooker (ERC) and LPG (Liquified Petroleum Gas) pressure cooker. Unsoaked and pre-soaked rice was employed for normal, continuous and controlled cooking. In controlled cooking, the rice and water mixture was heated upto 100 °C and after a power interruption of 5 minutes the heating was resumed. The efficiencies of converting electrical energy to microwave energy and microwave to thermal energy were calculated. The theoretical efficiency was defined as the ratio of minimum energy needed for cooking to the input electrical energy. The absorption efficiency was defined as the ratio of thermal energy generated to the input electrical energy. Figure 1 shows the comparison of the results for various cooking methods, in terms of specific energy consumption for normal cooking of unsoaked and presoaked rice. Although microwave cooking of rice provided shorter cooking time period than other cooking methods, electric rice cooker was found to be the most energy efficient. In electric cooking of rice, the moisture content was low at the top and bottom, and it was found to be high at the center. At the top, surface evaporation causes a decrease in the moisture content whereas at the bottom, the moisture content was low due to the presence of the heat source. In the case of microwave cooking, the moisture content was nearly uniform due to volumetric heating, except at the top where the moisture content was slightly lower due to the surface evaporation [Lakshmi et al., 2007]. Thus, even though the cooking duration is short and uniformity of moisture distribution is better for microwave cooking, the energy efficiency of microwave rice cooking has to be enhanced so that it can be competitive with electric rice cooker.
Sripinyowanich and Noomhorm (2011) investigated the drying of unfrozen and frozen cooked rice in a single-mode microwave vibro-fluidized bed dryer. To obtain instant rice with a good rehydration capability, the dried cooked rice should have good porous structure. In addition, the whiteness needs to be retained for good appearance. During cooking, rice is gelatinized due to water absorption. The water existing in bound state exhibits low dielectric constant with respect to microwave heating. A standard cooking procedure of two step soaking and steaming was followed to obtain rice which was separated with certain texture. During drying, hot air was passed from bottom to a bed of cooked rice which was supported on a vibrating perforated plate and simultaneously microwave was irradiated to the fluidizing cooked rice. Mathematical models comprising of exponential and linear variation with respect to time were proposed for the determination of the effective moisture diffusivity and activation energy. Quality parameters such as whiteness, microstructure, bulk density and rehydration capability were also analyzed. Based on the results, it was concluded that no pre-freezing treatment and drying at 160 °C were required in order to ensure whiteness, porous structure, low bulk density and high rehydration capability [Sripinyowanich and Noomhorm, 2011].
James and co-workers (2006) investigated the factors influencing the quality of pre¬cooked bacon (streaky and back type) which was cooked by domestic and industrial microwave oven at various power levels (1000 W, 800 W and 500 W). Cooking was carried out in the range of 100 °C to 145 °C, which was sufficient to pasteurize the food samples. The process parameters such as power output and cooking time had greater influence on the quality of the product than the product parameters such as bacon type and the chemical composition. Streaky bacon, which has higher fat content, showed more uniform heating compared to back bacon. In back bacon, fats were not uniformly distributed and lesser amount of fat was located at the edges. Thus, for cooking back bacon a lower power output and longer cooking duration can yield more uniform and acceptable product. It was also found that the presence of containers influenced the microwave field intensity and it affected the loss of weight and the processing time. Cooking was more uniform in industrial microwave than in domestic microwave oven, due to uniformity in magnetron position and the movement of material through the microwave system. The industrial microwave oven yielded a better and economical product by reducing the weight loss, cooking time as well as by providing uniform cooking. The most effective setting for cooking streaky bacon in domestic microwave oven was 1000 W for 3 minutes with the sample kept 43 mm above the turn table. For back bacon, the most effective operation condition was 500 W for 5 minutes kept at the same elevation. These products have a minimum shelf life period of 11 days when stored in a vacuum at 0 °C to 4 °C [James et al., 2006].
Das and Rajkumar (2011) investigated the effects of various fat levels (5, 10, 15 and 20%) on microwave cooked goat meat patties. Each patty was cooked by microwave (700 W, 2.45 GHz) to an internal temperature of 75-80 °C. Microwave cooking time was found to decrease with an increase in fat level, as the dielectric constant and loss factor decrease with fat content. Also, sample with high fat content might possess lower specific heat capacity which might lead to decrease in the heating rate. The product yield (i.e. ratio of cooked weight to the raw weight) was found to be significantly lower for 20 % fat level due to high total cooking loss (15.2%). Note that, the cooking loss refers to the weight loss occurred after cooking. The cooking loss during microwave heating can be reduced by adding salt or sodium content to the meat patties. Further, it was observed that higher fat percentage was retained by cooking 20% fat patties than that of cooking other fat patties. The shear force values of 20% fat level cooked patties were found to be the lowest due to the increase in lubrication of shear force apparatus. Visual color evaluations revealed that 5% fat level had highest redness value whereas highest yellowness was found in 20% fat level. Also, sensory analysis revealed that low fat levels had lesser flavor and juice than that of high fat level patties [Das and Rajkumar, 2011]. Thus the amount of fat content in food materials influences the microwave heating in terms of heating rate, uniformity of temperature distribution and fat retention.
The cooking kinetics of spaghetti was studied by Cocci and co-workers (2008) and it revealed that the total thermal effects were lower for microwave cooking as opposed to the traditional cooking [Cocci et al., 2008]. Microwave cooking resulted in more gelatinized and softer products with better color retention, higher gel degree and more compact gluten network in the spaghetti outer layer. In color retention, grains with high yellow pigments were most suitable for high quality pasta making. However, traditional spaghetti cooking underwent higher color changes than that of microwave cooking [Cocci et al., 2008]. In microwave cooking of chickpea, the losses in B-vitamins (riboflavin, thiamin, niacin and pyridoxine) were less than that in traditional cooking such as autoclaving and boiling [Alajaji and El-Adawy, 2006]. The losses are due to the leaching and chemical destruction. Microwave cooking reduced the anti-nutritional and flatulence factors and increased the in-vitro protein digestibility and thus enhanced the nutritional value. An increase in the total essential amino acids was observed in the boiling and microwave cooking compared to that of autoclaving. Thus, microwaves improved the nutritional quality of cooked chickpea seeds and also reduced the cooking time [Alajaji and El-Adawy, 2006].
Stephen and co-workers [2010] investigated the chemical changes involved during cooking (boiling), frying, canning and microwave heating of skipjack tuna (Katsuwonus pelamis). The cholesterol content and the health beneficial omega-3 polyunsaturated fatty acids (ω-3 PUFA) of heat processed tuna fish were compared to that of raw fish. Fish was cooked using different procedures (I) cooked in the boiling water for 100 °C, (II) fried at 180 °C using refined sunflower oil, (III) subjected to a standard canning procedure for canning and (IV) subjected to microwave heating for 10, 15 and 20 seconds. The loss in health beneficial PUFA was found to be (I) minimum with cooking or boiling, (II) 70-85% during frying, (III) 100% with the canning process and (IV) 20-55 % with microwave heating. The cholesterol content did not increase with the cooking whereas that was found to increase slightly with microwave heating and a significant increase was observed with the canning. On the other hand, a decrease in the cholesterol was observed during frying, probably due to the leaching of the cholesterol from tuna to the frying oil. Thus, boiling and microwave heating were recommended to process tuna to retain omega-3 fatty acids [Stephen et al., 2010].
Lentil starch is an essential legume crop cultivated in Asia and Middle East countries. Gonzalez and Perez (2002) compared the effects of microwave and extrusion cooking of lentil starch based on their physical, chemical, rheological and morphological characteristics. Extrusion cooking was operated using co-rotating intermeshing twin screw laboratory extruder at a temperature of 150 °C and at a screw speed of 90 rpm. Microwave cooking was operated at a power of 650 W for 6 min at 85 °C. The results showed that the reducing sugars increased for microwaved starch due to starch fragmentation whereas that was remained constant for extruded starch. At all temperatures, the functional properties of lentil starches such as water absorption, solubility and swelling power were found to decrease for both the treatments and the decrease was more prominent in microwave cooking. The decrease in the functional properties might be due to intergranular molecular rearrangement which may lead to the lesser accessibility of the amorphous areas. The amylographic viscosities were also found to be lowered for both extruded and microwave cooked samples due to decrease in the swelling power and solubility. [Gonzalez and Perez, 2002].
Barba and co-workers (2008) investigated the change in phenolic constituents during microwave baking of cv. Agria potatoes (Solanum tuberosus L., Agria cultivar) at various microwave power levels. During baking of potatoes, the need for retaining water contents in the potato matrices is necessary in order to avoid thermal damages, to preserve antioxidant, to promote starch gelatinization process and also to provide lossy features. The baking time was found to increase with decrease in the power level and at the same time decrease in water losses was observed due to slow heating rate. By reducing water loss, the thermal damages of nutritional components are avoided due to its high thermal capacity. It was found that the phenolic compound were retained at a good level when the potato samples were cooked at 500 W [Barba et al., 2008].
The dielectric components of egg components, albumen (egg white) and yolk were investigated by Dev and co-workers (2008). The dielectric properties were measured at various temperature (0-62 °C) and frequency (200 MHz to 10 GHz). It was observed that the albumen had higher dielectric properties than yolk which indicate albumen possessed higher heating rate than yolk. Surprisingly, it was found that the egg-shell and shell membrane were transparent to microwave due to low moisture content and the lesser extent of composition and structure of shell proteins. Consequently, for in-shell eggs, the heating rate of albumen was similar to that of yolk [Dev et al., 2008]. Kumar and Sanavullah (2011) identified the locations within microwave oven cavity to cook an egg without explosion using theoretical analysis. Eggs or packaged products are advised not to be kept in microwave oven due to the generation of high internal pressure in the sealed objects. In an egg, the dielectric properties of albumen are higher than the yolk. Using a mathematical model, the high energy points and the low energy points were identified in the microwave oven. At high energy points, albumin got cooked fast and started to splatter whereas at low energy points the albumin was slowly cooked without explosion. A domestic microwave oven operating at a frequency of 2.45 GHz with adjustable power from 0 to 750 W and rectangular wave guide of TE10 mode positioned at right side of the microwave cavity was used for heating egg samples. For a microwave cavity of 29 cm x 29 cm x 19 cm, the low energy points are identified as 5
Translation - Serbian 3. Kuvanje mikrotalasima
Kuvanje je jedna od najvažnijih primena mikrotalasa. U ovom odeljku razmatraćemo različite izveštaje o uticaju mikrotalasa na različite parametre u kuvanju, kao što su ukus i očuvanje boje za različite prehrambene materiale. Postoje brojni izveštaji koji se tiču pečenja hleba, kuvanja pirinča i mesa, korišćenjem mikrotalasa. U mnogim slučajevima pravljeno je poređenje između kuvanja mikrotalasima i tradicionalnih načina kuvanja. U procesu pečenja hleba od suštinske važnosti je postići formiranje odgovarajuće korice (tamnjenje) i dobru teksturu hleba, uz održavanje zadatog nivoa vlažnosti u hlebu [Icoz et al., 2004]. Konvencionalno pečenje pomoću vrelog vazduha, za rezultat daje hleb odgovarajuće boje i teksture. Prilikom mikrotalsnog pečenja nije bilo moguće postići odgovarajuću tamnu prebojenost na površini hleba, niti formiranje korice. Tokom zagrevanja mikrotalasima, vazduh koji okružuje prehrambeni proizvod je hladan i voda koja isparava iz hrane kondenzuje u kontaktu sa ovim hladnim vazduhom, što za rezultat ima odsustvo krckavosti prehrambenog proizvoda. Susceptori se smeštaju sa donje strane uzorka da bi obezbedili da hleb dobije braon boju i da se formira korica. Skrećemo vam pažnju da su susceptori materijali koji apsorbuju mikrotalase, prevodeći ih u toplotu i obezbeđuju zagrevanje materijala koji slabo apsorbuju mikrotalase, sprovodeći i zračeći nastalu toplotu. Merenje prebojenosti sprovedeno je pomoću hroma-metra i označavano kao L*, a* i b*. L* je mera toga koliko je boja materijala svetla, a* označava kretanje boje između zelene i plave, dok je b* oznaka za kretanje boje između crvene i plave. Primećeno je da vrednosti koje su pokazivale koliko je svetlo prebojen proizvod, opadaju sa porastom vremena trajanja pečenja i temperature na kojoj se peče, što je ukazivalo na to da je boja postajala tamnija. Rezultati su pokazali da kinetika nultog reda može da objasni promene na nivou toga koliko je svetlo prebojen uzorak, prilikom korišćenja mikrotalasa. Nije zabeleženo potamnjivanje bez upotrebe susceptora [Icoz et al., 2004]. Pečenje hleba uz pomoć različitih izvora toplote, kao što su sudaranje mlazeva toplog vazduha, mikrotalasi i infracrveni zraci je takođe ispitivano od strane Sumnija i saradnika [2007]. Krckava korica i braon prebojenost mogu se postići korišćenjem mikrotalasa zajedno sa sudaranjem mlazeva toplog vazduha. Pečenje sudaranjem mlazeva toplog vazduha se sprovodi primenom snažne struje vrelog vazduha uz pomoć, svima dostupne, električne pećnice (JET-pećnica). Mlazevi vazduha delovali su na hranu odozgo na dole, brzinom od 10 m/s. Kombinovano pečenje mikrotalasi-mlazevi vrelog vazduha postiže se kombinovanjem delovanja snažne struje vrelog vazduha i mikrotalasa uz pomoć iste one pećnice (tzv. JET-pećnica). U ovom slučaju mikrotalasi su delovali odozgo na dole, a mlazevi vazduha su delovali kako odozdo, tako i odozgo, brzinom od 10 m/s. Pečenje kombinovanjem mikrotalasa i infracrvenih zraka, značilo je primenu mikrotalasnog i infracrvenog zagrevanja. U kombinovanoj pećnici, halogenske lampe smeštane su odozgo (na gornjem zidu pećnice) i odozdo(na podu pećnice), a postavljeno je i rotirajuće postolje, u cilju što ravnomernijeg zagrevanja uzoraka. Rezultati su pokazali da su postignute temperature bile najviše kod kombinacije mikrotalasa i infracrvenih zraka, imale srednje vrednosti kod kombinacije mikrotalasi-mlazevi vrelog vazduha i bile najniže kada se koristila samo JET-pećnica. Najviše vlage se zadržalo u hlebu pečenom u JET-pećnici u odnosu na one pečene pomoću kombinovanih vidova pečenja. Obzirom da kombinacija mikrotalasa i infracrvrnih zraka nije dala dobru, čvrstu, spoljnu koru, temperatura na površini uzorka je bila niska i dosta vlage je pobeglo iz uzorka tj. isparilo. Ovo za rezultat ima smanjenje konačne zapremine koju ima hleb nakon pečenja [Sumnu et al., 2007]. Na osnovu ovih izveštaja, zaključeno je da zagrevanje mikrotalasima, ili kombinovanjem mikrotalasa sa drugim vidovima zagrevanja (vreli vazduh ili infracrveno zračenje), u porocesima pečenja ne pruža bolji kvalitet konačnog proizvoda u odnosu na konvencionalne vidove pečenja.
Ustajalost hleba odnosi se na promene koje se događaju u hlebu nakon što se izvadi iz pećnice i u pitanju je process koji može da se odvija različitim tempom i intenzitetom [Ozkoc et al., 2009]. Promene uključuju mikrobiološko propadanje, gubitak ukusa, gubitak krckavosti u kori, povećanu tvrdoću mrvica, retrogradaciju amilopektina i gubitak sadržaja vlage. Ozkoc i saradnici (2009) istraživali su bajatost hleba pečenih u različitim pećnicama. Primećeno je da su uzorci hleba pečeni pomoću mikrotalasa imali najmanji sadržaj vlage. Kao posledica veoma velikog zagrevanja koje se postiže u svim delovima zapremine uzorka tokom zagrevanja mikrotalasima, otkriveno je da se u hlebu formira unutrašnji gradijent pritiska. Ovo stvara fluks vodene pare usmeren prema napolju, pri čemu ona ubrzano napušta uzorak. Otkriveno je da uzorci pečeni pomoću mikrotalasa imaju najviše vrednosti tvrdoće, žilavosti, vrednosti ukupne kristalizovane mase i entalpije retrogradacije u odnosu na ostale vidove pečenja. Ovo ima za posledicu da hleb pečen pomoću mikrotalasa brže postaje ustajao u poređenju sa proizvodima koji su pečeni na konvencionalan način. Proces ustajavanja hleba se može usporiti u značajnoj meri dodavanjem materijala kao što su xanthan guar mešavina [Ozkoc et al., 2009]. Da zaključimo, mikrotalasi nisu idealno rešenje za proces pečenja hleba i potrebno je sprovesti još istraživanja da bi se ovakvo pečenje učinilo prihvatljivim. Lakshmi i saradnici (2007) poredili su potrošnju energije i efikasnost kuvanja pirinča pomoću mikrotalasa i pomoću drugih metoda kuvanja korišćenih u domaćinstvu, kao što su električno kuvalo za pirinač (ERC) i TNG ekspres lonac. Pirinač koji nije potapan u vodu i prethodno potapan pirinač, korišćeni su za normalno, kontinuirano i kontrolisano kuvanje. Pri kontrolisanom kuvanju, mešavina pronča i vode zagrevana je do 100 °C i nakon prekida u dovođenju energije iz izvora, zagrevanje bi bilo nastavljeno. Izračunata je efikasnost konverzije električne energije u mikrotalasnu energiju i mikrotalasne u topotnu energiju. Teoretska vrednost efikasnosti, definisana je kao odnos minimalne količine energije potrebne za kuvanje i utrošene električne energije. Efikasnost apsorpcije je definisana kao odnos stvorene toplotne energije i utrošene toplotne energije. Slika 1 pokazuje poređenje rezultata, različitih metoda kuvanja, kada je u pitanju potrošnja konkretnog energenta, ili izvora energije, pri normalnom kuvanju nepotopljenog i prethodno potopljenog pirinča. Iako je za kuvanje pirinča korišćenjem mikrotalasa bilo neophodno utrošiti najmanje vremena u odnosu na sve druge metode kuvanja, električno kuvalo za pirinač se pokazalo kao energetski najefikasnije. Pri električnom kuvanju pirinča, sadržaj vlage je bio niži na vrhu i na dnu uzorka, a primećeno je da je bio viši u sredini uzorka. Na gornjoj površini uzorka površinsko isparavanje je uzrokovalo pad u sadržaju vlage, dok je na dnu sadržaj vlage bio nizak usled blizine izvora toplote. U slučaju mikrotalasnog kuvanja sadržaj vlage je bio gotovo sasvim ujednačen usled volumetrojskog zagrevanja, osim na gornjoj površini uzorka, gde je sadržaj vlage bio nešto niži usled isparavanja [Lakshmi et al., 2007]. Dakle, iako je vreme potrebno za kuvanje pirinča najkraće i ravnomernost raspodele sadržaja vlage bolja prilikom mikrotalasnog kuvanja, energetska efikasnost mikrotalasnog kuvanja pirinča mora da bude poboljšana, da bi ovakav način kuvanja mogao da konkuriše kuvanju pomoću električnog kuvala za pirinač.
Sripinyowanich i Noomhorm (2011) ispitivali su sušenje nesmznutog i smrznutog kuvanog pirinča, u jednomodnom mikrotalosnom vibrofluidnom položenom sušaču. Da bi se dobio instant pirinač sa dobrom sposobošću rehidracije, sušeni kuvani pirinač bi trebalo da ima dobru strukturu poroznosti. Uz to, neophodno je zadržati belu prebojenost pirinča zbog dobrog izgleda hrane. Tokom kuvanja, pirinač želatinizira zbog apsorbovanja vode. Voda koja postoji u vezanom obliku, iskazuje nisku vrednost dielektrične konstante, kada govorimo o mikrotalasnom zagrevanju. Standardna procedura kuvanja u dva koraka, sa potapanjem i izlaganjem pari, je sprovedena da bi se došlo do pirinča koji je onda razdvajan, u zavisnosti od sopstvene teksture. Tokom sušenja, vreo vazduh je propuštan sa donje strane kroz kuvani pririnač, koji se nalazion na vibrirajućem, perforiranom tanjiru, dok su mikrotalasi istovremeno delovali na kuvani pirinač, koji se tuda kretao na traci. Matematički modeli, koji se sastoje od eksponencijalnih i linearnih varijacija u funkciji vremena, predloženi su u cilju određivanja efektivnog difundovanja vlage i energije aktivacije. Takođe su analizirani i parametri kvaliteta kao što su: bela prebojenost, mikrostruktura, gustina ukupnog sadržaja uzorka i sposobnost rehidracije. Na osnovu dobijenih rezultata, zaključeno je da nije bilo neophodno sprovoditi tretman prethodnog zamrzavanja i sušenja na temperature od 160 °C, da bi se obezbedila bela prebojenost, porozna struktura, niska gustina sadržaja i visoka sposobnost rehidracije [Sripinyowanich and Noomhorm, 2011].
James i saradnici (2006) ispitivali su faktore koji su uticali na kvaliutet prethodno kuvane slanine (prugasta slanina sa stomaka životinje i slanina dobijena sa leđa životinje) koja je kuvana pomoću mikrotalasnih pećnica za primenu u domaćinstvu i industriji različitom snagom (1000 W, 800 W i 500 W). Kuvanje je obavljeno u temperaturnom rasponu od 100 °C to 145 °C, što je bilo dovoljno za pasterizaciju hrane. Parametri procesa kuvanja, kao što su izlazna snaga pri kuvanju i vreme kuvanja, imali su veći uticaj na kvalitet konačnog proizvoda, nego parametri kvaliteta proizvoda, kao što je tip slanine i hemijski sastav. Prugasta slanina koja je imala veći sadržaj masti, imala je ravnomerniju raspodelu zagrevanja u odnosu na slaninu sa leđa svinje. Kod slanine sa leđa životinje masnoća nije ravnomerno raspoređena i na ivicama slanine je bilo manje masti. Dakle, za kuvanje ove vrste slanine korišćenje manje snage mikrotalasa i duže kuvanje može da za rezultat ima bolji proizvod, ujednačenog kvaliteta. Takođe je otkriveno da prisustvo pakovanja utiče na intenzitet polja mikrotalasa, na gubitak u masi proizvoda, kao i na vreme potrebno za preradu. Kuvanje je bilo ravnomernije prilikom korišćenja industrijskih mikrotalasnih pećnica, nego prilikom korišćenja mikrotalasnih pećnica koje se koriste u domaćinstvu, zbog ravnomernosti pozicioniranja magnetrona i kretanja materijala kroz mikrotalasni system. Industrijska mikrotalasna pećnica davala je bolji i ekonomičniji proizvod, zahvaljujući manjem gubitku u masi, kraćem vremenu pripreme kao i zahvaljujući tome što je pružala ravnomernije kuvanje. Najefikasniji uslovi za kuvanje prugaste slanine u mikrotalasnoj pećnici koja se koristi u domaćinstvu, bili su primena snage od 1000 W tokom 3 minuta, pri čemu se uzorak nalazi 43mm iznad rotacionog postolja. Za slaninu sa leđa životinje, najefikasniji uslovi za pripremu bili su korišćenje snage od 500 W tokom 5 minuta, pri čemu je uzorak bio podjednako izdignut kao u prethodnom primeru. Oba proizvoda imaju minimalni rok trajanja od 11 dana kada su smešteni u vakum-pakovanje i skladišteni na temperaturi od 0 °C do 4 °C [James et al., 2006].
Das i Rajkumar (2011) ispitivali su uticaje različite zastupljenosti masnoće (5, 10, 15 i 20%) na kuvanje pljeskavica od kozijeg mesa pomoću mikrotalasa. Svaka pljeskavica je zagrevana pomoću mikrotalasa (700 W, 2.45 GHz) do postizanja unutrašnje temperature od 75-80 °C. Primećeno je da se vreme pripreme skraćuje sa porastom sadržaja masti, pošto faktor dielektrične konstante i gubitka opada sa porastom sadržaja masti. Takođe, uzorci sa višim sadržajem mast mogu da imaju nižu vrednost specifičnog toplotnog kapaciteta, što može da dovede do opadanja brzine kojom se uzorak zagreva. Primećeno je da je količina konačnog proizvoda (tj. odnos težine pripremljenog mesa u odnosu na sirovo meso) bila značajno manja kod proizvoda sa 20% masti, zbog velikog ukupnog gubitka pri kuvanju (15.2%). Skrećemo pažnju na činjenicu da se gubitak pri kuvanju odnosi na gubitak u težini koji se javlja nakon kuvanja. Gubitak pri kuvanju može, u slučaju zagrevanja pomoću mikrotalasa, da se smanji dodavanjem soli ili supstanci koje sadrže natrijum, mesnim prerađevinama koje nameravamo da pripremamo. Pored toga, primećeno je da proizvod zadrži više masnoće u slučaju pripremanja pljeskavica koje su sadržale 20% sadržaja masti, nego u slučaju pripremanja pljeskavica koje sui male drugačiji sadržaj masti. Vrednosti snage saopštene materijalu bile su najniže kod slanine sa 20% sadržaja masti, usled većeg podmazivanja aparature za merenje ove snage prilikom pečenja slanine sa ovim sadržajem masti. Pri proceni vizuelnog utiska prebojenosti proizvoda uočeno je da su pljeskavice koje su sadržale 5% masti imale najizraženiju crvenu boju (najviše su porumenele), dok je najveći sadržaj žute boje zabeležen kod pljeskavica koje si imale sadržaj masti od 20%. Takođe, analiza čulima otkrila je da pljeskavice koje imaju manji sadržaj masti imaju slabiji ukus i manje su sočne od onih koje su imale viši sadržaj masti[Das and Rajkumar, 2011]. Zaključujemo da količina masnog sadržaja utiče na zagrevanje mikrotalasima, u smislu uticaja na brzinu zagrevanja, ravnomernost raspodele temperature i količine masti, koja ostaje u konačnom proizvodu.
Cocci i saradnici (2008) proučavali su kinetiku kuvanja špageta i pritom su otkrili da su ukupni toplotni efekti pri mikrotalasnom kuvanju niži u odnosu na one kod kuvanja tradicionalnim metodama kuvanja [Cocci et al., 2008]. Mikrotalasno kuvanje je za rezultat imalo veću želatinizaciju i mekši konačni proizvod, koji je bolje očuvao boju i u kome je primećeno veće prisustvo želatinoznog sadržaja i kompaktnija glutenska mreža u spoljašnjem sloju špageta. Kada je u pitanju dobijanje željene boje proizvoda, žito sa više žutog pigmenta pokazalo se bolje u proizvodnji visoko kvalitetne testenine. Međutim, špagete koje su bile podvrgnute kuvanju tradicionalnim metodama, pretrpele su veće promene u boji od onih kuvanih pomoću mikrotalasa [Cocci et al., 2008]. Prilikom kuvanja leblebija (slanutka) gubitak vitamina iz grupe B (riboflavina, tiamina, niacina i
piridoxina) bio je manji, nego prilikom kuvanja tradicionalnim metodama, kao što je priprema u autoklavu i tokom kuvanja u vreloj void [Alajaji and El-Adawy, 2006]. Gubici su se javili zbog ispijanja usled isparavanja i zbog hemijskog uništavanja vitamina. Kuvanje mikrotalasima smanjilo je količinu nesvarljivog materijala i onih supstanci koje su izazivale nadimanje i povećali svarljivost vitamina u in-vitro uslovima, time povećavajući hranljivu vrednost tako pripremljenih leblebija. Primećen je porast u ukupnom sadržaju esencijalnih aminokiselina prilikom kuvanja u vreloj vodi i mikrotalasnog kuvanja, u odnosu na pripremanje pomoću autoklava. Mikrotalasno kuvanje je,dakle, poboljšalo hranljiva svojstva kuvanih zrna leblebije i skratilo vreme potrebno za kuvanje [Alajaji and El-Adawy, 2006].
Stephen i saradnici [2010] ispitivali su hemijske promene koje su se događale prilikom kuvanja u vreloj vodi, prženja, konzerviranja i mikrotalasne termičke obrade mesa Skipdžek tune (Katsuwonus pelamis). Sadržaj holesterola i za zdravlje korisnih omega-3-polinezasićenih masnih kiselina (ω-3 PUFA), termički obrađene tunjevine poređene su sa istim svojstvima sirvog mesa tune. Riba je pripremana korišćenjem različitih procedura (I) kuvanjem u vreloj vodi na 100 °C, (II) prženjem na 180 °C korišćenjem rafinisanog suncokretovog ulja, (III) podvrgnuta je standardnom procesu pripreme za smeštanje u konzerve (konzerviranje) i (IV) podvrgnuta je zagrevanju pomoću mikrotalasa 10, 15 i 20 sekundi. Primećeno je da je gubitak, za zdravlje korisnih, polinezasićenih masnih kiselina, bio (I) najmanji prilikom pečenja ili kuvanja, (II) iznosi 70-85% prilikom prženja, (III) bio 100% prilikom podvrgavanja ribe procesu konzerviranja i (IV) iznosio 20-55% prilikom termičke obrade mikrotalasima. Sadržaj holestrola se nije povećao prilikom kuvanja ili pečenja, dok je neznatno porastao prilikom mikrotalasne termičke obrade, dok je zabeležio značajan porast prilikom procesa konzerviranja. Primećen je pad u sadržaju holesterola prilikom prženja, što je verovatno posledica curenja holesterola iz mesa u ulje za prženje. Kao posledica svega navedenog, kuvanje i mikrotalasna termička obrada su preporučeni kao metode za preradu tune u cilju očuvanja sadržaja omega-3-masnih kiselina [Stephen et al., 2010].
Sočivi štirak je osnovna leguminoza koja se uzgaja u Aziji i zemljama Bliskog Istoka. Gonzalez i Perez (2002) su poredili uticaje mikrotalasnog i ekstruzionog kuvanja na sočivo, na osnovu fizičkih, hemijskih, morfoloških i reoloških svojstava sočiva nakon kuvanja. Ekstruziono kuvanje je vršeno pomoću korotacionog, intermešing, laboratorijskog ekstrudera sa dvostrukim zavrtnjem, na temperature od 150 °C i pri brzini okretanja zavrtnja od 90 obrtaja u minutu. Mikrotalasno kuvanje je vršeno snagom od 650 W tokom 6 min na 85 °C. Rezultati su pokazali porast prostih (reduktivnih) šećera prilikom mikrotalasnog pripremanja sočiva, zbog fragmentacije skroba, dok je sadržaj ovih šečera ostao nepromenjen u ekstrudovanom skrobu. Funkcionalna svojstva sočivnog štirka na svim temeraturama, kao što su apsorpsija, rastvorljivost, sposobnost bubrenja, su opadale prilikom oba načina pripreme,a gubitak ovih svojstava u većem obimu primećen je prilikom mikrotalasnog kuvanja. Gubitak funkcionalnih svojstava može da bude posledica intergranularne molekularne preraspodele, što može da dovede do toga da amorfne zone budu manje pristupačne. Takođe je primećen pad amilografičke viskoznosti, kako kod ekstrudovanog sočiva, tako i kod uzoraka kuvanih pomoću mikrotalasa, zbog smanjenja u sposobnosti bubrenja i smanjene rastvorljivosti [Gonzalez and Perez, 2002].
Barba i saradnici (2008) ispitivali su promene u fenolnim sastojcima prilikom mikrotalasnog pečenja Agrija krompira (Solanum tuberosus L., Agria cultivar) korišćenjem mikrotalasa različite snage. Prilikom pečenja krompira potreba da se sadržaj vode u matricama krompira očuva je ključna, u cilju izbegavanja toplotnih oštećenja krompira, očuvanja antioksidanasa, podsticanja procesa želatinizacije skroba i takođe u cilju obezbeđivanja rastresitosti krompira. Uočeno je da se vreme potrebno za kuvanje produžava sa smanjenjem snage mikrotalasa koji su korišćeni, dok je u isto vreme primećeno opadanje u gubicima sadržaja vode zbog sporijeg zagrevanja. Smanjivanjem gubitka vode, izbegava se šteta koju toplota nanosi hranljivim sastojcima zahvaljujući njenom visokom toplotnom kapacitetu. Otkriveno je da se u konačnom proizvodu očuva visok nivo sadržaja fenolnih komponenti prilikom kuvanju uzoraka krompira snagom mikrotalasa od 500 W [Barba et al., 2008].
Dielektrična svojstva sastavnih delova jajeta, albumena (belanceta) i žumanceta ispitivana su od strane Dev-a i saradnika (2008). Dielektrična svojstva merena su na različitim temperaturama (0-62 °C) i frekvencijama (200 MHz to 10 GHz). Primećeno je da albumen ima bolja dielektrična svojstva nego žumance, što ukazuje da se albumen brže zagreva nego žumance. Iznenađujuće, primećeno je da ljuska jajeta i membrane jajeta propuštaju mikrotalase, zahvaljujući niskom sadržaju vlage i činjenici da proteini koji se nalaze u ljusci imaju jednostavnijui sastav i strukturu. Kao posledica toga, kada su u pitanju jaja u ljusci, brzina zagrevanja albumena bila je slična brzini zagrevanja žumanceta [Dev et al., 2008]. Kumar i Sanavullah (2011) otkrili su mesta unutar mikrotalasne pećnice na kojima jaje može da se skuva, a da pritom ne eksplodira, koristeći analizu teoretskog modela. Savetuje se da se jaja ili zapakovani proizvodi ne zagrevaju u mikrotalasnoj pećnici zbog nastanka velikog unutrašnjeg pritiska unutar zaptivenih predmeta. U jajetu, dielektrična svojstva albumena su veća od dielektričnih svojstava žumanceta. Korišćenjem matematičkog modela, u mikrotalasnoj pećnici su identifikovane tačke na kojima se ostvaruje visoka, i one druge, na kojima se ostvaruje niska energija. Na mestima gde se ostvaruje visoka energija, albumen bi se brzo skuvao i onda krenuo da se širi i rasprskava, dok je na mestima na kojima se ostvaruje niska energija, albumen sporo kuva i ne dolazi do rasprskavanja. Za zagrevanje uzoraka jaja korišćena je mikrotalasna pećnica za domaćinstvo koja radi na frekvenciji od 2.45 GHz, sa mogućnošću podešavanja snage od 0 to 750 W i pravougaonim davačem talasa sa modom rada TE10, koji je smešten sa desne strane prostora za pečenje u mikrotalasnoj pećnici. U slučaju prostora za pečenje u mikrotalasnoj pećnici dimenzija 29 cm x 29 cm x 19 cm, tačke gde se ostvaruje niska energija su uočene kao mesta gde su vrednosti na x i y osi predstavljene na sledeći način: 5cm
English to Serbian: Microwave food processing- a review PART III General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English 4. Microwave drying
In drying of food materials, the goal is to remove moisture from food materials without affecting their physical and chemical composition. It is also important to preserve the food products and enhance their storage stability which can be achieved by the drying. Dehydration of food can be done by various drying methods such as solar (open air) drying, smoking, convection drying, drum drying, spray drying, fluidized-bed drying, freeze drying, explosive puffing and osmotic drying [Cohen and Yang, 1995]. Solar drying and smoking are low cost techniques which were used for drying of meat and sea food products. For continuous mode of operation, convection and drum drying can be used. Similarly, spray drying can be used for drying of liquids, instant tea and coffee in which the final product can be obtained in spherical form. In the same manner, commercialized fluidized bed dryers are used for drying of whole peas and dairy products [Cohen and Yang, 1995]. Microwave drying has the advantages of achieving fast drying rates and improving the quality of some food products. The energy absorption level is controlled by the wet products which can be used for selective heating of interior parts of the sample containing moisture and without affecting the exterior parts. Microwave drying is considered very useful during falling rate period. During falling rate period the diffusion is rate-limiting, resulting in the shrinkage of the structure and reduced surface moisture content. However, in microwave drying, due to volumetric heating the vapors are generated inside and an internal pressure gradient is developed which forces the water outside. Thus shrinkage of food materials is prevented in microwave drying. Microwave energy combined with other drying methods can improve the drying efficiency as well as the quality of food products which is far better than that achievable by microwave drying only or by other conventional methods only [Zhang et al., 2006].
In microwave drying of parsley, performed by Soysal (2000), drying took place mainly in the constant rate period and the falling rate period. The drying time was found to decrease with an increase in the microwave output power. Microwave dried parsley leaves retained the color and the change in microwave power level did not affect the color parameters [Soysal 2004]. In another study, microwave drying of carrot slices were found to occur in the falling rate period and not during constant rate period. At high microwave power, rapid mass transfer from the center to the surface occurs due to generation of more heat. It
was also found that as the slice thickness increases, P-carotene content and rehydration ratio
decrease. High volumetric heating causes high internal pressure inside the samples which
result in boiling and bubbling of sample. Thus, P-carotene content and the rehydration ratio
were found to be reduced [Wang and Xi, 2005]. .
Ozkan and co-workers (2007) examined the microwave drying of spinach leaves in order to reduce moisture content upto 99%. Above 350 W microwave power, the energy consumption remained constant. Microwave drying was found to be more efficient at operating conditions of 750 W and 350 s. At these operating conditions, optimum drying characteristics of spinach (in terms of drying time, energy consumption, color criteria and ascorbic acid level) were obtained [Ozkan et al., 2007]. Lombrana and co-authors [2010] studied the drying of sliced mushroom using a single mode microwave at 2.45 GHz. The experiments were carried out by monitoring and controlling the temperature and pressure. The samples were cut into parallelepiped pieces and the dried mushrooms were characterized with SEM and BET analysis. When the optical probe was placed in the samples at the middle of the chamber, moderate shrinkage without large voids was observed. But, if the probe was placed in samples at either edge, large voids were formed due to more vapor exiting the samples. In addition, shrinkage led to the formation of non homogenous structure. During microwave heating, the water present in the center of the sample gets heated more readily than the samples at the edges, resulting in the inverse temperature profile. The results showed that at low pressure and moderate microwave heating (120 W), the drying rate are high and the quality of mushroom is also good. At low microwave power (60 W), good quality of mushroom was obtained at the cost of slow drying rate whereas at high microwave power (240 W) or at atmospheric pressure condition, ineffective drying was observed along with the formation of large voids and the entrapment of moisture inside the sample. Thus drying with moderate microwave power at low pressure conditions is recommended for drying mushroom slices [Lombrana et al., 2010].
One of the disadvantages of microwave drying is that excessive temperature along the corner or edges of food products results in scorching and production of off-flavors especially during final stages of drying. This is due to the difficulty in control of final product temperature in microwave drying whereas in hot air drying, the product temperature never exceeds the hot air temperature. The penetration depth of microwaves at 2.45 GHz is limited for large scale drying whereas radio frequency (RF) heating at 10 - 300 MHz can give better penetration depth. In some cases, rapid mass transport might cause change in the food texture called 'puffing' which might be desirable or undesirable depending on the final product [Zhang et al., 2006]. Hence it is necessary to combine microwave drying with conventional drying in order to enhance drying rate as well as maintain product quality.
4.1 Microwave assisted air drying
Microwave assisted air drying is one of the methods where hot air drying is combined with microwave heating in order to enhance the drying rate. Microwave can be combined with hot air in three different stages of the drying process. At the initial stage, microwave is applied at the beginning of the dehydration process, in which the interior gets heated rapidly. At rapid drying period, a stable temperature profile is established in such a way the vapor is forced outside due to improved drying rate. This creates porous structure called as 'puffing' which can further facilitate the mass transfer of water vapor. At the reduced drying rate period or at the final stage of drying, the drying rate begins to fall where the moisture is present at the centre and with the help of microwave heating, vapor is forced outside in order to remove bound water [Zhang et al., 2006].
For drying of high moisture fruits and vegetables, a reduction in moisture content is time consuming especially in the final stage of drying. Microwave assisted drying as final stage of air drying overcomes these disadvantages with high thermal efficiency. Hot air drying does not improve moisture loss at the final stages of drying process, since the diffusion process is very slow. Drying of banana is difficult as it falls under the falling rate period. But, hot air drying combined with microwave finish drying reduced the drying time by 64% as compared to convective air drying [Maskan, 2000]. In drying of kiwifruits, shrinkage was found to be more predominant during sole microwave heating than that of hot air drying. But, lesser shrinkage of kiwi fruits was found to be observed with combined hot air-microwave drying. Also, kiwifruits dried by combined hot air- microwave displayed higher rehydration capacity than those of kiwifruits dried by sole microwave or hot air drying [Maskan, 2001].
During microwave assisted air-drying of apple and mushroom, a minimum air velocity of 1 m/s was required in order to prevent browning of the food samples. When compared to hot air drying, microwave assisted air drying reduced the drying time by a factor of two for apples and by a factor of four for mushrooms. Besides, the rehydration capacity of apple and mushroom dried in single mode cavity was found to be 20-25% better than food samples dried in multimode cavity [Funebo and Ohlsson, 1998]. In drying of garlic cloves, microwave assisted air drying achieved a drying rate 80-90% better than that of conventional air drying, and the product of microwave assisted drying exhibited superior qualities [Sharma and Prasad, 2001]. Microwave dried garlic cloves were found to be lighter in color due to the less browning effect and the volatile components responsible for flavor content were also retained [Sharma and Prasad, 2001].
The dehydration characteristics of thin layer carrot cubes during microwave-assisted air convective drying were investigated by Prabanjan and co-workers (1995). The domestic oven (600 W) was modified to allow air at a constant flow rate of 1.7 m/s and at a given temperatures of 45 and 60 C. It was observed that the microwave heating reduced drying time by 25 - 90% than that of conventional air drying. Also, the color of rehydrated carrots dried at lower power levels (< 20%) was better than sample dried at higher power level of 40% [Prabanjan et al., 1995]. Ventachalapathy and Raghavan (1999) carried out microwave drying of osmotically dehydrated strawberries at different power levels. Strawberries were pretreated with 2% ethyl oleate and 0.5% NaOH in order to make skin transparent to moisture diffusion and promote rapid dehydration by osmosis. It was observed that the quality parameters of microwave dried strawberries were equal to or better than freeze dried berries in rehydration. Due to greater internal heating, the berries are softened during microwave treatment compared to that of freeze dried berries [Ventachalapathy and Raghavan, 1999]. Also, it was observed the shrinkage ratio (volume at any moisture content to the initial volume) of microwave dried berries increases linearly with moisture ratio [Raghavan and Ventachalapathy, 1999].
Microwave-convective and microwave-vacuum drying of cranberries were studied by Sunjka and co-workers (2004). The drying performance in terms of mass of water evaporated per unit of supplied energy proved that the microwave-vacuum drying was more energy efficient than microwave convective drying. On the other hand, sensory analysis (color, texture, taste, overall appearance) showed that microwave -convective dried cranberries were slightly better than that of microwave-vacuum dried cranberries [Sunjka et al., 2004]. The optimal energy consumption for combined microwave assisted hot air drying of pumpkin slices was found to be 0.29 kWh which was operated at a power of 350 W and at a temperature of 75 °C. On the other hand, the energy consumption of hot air drying at 75 °C was found to be 0.61 kWh [Alibas, 2007]. Gowen and co-authors (2008) developed models to predict dehydration and rehydration kinetics during combined microwave-hot air drying of pre-cooked soybeans. The dehydration and rehydration rate was found to increase with increasing microwave power level and the air temperature. The optimal condition for combined microwave-hot air drying was found to be at a microwave power of 210 W and air temperature of 160 °C [Gowen et al., 2008].
Sousa and co-workers (2004a, 2004b) investigated microwave assisted drying of bananas by varying air temperature (25 to 55 °C) and air flow rate (0.8 to 1.8 m /min). The dried products possessed high sensory qualities, when the samples were microwave dried at air temperatures higher than 30 °C and with the air flow rate in the range of 1.1 to 1.65 m3/min. Also, the color, sweetness and texture of the dried products were close to that of ideal acceptance range [Sousa et al., 2004a; 2004b]. Similarly, Pereira and co-workers (2007) observed that increasing the microwave power during final stages of microwave-hot air drying of osmotically dehydrated bananas increases the drying rate, thus reducing the drying time. At the same time, charring might also occur which can be prevented by cooling the product surface by means of providing lower air temperature or high air velocity [Pereira et al., 2007].
The drying process of macadamia nuts is critical, since the drying of the kernel requires certain controlled conditions in order to achieve minimum quality standards. Silva and co-workers (2006) investigated the feasibility of drying macadamia nuts by applying microwave assisted hot air drying process. It was found that the microwave assisted drying achieved in reducing the drying time (4.5 - 5.5 h) and increasing the quality of the kernels as compared to that of conventional processes (~144 h). It was observed that the quality of the product did not deteriorate with respect to oxidative reactions occurring during the six month storage period. Further, the sensory quality tests proved that the microwave assisted dried products did not differ significantly from the conventionally dried products [Silva et al., 2006].
The efficiency of microwave assisted air drying of Penne short cut pasta using microwave assisted hot air rotary dryer was investigated by Berteli and Marsaioli Jr. (2005).
It was observed that the average drying time of microwave assisted drying (18-19 min) was reduced by a factor of 10 times compared to that of conventional air drying (6.5 h) and with respect to space utilization microwave drying occupied 10% of the floor space than that of conventional hot air dryer [Berteli and Marsaioli Jr., 2005]. Table 1 shows the experimental conditions applied for the microwave assisted drying of various food materials.
In summary microwave assisted air drying is found to be helpful at the final stages of drying food products especially for fruits and vegetables. Besides increasing the drying rate, microwave assisted air drying enhances the rehydration capacity of dried products and also overcomes shrinkage problems. 4.2
Microwave assisted vacuum drying
During vacuum drying, high energy water molecules diffuse to the surface and evaporate due to low pressure. Because of this, water vapor concentrates at the surface and the low pressure causes the boiling point of water to be reduced. Thus vacuum drying prevents oxidation due to the absence of air, and thereby maintains the color, texture and flavor of the dried products. In the absence of convection, either conduction or radiation or microwaves can be combined with vacuum drying to improve its thermal efficiency [Zhang et al., 2006].
Vacuum microwave drying of banana slices was examined at a microwave power supply of 150 W and under a vacuum of less than 2500 Pa [Drouzas and Schubert, 1996]. It was determined that the drying was achieved in less than 30 minutes without exceeding 70 °C and the quality of the product was found to be good and was comparable to that of freeze-dried product. The dried product also provided excellent taste and flavor with no shrinkage or change in color [Drouzas and Schubert, 1996]. In microwave vacuum drying of model fruit gel (simulated concentrated orange juice), a reduction in the moisture content from 38.4% to less than 3% was achieved in less than 4 minutes whereas conventional air drying took more than 8 hours to reach 10% moisture [Drouzas et al., 1999].
A study on microwave vacuum drying of carrot slices showed that the microwave vacuum dried products had higher a-carotene content and vitamin C content, softer texture, had higher rehydration potential and lesser color deterioration than that of air drying [Lin et al., 1998]. The losses of a and P-carotene content was found to be very low due to rapid heating rate and depletion of oxygen during vacuum operation. Vitamins are generally sensitive to the thermal damage and oxidation, whereas microwave vacuum drying eliminates both and hence high quantities of vitamins were retained [Lin et al., 1998]. In another study, microwave vacuum drying of carrot slices which were subjected to microwave at 400 W power retained 88 % of the P-carotene [Mayer-Miebach et al., 2005]. The processing time of the microwave vacuum drying at 70 °C was found to be shorter (1.5 hours) compared to that of convective drying (3.5 hours). But, microwave vacuum drying at high power (600 W) led to significant loss of P-carotenes. In summary, microwave drying at moderate power causes low loss of P-carotenes while reducing the operation time [Mayer-Miebach et al., 2005].
Hu and co-workers (2006; 2007) investigated the hot air and vacuum microwave drying of edamames and found that sequentially combining hot air and vacuum microwave drying provided better drying results compared to that of vacuum microwave drying or air drying. Figures 2a and 2b show the effect of microwave power and vacuum pressure on the drying time [Hu et al., 2006]. The drying time is significantly reduced with an increase in the microwave power intensity as well as decrease in the mass load. Applying high vacuum tends to improve the evaporation and volatilization of water from the material, whereas it may lead to electrical arcing which might result in the overheating of the product. The optimal drying conditions of edamames was given as: i) hot air drying at 70 °C for 20 minutes and ii) vacuum microwave drying at a power intensity of 9.33 W/g and at a vacuum pressure of 95 kPa (gauge pressure) for 15 minutes [Hu et al., 2006; 2007]. In another study, the kinetics and the drying characteristics of vacuum microwave dried potato slices were investigated at various microwave power levels (140, 240 and 340 W) and vacuum pressure (40, 60 and 80 kPa) [Song et al., 2009]. Although, a higher heating rate was achieved by employing high microwave power and low pressure, the effect of low pressure was not as significant as that of increasing microwave power. [Song et al., 2009]. Table 2 shows the microwave assisted vacuum drying of various food materials.
In summary microwave vacuum drying is applied for heat sensitive materials such as banana, carrot, potato, etc. The loss of nutritional qualities (vitamins, a and P-carotenes etc.) of food products by microwave vacuum drying is minimum due to non exposure of heat and oxygen.
4.3 Microwave assisted freeze drying
Freeze drying is considered as a gentle dehydration technique applied for heat sensitive foods, pharmaceutical and biological materials [Zhang et al., 2006]. In freeze drying, the temperature is lowered and, by applying vacuum or low pressure, the frozen water is directly transferred to the vapor phase without going through the liquid phase. Thus the pores are preserved and those can be rehydrated quickly. The loss in terms of flavor can also be minimized using this method. Since freeze drying is time consuming, this method is applied only for high premium or heat sensitive materials [Cohen and Yang, 1995]. Microwave freeze drying can be applied in two different ways, such as i) freeze drying accompanied concurrently with the help of microwave and ii) microwave drying applied after freeze drying [Duan et al., 2010a]. In the first type, the whole drying process takes place under vacuum environment and microwave field is applied to supply the heat of sublimation required for freeze drying. In second type, the drying process was divided into two stages, (i) freeze drying followed by (ii) microwave/vacuum microwave drying [Duan et al., 2010a]. Freeze drying combined with microwaves offers advantages like reduced processing time and better product quality [Zhang et al., 2006]. Although the quality of freeze dried products is better than other conventional drying methods due to its low processing temperature and lack of oxygen in the process. However, freeze drying is an expensive and lengthy dehydration process, which lead to small throughput and high capital and energy costs [Duan et al., 2010a; Zhang et al., 2006]. Since microwave does not interact well with ice, thermal runaway might occur due to the localized melting in the frozen zone and this can be a problem during microwave assisted freeze drying. Also, in industrial applications plasma discharge / arcing might occur which result in the poor product quality and may also eventually lead to the destruction of the food products. The chance of plasma occurring is related to the pressure in the chamber. To minimize the probability of arcing, it was suggested to operate at low microwave power during low pressure operations. Also, cycling the pressure from low to moderate might also control the plasma discharge. Thus the chamber pressure becomes a suitable control parameter to control and avoid plasma discharge. In general, microwave freeze drying is a complex control problem [Zhang et al., 2006].
Duan and co-workers (2008; 2010b) evaluated microwave freeze drying of sea cucumber combined with nanoscale silver. Nanoscale silver has a wide range of antibacterial property since it can easily penetrate into cell organisms and inactivate certain enzymes. Figure 3 shows the schematic diagram of the setup for microwave freeze drying of food materials [Duan et al., 2010b]. Microwave freeze drying combined with the nanoscale silver coating significantly reduced the microorganism count than microwave freeze drying of sea cucumber without the coating. Coating of nanoscale silver did not affect the drying efficiency and sensory qualities of microwave freeze drying [Duan et al., 2008]. During microwave freeze drying of sea cucumber, efforts were made to reduce the corona discharge or arcing which might eventually cause burning or overheating of food materials. It was reported that the pressure in the range of 100 - 200 Pa may readily cause corona discharge and hence pressure in the range of 50 - 100 Pa was suggested for microwave freeze drying. It was also recommended to reduce microwave power at low moisture conditions since air discharge might take place due to decreasing moisture content [Duan et al., 2010b]. In microwave freeze drying of cabbage, the drying rate of microwave freeze drying was twice greater than that of vacuum freeze drying. Microwave freeze drying affected the drying rate of falling rate drying period more significantly than that of constant rate drying period. The drying rate of microwave freeze drying was found to increase with a decrease in the material thickness and the cavity pressure. Further, microwave freeze drying had significant sterilization effects on the food material due to the combined thermal and biological effects leading to the death of microorganisms [Duan et al., 2007].
High maturity banana slices containing high sugar content, and hence high drying rates, were observed for microwave assisted freeze drying [Jiang et al., 2010a]. It may be noted that sugar molecules have higher loss factor than ice crystals and hence they absorb more microwave energy and convert it to heat efficiently. High maturity samples displayed better quality parameters such as color, rehydration ratio and hardness than those of low and medium matured samples. At the same time, high maturity samples lead to uneven heating due to more sugar content. This results in the poor appearance of the product caused by the expansion of sugar molecules due to uneven heating. On the other hand, sensory qualities were found to be better retained by the medium matured samples [Jiang et al., 2010a]. In microwave freeze drying of banana chips, serious damage was found to occur at the primary drying stage due to thawing and hence greater change in the expansion ratio was found to occur in the secondary drying stage [Jiang et al., 2010b]. This causes drastic changes in the starch and sugar content, as well as color and structure. Hence it was recommended to operate at gentle conditions during primary stage of freeze drying in order to obtain high quality of products [Jiang et al., 2010b].
Wang et al. (2009; 2010a) investigated the microwave freeze drying of instant vegetable soup and it was reported that the microwave power influenced the drying rate as well as sensory qualities of the dried product. The vegetable soup mix contained ingredients such as cabbage, carrot, tomato, spinach, mushroom, water, salt, sugar and monosodium glutamate in certain proportions. After cooling, the soup was kept in a refrigerator until it reaches a temperature of -30 °C. The optimal drying of vegetable soup of thickness 15-20 mm and 450 g can be attained at a temperature of 50-60 °C and at a microwave power 450¬675 W. Although drying time was found to be reduced with the decreasing material load and thickness, too thin a material might cause the deterioration of the material [Wang et al., 2009]. In another study, NaCl and sucrose content had significant effect on the drying rate of instant vegetable soup, while sodium glutamate had no significant effect on the drying rate [Wang et al., 2010a]. The optimal vegetable soup ingredients required for obtaining better drying characteristics during microwave freeze drying was found to be 3.2 - 5.3 g of NaCl per 100 g of water, 2 - 6.8 g of sucrose per 100 g of water and sodium glutamate content of less than 4.5 g per 100 g of water [Wang et al., 2010a].
Most of the microwave assisted drying of fruits and vegetables were performed in lab scale and hence more industrial scale applications with optimizations need to be conducted. [Zhang et al., 2006]. Also, optimal combination of microwave combined with other drying methods need to be determined in order to find suitable microwave power, type of drying and order of combination of microwave and conventional treatment [Zhang et al., 2006]. The energy consumption for microwave vacuum drying is very low compared to that of other microwave assisted processes and hence it can be used for large scale production. Microwave freeze drying has the advantages of obtaining products of high quality and better appearance.
However, more studies on process modeling and optimization need to be conducted to accurately predict the drying rate, energy efficiency and product quality [Zhang et al., 2006]. The manufacturing of larger microwave system with good control unit suitable for the food production also needs to be studied in order to utilize the pilot scale results in industrial level applications. Also, special phenomena such as hotspots, thermal runaway and plasma discharge / arcing need to be studied in detail, to eliminate them during microwave-related combination drying [Zhang et al., 2006].
Translation - Serbian 4. Sušenje mikrotalasima
Prilikom sušenja prehrambenih materijala, cilj je ukloniti vlagu, pritom ne utičući na fizički i hemijski sastav prehrambenih materijala. Takođe je važno očuvati prehrambene proizvode i podići im stabilnost pri skladištenju, što se može postići sušenjem. Dehidracija hrane može se postići putem različitih metoda sušenja, kao što su sušenje na suncu (na otvorenom), dimljenjem, konvekcionim sušenjem, sušenjem u dobošu, sprej-sušenjem, sušenjem u sušačima koji rade na “fluidized bed” principu, sušenjem smrzavanjem, eksplozivnim udarima vazduha i osmotskim sušenjem [Cohen and Yang, 1995]. Sušenje na suncu i dimljenje su jeftine tehnike koje se koriste za sušenje mesa i prehrambenih proizvoda dobijenih iz mora. Da bi se sušenje vršilo stalno, nezavisno od vremenskih uslova, mogu se koristiti konvekciono ili sušenje pomoću doboša. Slično tome, sprej-sušenje se može koristiti za sušenje tečnosti, instant čaja ili kafe, kada je prihvatljivo dobiti konačni proizvod u sferičnom obliku. Na sličan način se komercijalizovano sušenje, pomoću sušača koji rade po “fluidized bed” principu, koristi za sušenje celih zrna graška i mlečnih proizvoda [Cohen and Yang, 1995]. Sušenje pomoću mikrotalasa ima svojih prednosti, zato što se sušenje obavlje veoma brzo i popravlja se kvalitet nekih prehrambenih proizvoda. Nivo apsorpcije energije kontroliše se pomoću WET proizvoda, koji se mogu koristiti u cilju selektivnog zagrevanja pojedinih unutrašnjih delova uzorka koji sadrže vlagu, a da se pritom ne utiče na spoljašnje delove uzorka. Mikrotalasno sušenje se smatra veoma korisnim tokom perioda propadanja ili kvarenja hrane. Prilikom propadanja ili kvarenja hrane, difuzija usporava ceo process imajući za rezulatat smanjenja ili skupljanja prehrambenih proizvoda strukturno, smanjujuči sadržaj vlage u površinskim slojevima proizvoda. Međutim, prilikom mikrotalasnog sušenje, usled volumetrijskog zagrevanja, isparenja nastaju unutar prehrambenog proizvoda i stvara se unutrašnji gradijent pritiska koji tera vodu napolje. Skupljanje prehrambenog materijala je, na taj način, sprečeno prilikom mikrotalasnog sušenja. Kombinovanje mikrotalasne enrgije sa drugim izvorima energije, može da unapredi efikasnost sušenja, kao i kvalitet prehrambenog proizvoda, koji je daleko bolji nego onaj koji se može ostvariti korišćenjem samo sušenja mikrotalasima, ili drugim pojedinačnim konvencionalnim metodama sušenja [Zhang et al., 2006].
Prilikom sušenja peršuna, koje je vršio Soysal (2000), sušenje je vršeno prevashodno tokom perioda stabilnog kvaliteta i tokom perioda propadanja tj.kvarenja. Primećeno je da se vreme trajanja sušenja skraćuje sa porastom snage korišćenih mikrotalasa. Sušeni listovi peršuna zadržali su prebojenost i promene u nivou snage mikrotalasa koji su korišćeni, nisu uticale na parametre prebojenosti [Soysal 2004]. U drugoj studiji, uočeno je da se mikrotalasno sušenje kolutova špargarepe, odvija tokom perioda propadanja šargarepe, a ne tokom perioda u kome se održava stabilan kvalitet šargarepe. Prilikom korišćenja mikrotalasa visoke snage, događa se ubrzan prenos mase iz središta kolutova šargarepe, zbog stvaranja veće količine toplote u središtu . Takođe je uočeno da, kako raste debljina koluta, opada sadržaj beta-karotena u kolutu šargarepe i rehidracija duže traje. Veoma veliko volumetrijsko zagrevanje izaziva visok pritisak unutar uzorka hrane što za rezultat ima kuvanje i bubrenje uzorka. Tada je primećen i manji sadržaj beta-karotena i otežana rehidracija uzorka [Wang and Xi, 2005].
Ozkan i saradnici (2007) proučavali su mikrotalasno sušenje listova spanaća u cilju redukovanja sadržaja vlage za 99%. Kada je vrednost snage mikrotalasa koji su korišćeni prelazila 350 W, potrošnja energije je ostajala nepromenjena. Otkriveno je da je mikrotalasno sušenje efikasnije u radnim uslovima od 750 W snage i pri trajanju sušenja od 350 s. Pri ovim radnim uslovima postignute su optimalne karakterestike osušenog spanaća (u smislu vremena potrebnog za sušenje, potrošnje energije, kriterijuma prebojenosti i sadržaja askorbinske kiseline) [Ozkan et al., 2007]. Lombrana i saradnici [2010] ispitivali su sušenje pečuraka korišćenjem jednomodne mikrotalasne aparature, koja je radila na 2.45 GHz. Eksperimenti su izvođeni praćenjem i kontrolom temperature i pritiska. Uzorci su sečeni u parčiće paralelopipednog oblika i osušene pečurke su opisivane pomoću SEM i BET analize. Kada je optička sonda plasirana u uzorke koji su se nalazili na sredini prostorije za sušenje, primećeno je umereno skupljanje bez velike količine praznog prostora. Ali kada je sonda plasirana u uzorke na bilo kojoj od ivica uzorka za sušenje, primećeno je formiranje velikih šupljina, usled pobuđivanja veće količine vodene pare u ovim delovima uzoraka. Uz to, smanjivanje je dovelo do nastanka nehomogene strukture. Tokom mikrotalasnog zagrevanja, voda prisutna u sredini uzorka brže se zagreva nego u obodima uzorka, što za posledicu ima inverzni ili obrnuti temperaturni profil. Rezultati su pokazali da se, pri niskim vrednostima pritiska i pri umerenom mikrotalasnom zagrevanju (snaga od 120 W), postiže brži tempo sušenja i kvalitet pečuraka je takođe dobar. Na niskim vrednostima snage mikrotalasa (60 W), postignut je dobar kvalitet pečuraka, ali na račun usporenog sušenja, dok prilikom primene mikrotalasa visoke snage (240 W) ili primenom uslova atmosferskog pritiska, primećeno da se sušenje obavlja neefikasno, uz formiranje velikih šupljina i prisustvo vlage, zarobljene unutar uzorka. Stoga se za sušenje iseckanih pečuraka u uslovima niskog pritiska, preporučuje korišćenje mikrotalasa umerene snage [Lombrana et al., 2010].
Jedna od mana sušenja pomoću mikrotalasa je da previsoka temperature duž rubova uzoraka koji se suše, ima za posledicu zagorevanje proizvoda i nastajanje neprijatnih ukusa, naročito tokom završnih faza sušenja. Ovo se dešava usled teškoće da se, prilikom mikrotalsanog sušenja, kontroliše temperatura konačnog proizvoda, dok prilikom sušenja na vrelom vazduhu, temperatura proizvoda nikada ne prelazi vrednost temperature vrelog vazduha koji se koristi za sušenje. Dubina prodiranja mikrotalasa frekvencije 2.45 GHz ima ograničenu primenu, kada je u pitanju sušenje velikih količina hrane, dok primena talasa radiofrekvencija 10–300 MHz može da da veću dubinu prodiranja. Brzi prenos mase, iz unutrašnjih delova ka površini, može da izazove promenu u teksturi hrane zvanu “puffing” ili bujanje, bubrenje, narastanje, što može da bude željeni ili neželjeni efekat u zavisnosti od prirode konačnog proizvoda [Zhang et al., 2006]. Zaključujemo da je neophodno kombinovati mikrotalasno sušenje sa konvencionalnim sušenjem da bi se sušenje ubrzalo i da bi se održao kvalitet proizvoda.
4.1 Sušenje na vazduhu uz učešće mikrotalasa
Sušenje na vazduhu potpomognuto mikrotalasima, jedna je od metoda kod kojih se sušenje na vazduhu kombinuje sa mikrotalasima, u cilju ubrzanja procesa sušenja. Mikrotalasi se mogu kombinovati sa sušenjem vrelim vazduhom u tri različita stadijuma procesa sušenja. Prva mogućnost je da se mikrotalasi primenjuju na početku procesa dehidracije, kada se unutrašnjost materijala koji se suši brzo zagreva. Tokom perioda ubzanog sušenja, uspostavlja se stabilni temperaturni profil, na taj način što se slobodna vodena para istiskuje napolje zahvaljujući ubrzanom tempu sušenja. Na ovaj način, nastaje porozna struktura zvana “puffing”(bubrenje, mehuranje), koja još više može da ubrza maseni transfer vodene pare. Tokom perioda usporavanja procesa sušenja, odnosno u finalnim fazama sušenja, brzina sušenja počinje da opada zato što se vlaga nalazi u središtu materijala koji se suši, a uz to se, uz pomoć mikrotalasnog zagrevanja, vodena para istiskuje napolje, u cilju da se sva zarobljena vodena para istera napolje [Zhang et al., 2006].
Prilikom sušenja voća i povrća sa visokim sadržajem vlage, smanjenje sadržaja vlage traje jako dugo, naročito u završnim fazama sušenja. Sušenje potpomognuto mikrotalasima, kao završna faza sušenja vazduhom, prevazilazi ove probleme sa visokom temperaturnom efikasnošću. Sušenje vrelim vazduhom ne postiže veću eliminaciju vlage u završnim fazama procesa sušenja, pošto je proces difuzije veoma usporen.
Sušenje banana je veoma zahtevan postipak, jer se vrši tokom perioda kvarenja, tj. propadanja banana. Međutim, sušenje vrelim vazduhom, kombinovano sa završnim sušenjem pomoću mikrotalasa, skratilo je vreme trajanja sušenje za 64% u odnosu na konvektivno sušenje vazduhom [Maskan, 2000]. U procesu sušenja kivija, otkriveno je da je smanjenje zapremine bilo više izraženo tokom sušenja mikrotalasima, nego prilikom sušenja vrelim vazduhom. Međutim, otkriveno je da se skupljanje kivija javlja u manjem obimu, kada se mikrotalasno sušenje kombinuje sa vazdušnim sušenjem. Takođe, kivi sušen kombinovanom, vreli vazduh-mikrotalasi, metodom sušenja pokazao je veći kapacitet rehidracije, od onog sušenog samo mikrotalasima, ili samo vrelim vazduhom [Maskan, 2001].
Tokom sušenja jabuka i pečuraka vazdušnim sušenjem potpomognutim mikrotalasima, bilo je potrebno postići brzinu kretanja vazduha od minimalno 1 ms, da bi se sprečilo da uzorci hrane dobiju braon boju. U poređenju sa sušenjem vrelim vazduhom, sušenje vrelim vazduhom potpomognuto mikrotalasima, skratilo je process sušenja za jabuke na polovinu i na četvrtinu za pečurke. Pored toga, kapacitet rehidracije ovih jabuka i pečuraka koje su sušene u jednomodnim mikrotalasnim mašinama je bio 20-25% bolji, nego kod uzoraka hrane sušenim u multimodnim aparatima [Funebo and Ohlsson, 1998]. Prilikom sušenja češnjeva belog luka vazduhom potpomognutog mikrotalasima, postignuta je brzina sušenja koja je 80-90% brža od konvencionalne metode sušenja vazduhom i proizvod dobijen na ovaj način imao je bolja svojstva [Sharma and Prasad, 2001]. Češnjevi belog luka, sušeni uz korišćenje mikrotalasa, bili su svetlije boje, zahvaljujući manje prisutnom efektu potamnjivanju i zadržali smo prisustvo nestabilnih komponenti odgovornih za ukus proizvoda [Sharma and Prasad, 2001].
Karakteristike dehidracije tankih kockica šargarepe, dobijenih tokom procesa sušenja vrelim vazduhom potpomognutog mikrotalasima, ispitivane su od strane Prabanjan i saradnika (1995). Rerna šporeta koji se koristi u domaćinstvu (snage 600 W) modifikovana je u cilju postizanja stabilnog protoka vazduha konstantnom brzinom od 1.7 m/s na zadatoj temperature od 45 i 60 C. Primećeno je da se zagrevanjem mikrotalasima skraćuje vreme trajanja sušenja za 25 – 90%, u odnosu na ono potrebno za konvencionalno sušenje na vazduhu. Takođe, boja rehidriranih šargarepa, sušenih na nižem energetskom nivou (< 20%), je bila bolja od uzoraka sušenih na energetskom nivou višem od 40% [Prabanjan et al., 1995]. Ventachalapathy i Raghavan (1999) sprovodili su sušenje pomoću mikrotalasa osmotski dehidriranih jagoda, korišćenjem različitih energetskih nivoa. Jagode su prethodno tretirane sa 2% etil oleatom i 0.5% NaOH, u cilju da se njihova kora učinio prohodnom za difundovanje vlage i da bi se ubrzala dehidracija putem osmoze. Primećeno je da su prilikom rehidracije, parametri kvaliteta jagoda sušenih mikrotalasima, bili ravnopravni ili bolji od onih kod bobica sušenih smrzavanjem. Zahvaljujućim većem unutrašnjem zagrevanju, bobice omekšaju prilikom tretiranja mikrotalasima, za razliku od onih koje se suše zamrzavanjem [Ventachalapathy and Raghavan, 1999]. Takođe je primećeno da se odnos skupljanja (zapremina proizvoda pri nekom određenom sadržaju vlage, u odnosu na zapreminu na početku procesa sušenja) bobica sušenih pomoću mikrotalasa, povećava linearno sa sadržajem vlage [Raghavan and Ventachalapathy, 1999].
Sunjka i saradnici su (2004) proučavali sušenje bobica brusnice pomoću mikrotalasno-konvektivnog i pomoću mikrotalasno-vakuumskog sušenja. Učinak pri sušenju, u smislu mase vode koja je isparila po jedinici utrošene energije, dokazao je da je mikroralasno-vakuumsko sušenje energetski efikasnije od mikrotalsno-konvektivnog sušenja. Nasuprot tome čulna analiza (boja, ukus, tekstura, opšti utisak) pokazala je da su mikrotalasno-konvektivno sušene brusnice bile nešto bolje od onih sušenih mikrotalasno-vakuumski [Sunjka et al., 2004]. Utvrđeno je da je optimalna potrošnja energije pri sušenju kriški bundeve kombinovanom metodom vazdušnog sušenja potpomognutog mikrotalasima, 0.29 kWh, pri radu snagom od 350 W i na temperaturi od 75 ⁰C. Sa druge strane, izmereno je da potrošnja energije pri sušenju vrelim vazduhom na 75 ⁰C iznosi 0.61 kWh [Alibas, 2007]. Gowen i saradnici (2008) razvili su modele za predviđanje kinetike dehidracije i rehidracije tokom kombinovanog sušenja vrelim vazduhom i mikrotalasima prethodno skuvanih zrna soje. Primećeno je da brzina dehidracije i rehidracije raste sa rastom snage mikrotalasa koji su korišćeni, i temperaturom vazduha korišćenog za sušenje. Utvrđeno je da su optimalni uslovi za kombinovano sušenje mikrotalasima i vrelim vazduhom takvi da snaga mikrotalasa bude 210 W i temperatura vazduha iznosi 160 °C [Gowen et al., 2008].
Sousa i saradnici (2004a, 2004b) ispitivali su sušenje banana potpomognuto mikrotalasima, menjajući temperature vazduha (25 to 55 °C) i brzinu protoka vazduha (0.8 to 1.8 m3/min). Sušeni proizvodi imaju veoma dobra organoleptička svojstva, kada su uzorci sušeni mikrotalasima na temperaturi vazduha od 30 °C i sa protokom vazduha 1.1 to 1.65 m3/min. Takođe, boja, slatkoća i tekstura sušenih proizvoda bili su veoma blizu onima u idealno prihvatljivom rasponu vrednosti [Sousa et al., 2004a; 2004b]. Slično tome, Pereira i saradnici (2007) primetili su da se povećavanjem snage mikrotalasa tokom finalnog perioda sušenja pomoću mikrotalasa i vrelog vazduha, u slučaju osmotski dehidriranih banana, brzina sušenja povećava, što skraćuje ukupno vreme trajanja sušenja. Slično tome, može da dođe i do ugljenisanja nekih delova, što se može sprečiti hlađenjem površine proizvoda, obezbeđivanjem niže temperature vazduha ili većeg protoka vazduha [Pereira et al., 2007].
Proces sušenja makadamskih oraha je veoma komplikovan, obzirom da sušenje jezgra zahteva određene konotrolisane uslove, u cilju postizanja nekih minimalnih standarda kvaliteta. Silva i saradnici (2006) ispitivali su izvodljivost sušenja makadamskih oraha, primenom sušenja vrelim vazduhom potpomognutog mikrotalasima. Utvrđeno je da sušenje potpomognuto mikrotalasima skraćuje vreme trajanja sušenja (4.5 – 5.5 h) i podiže kvalitet jezgara, u odnosu na ona dobijena konvencionalnim procesima sušenja (~144 h). Uočeno je da kvalitet proizvoda nije opadao, u smislu odvijanja oksidativnih reakcija, tokom šestomesečnog perioda skladištenja. Uz to, ispitivanja organoleptičkih svojstava dokazala su da proizvodi dobijeri sušenjem potpomognutim mikrotalasima, nisu imali značajno drugačija svojstva od onih dobijenih sušenjem konvencionalnim metodama [Silva et al., 2006].
Efikasnost sušenja pene (kratko sečene testenine) vrelim vazduhom potpomognutog mikrotalasima, uz pomoć rotacione sušilice koja koristi vreli vazduh, uz dodatno delovanje mikrotalasa, ispitivano je od strane Berteli and Marsaioli Jr. (2005). Primećeno je da je prosečno vreme sušenja potpomognutog mikrotalasima (18-19 min) bilo oko 10 puta kraće u odnosu na ono potrebno za konvencionalno sušenje na vazduhu (6.5 h), i da se, kada je u pitanju potreba za prostorom, mikrotalasno sušenje izdvaja po tome što zahteva svega 10% prostora koji je potreban da se sprovede konvencionalno sušenje vrelim vazduhom [Berteli and Marsaioli Jr., 2005]. Tabela 1 pokazje eksperimentalne uslove koji su primenjeni prilikom sušenja potpomognutog mikrotalasima različitih prehrambenih materijala. Da rezimiramo, uočeno je da je sušenje potpomognuto mikrotalasima veoma korisno u završnim fazama sušenja prehrambenih proizvoda, naročito prilikom sušenja voća i povrća. Pored ubrzavanja procesa sušenja, sušenje na vazduhu potpomognuto mikrotalasima povećava kapacitet rehidracije suvih proizvoda i takođe rešava probleme skupljanja proizvoda.
4.2 Vakuumsko sušenje potpomognuto mikrotalasima
Tokom vakuumskog sušenja molekuli vode koji poseduju veliku količinu energije difunduju na površinu i isparavaju usled niskog spoljašnjeg pritiska. Usled toga, vodena para se koncentriše na površini proizvoda i nizak spoljašnji pritisak dovodi do toga da tačka ključanja vode opada. Sušenje vakuumom na ovaj način sprečava oksidaciju uzorka jer nema vazduha, i čuva teksturu, prebojenost i ukus suvih proizvoda. U odsustvu konvekcije mikrotalasa, bilo sprovođenje ili zračenje mikrotalasa se mogu kombinovati sa vakuumskim sušenjem, da bi se unapredila toplotna efikasnost [Berteli and Marsaioli Jr., 2005].
Vakuumsko mikrotalasno sušenje kolutova banana, posmatrano je pri snazi mikrotalasa od 150 W i uslovima vakuuma sa pritiskom nižim od 2500 Pa [Drouzas and Schubert, 1996]. Utvrđeno je da je sušenje postignuto za manje od 30 minuta ne prelazeći temperature od 70 °C, uz kvalitet dobijenih proizvoda koji je uporediv sa kvalitetom proizvoda dobijenih sušenjem zamrzavanjem. Osušeni proizvod takođe je imao izvrstan ukus i nije bilo skupljanja niti promene prebojenosti [Drouzas and Schubert, 1996]. Pri mikrotalasnom vakuumskom sušenju modela voćnog gela (simuliran je koncentrisani sok od pomorandže), smanjenje sadržaja vlage sa 38.4% na manje od 3% postignuto je za manje od 4 minuta, dok je konvencionalnim sušenjem na vazduhu bilo potrebno više od 8 sati da se postigne sadržaj vlage od 10% [Drouzas et al., 1999].
Ispitivanje vakuumsko-mikrotalsnog sušenja kolutova šargarepe pokazalo je da ovako dobijeni proizvodi imaju veći sadržaj alfa-karotena i vitamina C, mekšu teksturu, veći potencijal za rehidraciju i manju promenu prebojenosti od onih proizvoda dobijenih sušenjem na vazduhu [Lin et al., 1998]. Otkriveno je da su gubici u sadržaju alfa- i beta-karotena veoma mali, zahvaljujući veoma brzom zagrevanju i uklanjanju kiseonika tokom procesa vakuumizacije. Vitaminin su, po pravilu, osetljivi na toplotne promene i oštećenje, kao i na oksidaciju, dok se kod vakuumskog sušenja potpomognutog mikrotalasima eliminišu obe ove pojave, što dovodi do toga da se očuva visok sadržaj vitamina [Lin et al., 1998]. U drugom istraživanju mikroralasno-vakuumskog sušenja, kolutovi šargarepe podvrgnuti su mikrotalasima snage 400 W i očuvali su 88 % sadržaja beta-karotena [Mayer-Miebach et al., 2005]. Vreme prerade prilikom mikrotalasno-vakuumskog sušenja na 70 °C izmereno je kao kraće (1.5 hours) u odnosu na ono potrebno za konvektivno sušenje (3.5 hours). Mikrotalasno-vakuumsko sušenje korišćenjem mikrotalasa veće snage (600 W), dovelo je do značajnog gubitka beta-karotena. U zaključku, mikrotalasno sušenje umerenom snagom ima za posledicu mali gubitak beta-karotena, skraćujući pritom vreme potrebno za preradu [Mayer-Miebach et al., 2005].
Hu i saradnici (2006; 2007) ispitivali su sušenje vrelim vazduhom i sušenje vakuumsko-mikrotalasnom metodom edamame soje i otkrili su da se sekvencijalnim kombinovanjem sušenja vrelim vazduhom i vakuumsko-mikrotalasnim sušenjem dobijaju bolji rezultati, od onih dobijenih primenom svake od ove dve metode posebno. Slike 2a i 2b pokazuju efekat snage mikrotalasa i pritiska vakuuma, na vreme potrebno za sušenje [Hu et al., 2006]. Vreme potrebno za sušenje se u značajnoj meri skraćuje sa porastom snage mikrotalasa, kao i sa opadanjem mase materijala koji se suši. Primena snažnog vakuuma može da unapredi isparavanje i oslobađanje vode iz materijala, ali sa druge strane može da dovede i do električnog varničenja, što može za rezultat da ima pregrevanje prehrambenog proizvoda. Optimalni uslovi za sušenje edamame soje dati su na sledeći način: (I) sušenje vrelim vazduhom na 70 °C tokom 20 minuta, i (II) vakuumsko mikrotalasno sušenje, korišćenjem mikrotalasa snage 9.33 W/g i vakuumskog pritiska od 95 kPa (pritisak na manometru), tokom 15 minuta [Hu et al., 2006; 2007]. U drugom istraživanju, ispitivani su kinetika i karakteristike sušenja, pri vakuumskom mikrotalasnom sušenju režnjeva krompira, korišćenjem mikrotalasa različitih nivoa snage (140, 240 and 340 W) i vakuumskog pritiska (40, 60 and 80 kPa) [Song et al., 2009]. Iako se brže zagrevanje postizalo kako upotrebom mikrotalasa veće snage tako i primenom nižeg pritiska, efekat primene niskog pritiska nije bio tako značajan kao povećavanje snage mikrotalasa [Song et al., 2009]. Tabela 2 pokazuje sušenje različitih prehrambenih materijala metodom vakuumskog sušenja, potpomognutog mikrotalasima.
U zaključku, vakuumsko sušenje potpomognuto mikrotalasima primenjuje se za sušenje osetljivih materijala kao što su banana, šargarepa, krompir itd. Gubitak hranljivih svojstava (vitamina, alfa i beta.karotena itd.) prehrambenih proizvoda, prilikom sušenja vakuumom potpomognutim mikrotalasima je minimalan, zbog neizlaganja toploti i kiseoniku.
Sušenje zamrzavanjem se razmatra kao jedna od suptilnih tehnika fine dehidracije, koja se primenjuje na hranu koja je osetljiva na toplotu, farmaceutske i biološke materijale [Zhang et al., 2006]. Prilikom sušenja zamrzavanjem temperatura se spušta i primenom vakuuma tj. niskog pritiska, smrznuta voda se direktno prevodi u vodenu paru, pritom ne prolazeći kroz tečno agregatno stanje. Na taj način, pore su očuvane i proizvod može da se rehidrira veoma brzo. Takođe, korišćenjem ove metode gubitak ukusa može da se svede na minimum. Obzirom da sušenje zamrzavanjem zahteva puno vremena, ova metoda se primenjuje samo za veoma važne ili veoma osetljive materijale [Cohen and Yang, 1995]. Sušenje zamrzavanjem potpomognuto mikrotalasima može da se primeni na dva načina: (I) sušenje zamrzavanjem prati istovremena primena mikrotalasa ili sušenje zamrzavanjem uz istovremenu primenu mikrotalasa koji u tom procesu pomažu i (II) sušenje mikrotalasima se primenjuje nakon što se sušenje zamrzavanjem završi. Primenom prvog tipa sušenja, čitav process sušenja se odvija u vakuumskom okruženju, a polje mikrotalasa se primenjuje da bi obezbedilo toplotu za sublimaciju, koja je neophodna da bi se sprovelo sušenje zamrzavanjem. Tokom drugog tipa sušenja, proces sušenja je podeljen u dve faze : (I) sušenje zamrzavanjem nakon koga sledi (II) mikrotalasno vakuumsko sušenje [Duan et al., 2010a]. Kombinovanje sušenja zamrzavanjem sa sušenjem mikrotalasima pruža prednosti kao što su skraćenje vremena prerade i bolji kvalitet proizvoda [Zhang et al., 2006]. Iako je kvalitet proizvoda dobijenih sušenjem zamrzavanjem bolji od onih dobijenih konvencionalnim metodama sušenja, zbog niske temperature prerade i odsustva kiseonika iz procesa, sušenje zamrzavanjem je dugotrajan i skup proces dehidracije, koji ima mali prinos (autput), zahteva velika ulaganja i ima velike energetske troškove. Obzirom da mikrotalasi ne interaguju dobro sa ledom, moguće je da temperatura u pojedinim tačkama izmakne kontroli zbog lokalizovanog otapanja u zamrznutoj zoni, što može da bude problem prilikom sušenja zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima. Takođe, tokom industrijske primene, može da se dogodi pražnjenje plazme, odnosno varničenje, što za rezultat ima loš kvalitet proizvoda, a ponekad može da dovede i do uništavanja proizvoda. Mogućnost da dođe do pojave plazme povezana je sa pritiskom u komori. Da bi se verovatnoća da dođe do varničenja smanjila na minimum, predloženo je da se tokom rada na niskom priitsku koriste mikrotalasi slabog nivoa snage. Takođe, ciklične promene pritiska, od niskog ka umerenom, mogu da dovedu plazmatsko pražnjenje pod kontrolu. Na taj način, pritisak u komori postaje parametar čijim promenama može da se stavi pod kontrolu, ili spreči, plazmatsko pražnjenje. Uopšteno govoreći, sušenje zamrzavanjem potpomognuto mikoralasima predstavlja kompleksan problem, kada je u pitanju kontrolisanje ovog procesa [Zhang et al., 2006].
Duan i saradnici (2008; 2010b) vršili su procenu sušenja morskog krastavca prekrivenog nano-partikulama srebra, metodom zamrzavanja potpomognutog mikrotalasima. Nano-partikule srebra imaju širok raspon antibakterijskog delovanja, obzirom da lako prodiru u ćelije mikroorganizama i vrše inaktivaciju određenih enzima. Slika 3 pokazuje shemu podešavanja svih faktora koji moraju da se uspostave prilikom sušenja prehrambenih materijala zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima [Duan et al., 2010b]. Sušenje zamrzavanjem potpomognuto mikrotalasima, u kombinaciji sa omotačem od nano-partikula srebra, u značajnoj meri je smanjilo broj mikroorganizama u odnosu na broj koji se javlja pri ovakvom sušenju, kada se ne primeni omotač od nano-partikula srebra. Omotač od nano-partikula srebra nije uticao na efikasnost sušenja, niti na organoleptička svojstva proizvoda, dobijenog sušenjem zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima [Duan et al., 2008]. Tokom sušenja morskog krastavca metodom zamrzavanja, potpomognutog mikrotalasima, uloženo je puno truda u pravcu smanjenja pražnjenja iz korone, ili pražnjenja koje bi moglo da dovede do pregrevanja ili paljenja prehrambenog materijala. Zabeleženo je da pritisci u rasponu od 100 – 200 Pa po pravilu izazivaju pražnjenje iz korone i zbog toga je pritisak u rasponu 50 – 100 Pa predložen za sušenje zamrzavanjem, potpomognuto mikrotalasima. Takođe je predloženo da se u slučajevima niske vlažnosti, smanji snaga mikrotalasa, obzirom da pražnjenje kroz vazduh može da se dogodi usled smanjenog sadržaja vlage [Duan et al., 2010b]. Prilikom sušenja zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima primenjenog na kupusu, brzina ovakvog sušenja bila je dvostruko veća, nego brzina sušenja istog materijala vakuumskim sušenjem zamrznutog materijala. Mikrotalasi su prilikom sušenja zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima, uticali na brznu sušenja tokom perioda kvarenja (propadanja) više nego što su imali uticaja na brzinu sušenja hrane koja se nalazila u periodu stabilnog kvaliteta. Otkriveno je da brzina sušenja zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima raste sa opadanjem debljine materijala i opadanjem pritiska u prostoru u kome se obavlja sušenje. Uz to, sušenje zamrzavanjem potpomognuto mikrotalasima imalo je značajne sterilizacione efekte na prehrambeni materijal, obzirom na postojanje kombinovanih termalnih i bioloških uticaja, koji su dovodili do odumiranja mikroorganizama [Duan et al., 2007].
Kolutovi banana visoke zrelosti koji su imali visok sadržaj šećera, zahvaljujući čemu su se brzo sušili, posmatrani su kao vrsta hrane koja bi mogla da se suši zamrzavanjem potpomognutim mikrotalasima [Jiang et al., 2010a]. Da napomenemo da molekuli šećera imaju veći faktor dielektričnog gubitka od kristala leda, i zahvaljujući tome apsorbuju više mikrotalasne energije, konvertujući je efikasno u toplotu. Uzorci veće zrelosti pokazivali su bolje parametre kvaliteta kao što su boja, brzina rehidracije i čvrstoća, od onih uzoraka koji su bili niskog ili srednjeg stepena zrelosti. U isto vreme, uzorci visokog stepena zrelosti neravnomerno su se zagrevali zbog visokog sadržaja šećera u uzorcima. Ovo za rezultat ima prehrambeni proizvod neadekvatnog izgleda, što je posledica širenja molekula šećera usled neravnomernog zagrevanja. Sa druge strane uočeno je da su senzorna (ogranoleptička) svojstva bolje očuvana kod uzoraka srednjeg nivoa zrelosti [Jiang et al., 2010a]. Prilikom sušenja komadića banana zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima, uočeno je da se velika oštećenja na uzorcima hrane događaju u primarnoj fazi sušenja usled otapanja, i samim tim većih promena u razmeri širenja uzorka hrane, što je uočeno u drugoj fazi ovog procesa sušenja [Jiang et al., 2010b]. Ovo dovodi do velikih promena u sadržaju skroba i šećera, kao i u boji i strukturi uzorka hrane Zbog toga je preporučeno da bi, tokom prvog stadijuma sušenja zamrzavanjem, trebalo raditi u blagim uslovima (umerena temperatura, pritisak…) da bi se očuvao kvalitet proizvoda [Jiang et al., 2010b].
Wang i ostali (2009; 2010a) ispitivali su sušenje zamrzavanjem potpomognuto mikrotalasima instant supe od povrća i primećeno je da je snaga mikrotalasa uticala na brzinu sušenja, kao i na organoleptička svojstva suvog proizvoda. Mešavina supe od povrća sadržala je sastojke kao što su kupus, šargarepa, paradajz, spanać, pečurke, vodu, so, šećer i Na-glutamat u određenom odnosu. Nakon hlađenja supa je držana u hladnjaku dok nije dostigla temperaturu od -30 °C. Optimalno sušenje supe od povrća debljine sloja od 15-20 mm i težine 450 g, ostvareno je na temperaturi 50-60 °C i korišćenjem snage mikrotalasa 450-675 W. Iako je otkriveno da se vreme sušenja skraćuje sa smanjenjem ukupnog sadržaja materijala koji se suši i debljine sloja materijala, previše rastanjen materijal može da podlegne i bude oštećen tokom procesa sušenja [Wang et al., 2009]. U drugoj studiji primećeno je da sadržaj NaCl i sukroze imaju značajan uticaj na brzinu sušenja supe od povrća, dok je primećeno da Na-glutamat nije imao značajan uticaj na brzinu sušenja [Wang et al., 2010a]. Optimalni sastojci supe od povrća, potrebni da bi se došlo do boljih karakteristika sušenja prilikom sušenja zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima, utvrđeni su kao 3.2 - 5.3 g NaCl na 100 g vode, 2 - 6.8 g sukroze na 100 g vode i manje od 4,5g Na-glutamata na 100g vode [Wang et al., 2010a].
Većina istraživajna sušenja voća i povrća zamrzavanjem potpomognutog mikrotalasima, obavljeno je u laboratorijskim razmerama, pa bi zato za primenu u industrijskim razmerama bilo potrebno sprovesti optimizaciju procesa [Zhang et al., 2006]. Takođe, potrebno je utvrditi optimalnu kombinaciju mikrotalasa sa drugima metodama sušenja, u cilju pronalaženja odgovarajuće snage mikrotalasa, vrste sušenja i reda kojim bi se kombinovali sušenje mikrotalasima i konvencinmalni načini sušenja [Zhang et al., 2006]. Potrošnja energije prilikom vakuumskog sušenja potpomognutog mikrotalasima je veoma niska, u odnosu na potrošnju energije kod drugih postupaka potpomognutih mikrotalasima, pa je zbog toga moguće koristiti je u proizvodnji velikih razmera. Sušenje zamrzavanjem potpomognuto mikrotalasima ima prednost, utoliko što se dobijeni proizvodi izdvajaju visokim kvalitetom i dobrim izgledom. Međutim, potrebno je sprovesti još studija na temu modelovanja samog procesa i njegove optimizacije, da bi dovoljno tačno mogli da se predvide brzina sušenja, energetska efikasnost i kvalitet dobijenog proizvoda [Zhang et al., 2006]. Takođe je potrebno proučiti mogućnost proizvodnje velikog mikrotalasnog sistema sa dobrom kontrolnom jedinicom, pogodnog za proizvodnju hrane u cilju korišćenja rezultata dobijenih prilikom izrade ovakvih pilot serija na industrijskom nivou proizvodnje. Takođe, potrebno je pažljivo proučiti fenomene kao što su vrele tačke, nekontrolisano zagrevanje i plazmatsko pražnjenje, odnosno varničenje, da bi se isti eliminisali tokom kombinovanih vidova sušenja, u kojima učestvuje sušenje mikrotalasima [Zhang et al., 2006].
English to Serbian: Microwave food processing- a review PART IV General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English 5. Microwave pasteurization and sterilization
Pasteurization and sterilization are done with the purpose of destroying or inactivating microorganisms to enhance the food safety and storage life [Nott and Hall, 1999]. In order to ensure that pathogenic microorganisms are killed, the food material is maintained at a particular temperature for a particular period of time. Pasteurization is a process in which pathogenic microorganisms such as bacteria in the vegetative form are destroyed by the thermal treatment. Pasteurization also involves inactivation of undesirable enzymes which causes cloud loss in certain juices.
Pasteurization can be achieved by novel thermal (RF and ohmic heating) and non¬thermal technologies (high hydrostatic pressure, UV treatment, pulsed electric field, high intensity ultrasound, ionizing radiation and oscillating magnetic field) without affecting the color, flavor or nutritive value of food materials [Pereira and Vincente (2010)]. In ohmic heating, the heating occurs due to the electrical resistance caused by the food materials when a current is passed through them. For pulsed electric field process, a very high voltage was applied for a very short time through the fluid. This generates mild heat and cell disruption of microorganisms occurs due to electroporation. During high hydrostatic pressure process, pressures of 100 to 1000 MPa were applied and as a result, large micro organisms or enzymes consisting of large molecules were affected. This technique is used for the aroma components for which the sensory and nutritional qualities need to be maintained. The advantages of high
hydrostatic pressure process are the release of minimal heat, homogeneous nature of the
process and its applicability to packaged materials. Most of the novel and non-thermal
techniques provide energy savings upto 70% compared to the traditional cooking methods
[Pereira and Vincente, 2010]. .^^^^^
5.1 Microwave pasteurization - mechanism
Destruction of microbes or enzymes by microwave or radio frequency waves at sublethal temperatures was explained by one or more of the following theories: selective heating, electroporation, cell membrane rupture and magnetic field coupling [Kozempel et al., 1998]. The selective heating theory suggests that the micro organisms are selectively heated due to microwaves and reach temperature higher than that of surrounding fluid. This causes the microorganisms to be destroyed more quickly. According to the electroporation theory, the electrical potential across the cell membrane causes pores, which results in the leakage of cellular materials. In the cell membrane rupture theory, cell membrane is ruptured due to the voltage applied across the cell membrane. According to the magnetic field coupling theory, the internal components of the cell are disrupted due to the coupling of electromagnetic energy with critical molecules such as protein or DNA [Kozempel et al., 1998]. Although various theories suggest non-thermal effect of microwaves, it was further observed that in the absence of other stresses such as pH or heat, microwave energy did not inactivate micro organisms. However, significant enhancement or magnification of thermal effects might have been caused by microwaves [Kozempel et al., 2000]. Regardless of the exact origin of the enhancement of thermal effect, it is clear that microwaves are effective in destruction of micro organisms or inactivation of enzymes.
5.2 Microwave pasteurization of fluid food materials:
The application of microwave pasteurization has been largely applied to fluid foods such as pasteurization of fresh juices and sterilization of milk. Microwave pasteurization of fresh juice and microwave sterilization milk were reviewed by Salazar-Gonzalez and co¬authors (2012). Microbial and enzyme inactivation of various fluid foods such as apple juice, apple cider, coconut water, grapewater juice, milk and sweet potato puree were reviewed. It was reported that with the knowledge of dielectric properties, the appropriate conditions for applying microwave energy and desired process lethality could be obtained [Salazar-Gonzalez et al., 2012].
5.3 Microwave pasteurization of solid food materials
Pasteurization of in-shell egg can be achieved with the help of microwaves [Dev et al., 2008]. It was known that the albumen had higher dielectric properties than yolk. On contrary, microwave heating of in-shell egg did not show any significant difference in the heating rate of albumen and yolk. The enhanced interior heating might be due to the combination of egg geometry, dielectric properties and size of the egg. It was shown that the microwave pasteurization of shell eggs can be achieved without losing the shell integrity of eggs [Dev et al., 2008]. In another study, microwave pasteurization was used for the inactivation of Salmonella typhimurium in the yolk of shell eggs [Shenga et al., 2010]. A 22% reduction of microbes was attained for microwave irradiation of 15 seconds whereas 36% reduction was achieved by moist heat treatment of 15 minutes [Shenga et al., 2010].
Microwave pasteurization of pickled asparagus achieved the required temperature for pasteurization twice as fast as (15 min for 1 kW and 9 min for 2 kW) conventional heating (30 min). The thermal degradation of asparagus was more when it was subjected to conventional treatment compared to when it was subjected to microwave heating [Lau and Tang, 2002]. Similarly, microwave pasteurization was able to achieve 2-fold reduction in the number of Alicyclobacillus acidoterrestris spores in a cream of asparagus at the following process conditions: 100% microwave power for 5 min, 90% microwave power for 6 min and 80% microwave power for 7 min [Giuliani et al., 2010].
5.4 Microwave sterilization
Packed food products can be sterilized using various novel techniques such as UV light, microwave irradiation, ozone and cold plasma [Guillard et al., 2010]. There are cases for which food materials can be treated as such while others in the packed conditions. Packaging materials consists of low molecular weight compounds (plasticizer, reticulants, anti-oxidants, etc.) which might degrade and migrate into food materials. Several substances such as plasticizers and benzene were found to have non-negligible toxicological effect that had migrated in quantities higher than the permitted values. Ozone, due to its strong oxidant nature either in gaseous or aqueous form, could be used as a disinfectant for treating foods and food packaging materials. Similarly, UV light in the wavelength range of 250-280 nm is found to be effective against micro-organisms. However, it was found that ozone and UV light might cause cross linking or degradation of polymers in food packages. This results in the formation of new byproducts and can migrate into the food materials. Similarly, during high temperature microwave heating, benzene was produced due to the degradation of polymer chains, additives or adhesive layers. The irradiation and industrial microwave treatment was found to save cost and time and improve the quality. Glass, paper and ceramic were used for microwave packaging [Guillard et al., 2010]. Significant reduction in bacterial count (Pseudomonas fragi and Escherichia coli) was achieved, when UV, laser and microwave heat treatments were applied in sequence [Maktabi et al., 2011]. The overall microbial reduction was higher than that of the microbial reduction achieved by the individual treatments. The order of the treatment also had significant results in such a way that the microbes were more effectively destroyed by applying laser initially then microwave and then finally UV treatment [Maktabi et al., 2011]. According to U.S. Food and Drug
Administration (2000), the additional inactivation or non-thermal inactivation effect of microwave process on microbial activation is inadequate in degree. Hence, when describing the inactivation kinetics of microwave heating, it is recommended to include only thermal effects in the model [Food and Drug Administration, 2000]. However, more recently, U.S. Food and Drug Administration has approved microwave sterilization process for mashed potatoes in trays and salmon fillet in sauce in pouches [Brody 2012]. The process involves immersing the packaging food in pressurized hot water and simultaneously heating with microwaves at a frequency of 915 MHz and this technology was developed in Washington State University. This results in the elimination of food pathogens and spoilage microorganisms in five to eight minutes and produce safe food at high quality.
Thus, microwave pasteurization of solid food products has some advantages over conventional treatment in terms of duration, whereas other novel techniques may also need to be combined to obtain the optimal process sequence.
Translation - Serbian 5. Mikrotalasna pasterizacija i sterilizacija
Pasterizacija i sterilizacija se vrše sa ciljem da se unište ili inaktiviraju mikroorganizmi, što unapređuje bezbednost i rok trajanja hrane [Nott and Hall, 1999]. Da bi se osigurali da su patogeni mikroorganiozmi uništeni, patogeni mikroorganizmi se drže na određenoj temperaturi određeno vreme. Pasterizacija je proces tokom koga se patogeni mikroorganizmi, kao što su bakterije u vegetativnom obliku, uništavaju toplotnim tretmanom. Pasterizacija takođe obuhvata inaktivaciju nepoželjnih enzima koji izazivaju gubitak zamućenosti (sleganje, izdvajanje faza) kod određenih sokova.
Pasterizaciju je moguće postići korišćenjem novih termalnih (RF i omsko zagrevanje) i netoplotnih tehnologija (visok hidrostatski pritisak, UV zračenje, pulsno električno polje, UZ visokog intenziteta, jonizujuće zračenje i oscilujuće magnetno polje), bez uticaja na boju, ukus i hranljivu vrednost prehrambenog materijala [Pereira and Vincente (2010)]. Prilikom omskog zagrevanja, zagrevanje se dešava usled otpora koji, protoku električne struje, pruža prehrambeni material. Proces pasterizacije pulsnim električnim poljem podrazumeva primenu proticanja struje veoma visokog napona veoma kratko vreme, kroz fluid. Ovo dovodi do nastanka veoma blagog zagrevanja, dok poremećaj na ćelijskom nivou mikroorganizama nastaje usled elektroporacije. Tokom procesa pasterizacije putem primene visokog hidrostatskog pritiska, pritisci 100 to 1000 MPa se primenjuju na prehrambeni proizvod i kao rezultat toga veliki mikroorganizmi ili enzimi koji se sastoje od velikih molekula bivaju oštećeni. Ova tehnika se koristi kada je potrebno očuvati čulna i hranljiva svojstva određenih komponenti arome prehrambenih proizvoda. Prednosti procesa pasterizacije, putem primene visokog hidrostatskog pritiska, su oslobađanje minimalne toplote, homogena priroda procesa i primenljivost procesa na zapakovani prehrambeni material. Većina novih i netoplotnih tehnika pružaju uštedu u energiji i do 70%, u odnosu na tradicionalne metode kuvanja [Pereira and Vincente, 2010].
Mikrotalasna pasterizacija – mehanizam
Uništavanje mikroba ili enzima pomoću talasa frekvencije mikrotalasa ili radiotalasa, na temperaturama koje su ispod letalnih za ove mikroorganizme, objašnjeno je primenom jedne ili više sledećih teorija: selektivnim zagrevanjem, elektroporacijom, rupturom ćelijske membrane i usaglašavanjem (uparivanjem) delovanja magnetnih polja [Kozempel et al., 1998]. Teorija selektivnog zagrevanja predlaže objašnjenje navedenih pojava, kao posledicu toga što se mikroorganizmi selektivno zagrevaju prilikom delovanja mikrotalasa, i dostižu temperature koje su više u odnosu na one koje dostiže njihovo okruženje. Ovo dovodi do toga da mikroorganizmi budu brže uništeni. Prema teoriji elektroporacije, nastanak električnog potencijala na površini ćelijske membrane, izaziva nastanak otvora u membrani, što za rezultat ima curenje ćelijskog sadržaja iz ćelije. Teorija rupture ćeliske membrane kaže da ćelijska membrana puca, zbog napona aplikovanog na površinu ćelijske membrane. Prema teoriji usaglašavanja (uparivanja) magnetnih polja, unutrašnje komponente ćelije bivaju poremećene usled usaglašavanja elektromagnetne energije sa suštinski važnim molekulima kao što su proteini i DNK [Kozempel et al., 1998]. Iako različite teorije predlažu kao odgovor netoplotne efekte mikrotalasa, kasnije je uočeno da u odsustvu drugih stres faktora, kao što su pH vrednost ili toplota, mikrotalasna energija nije inaktivirala mikroorganizme. Međutim, postoji mogućnost da su mikrotalasi u značajnoj meri pojačavali termalne efekte [Kozempel et al., 2000]. Bez obzira na tačno objašnjenje kako mikrotalasi pojačavaju termalne efekte, jasno je da su mikrotalasi veoma efikasni u destrukciji mikroorganizama i inaktivaciji enzima.
Mikrotalasna pasterizacija tečnih prehrambenih materijala
Mikrotalasna pasterizacija našla je široku primenu u pasterizaciji tečne hrane, kao npr. pri pasterizaciji svežih voćnih sokova i sterilizaciji mleka. Salazar-Gonzalez i saradnici (2012) razmatrali su mikrotalasnu pasterizaciju svežih sokova i sterilizaciju mleka. Razmatrana je inaktivacija mikroba i enzima za različite tečne oblike hrane, kao što su sok od jabuke, sajder od jabuke, voda iz kokosovog oraha, sok od grožđa, mleka i pirea od slatkog krompira. Istraživači su izvestili da se, uz odgovarajuće poznavanje dielektričnih svojstava, mogu ostvariti odgovarajući uslovi za primenu mikrotalasne energije i može se postići željeni stepen letaliteta za bakterije u predloženom procesu[Salazar-Gonzalez et al., 2012].
Mikrotalasna pasterizacija čvrstih prehrambenih materijala
Moguće je postići pasterizaciju jaja u ljusci uz pomoć mikrotalasa [Dev et al., 2008]. Poznato je da albumen ima više vrednosti dielektričnih parametara od žumanceta. Suprotno očekivanjima, pri mikrotalasnom zagrevanju jajeta u ljusci, nije primećena značajna razlika u brzini zagrevanja albumena i žumanceta. Ubrzano unutrašnje zagrevanje može biti posledica kombinacije uticaja geometrijskog oblika jajeta, dielektričnih svojstava jajeta i veličine jajeta. Dokazano je da je moguće ostvariti pasterizaciju jajeta u ljusci, bez narušavanja integriteta ljuske [Dev et al., 2008]. U drugoj studiji mikrotalasna pasterizacija je korišćena u cilju inaktivacije Salmonellae typhimurium, koja se nalazila u žumancetu jajeta u ljusci[Shenga et al., 2010]. Zračenjem mikrotalasima tokom 15 sekundi postignuto je smanjenje broja mikroba za 22%, dok je primenom vlažne toplote (kuvanje) u trajanju od 15 minuta postignuto smanjenje broja mikroba za 36% [Shenga et al., 2010].
Primenom mikrotalasne pasterizacije ukišeljene špargle (asparagus), željene pasteriozacione temperature postizane su dvostruko brže (15 min primenom talasa snage 1 kW i 9 min primenom talasa snage 2 kW) u odnosu na konvencionalno zagrevanje (30 min). Toplotna degradacija špargle je bila više izražena kada je bila podvrgnuta konvencionalnom tretmanu, u odnosu na ono kada je bila podvrgnuta mikrotalasnom zagrevanju [Lau and Tang, 2002]. Slično tome, mikrotalasnom pasterizacijom je bilo moguće postići dvostruko bolje redukovanje broja spora bakterije Alicyclobacillus acidoterrestris u pireu od špargle, kada su primenjeni sledeći uslovi u procesu prerade: mikrotalasi sa 100% snage u trajanju od 5 min, mikrotalasi sa 90% snage u trajanju od 6 min. i mikrotalasi sa 80% snage u trajanju od 7 min [Giuliani et al., 2010].
Mikrotalasna sterilizacija
Zapakovani prehrambeni proizvodi mogu biti sterilisani pomoću različitih novih tehnika sterilizacije kao što je UV zračenje, zračenje mikrotalasima, primena ozona i hladne plazme [Guillard et al., 2010]. Postoje slučajevi kada je prehrambene materijale moguće sterilisati kao takve, dok je u drugim slučajevima moguće izvršiti sterilizaciju prehrambenih materijala samo kada su zapakovani. Materijali od kojih se prave pakovanja za prehrambene proizvode sastoje se od komponenti niske molekularne mase (plastisajzeri, retikulanti, antioksidanti itd.) koji mogu da prođu kroz degradaciju i prodru u prehrambeni material. Za nekoliko ovih supstanci kao što su plastisajzeri i benzen, otkriveno je da imaju toksikološki efekat koji nije bilo moguće zanemariti i prelazili su u hranu u količinama koje su bile veće od dozvoljenih. Ozon, zbog svoje jake oksidantne priorode, bilo da se nalazi u gasnom ili tečnom obliku, može da se koristi kao dezinficijens pri preradi, kako hrane, tako i materijala koji se koriste pri pakovanju hrane. Slično tome primećeno je da je UV zračenje u rasponu talasnih dužina od 250-280 nm, efikasno u delovanju protiv mikroorganizama. Otkriveno je, međutim, da ozon i UV svetlost mogu da izazovu uspostavljenje ukrštenih veza među molekulima i degradaciju polimera u pakovanjima za hranu. Ovo za posledicu ima nastanak novih nusproizvoda, koji mogu da prodru u prehrambeni material. Slično tome, kada se postižu visoke temperature tokom mikrotalasnog zagrevanja, nastajao je benzen, usled degradacije lanaca polimera, aditiva ili slojeva adhezivnog mateijala u pakovanju. Jonizujuće zračenje i primena industrijskih mikrotalasa, identifikovane su kao metode koje donose uštedu u novcu i vremenu i unapređuju kvalitet proizvoda. Kao pakovanja za hranu, koja je trebalo da prođe kroz obradu mikrotalasima, korišćeni su staklo, papir i keramika [Guillard et al., 2010]. Prilikom sekvencijalne primene UV zračenja, lasera i mikrotalasa (metode su primenjivane jedna za drugom) [Maktabi et al., 2011] došlo se do značajnog smanjenja broja bakterija (Pseudomonas fragi i Escherichia coli). Ukupno smanjenje broja mikroorganizama bilo je veće u odnosu na smanjenje broja mikroorganizama koje je bilo moguće postići primenom ovih tretmana pojedinačno. Pokazalo se da je važno i kojim redom se ovi tretmani primenjuju, u smislu da su mikroorganizmi bili najefikasnije uništavani primenom prvo lasera, zatim mikrotalasnog zagrevanja i na kraju UV zračenja [Maktabi et al., 2011]. Stav je agencije FDA tj. Administracije za hranu i lekove Sjedinjenih Država (2000) da je dodatna inaktivacija ili smanjenje mikrobne aktivnosti pomoću netoplotnih efekata stvorenih delovanjem mikrotalasa, nedovoljno. Iz toga sledi da je prilikom opisivanja kinetike inaktivacije mikroorganizama i enzima prilikom mikrotalasnog zagrevanja, preporučljivo da se za dati model opisuju samo nastali toplotni efekti [Food and Drug Administration, 2000]. Međutim, nedavno je FDA odobrila process mikrotalasne sterilizacije za krompir-pire na tacnama i filete lososa u sosu (prelivu, umaku) u kesicama [Brody 2012]. Proces podrazumeva podrazumeva uranjanje hrane u pakovanjima u vrelu vodu pod pritiskom, i istovremeno zagrevanje pomoću mikrotalasa frekvencije 915 MHz. Ova tehnologija je razvijena na Univerzitetu države Vašington. Ovaj postupak ima za rezultat uklanjanje iz hrane patogena i mikroorganizama koji izazivaju kvarenje nakon 5-8 minuta i dobija se bezbedna hrana visokog kvaliteta.
Iz toga proizilazi da mikrotalasna pasterizacija čvrste hrane ima neke prednosti u odnosu na konvencionalne metode, u smislu skraćenja vremena potrebnog za pasterizaciju. Kada su u pitanju druge nove metode sterilizacije, potrebno ih je kombinovati na određenin način da bi se došlo do optimalnog redosleda postupaka u procesu sterilizacije.
English to Serbian: Microwave food processing- a review PART V General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English 6. Modeling of microwave food interactions
Modeling of microwave heating involves the use of electromagnetic equations and
energy equations to predict the temperature distribution as well as microwave power
absorption inside the food products. Lambert's law and Maxwell's field equations are
generally used as electromagnetic equations to describe microwave absorption. Lambert's
law is based on the exponential decay of microwave absorption within the product. As
Lambert's law is limited to semi-infinite samples, this law leads to poor approximation for
various practical situations. On the other hand, Maxwell's equations provide exact solution
for the propagation of microwave radiation within the samples. The Maxwell's equations
which govern the propagation of microwave radiation in a dielectric medium are given by
.D.(*E) (6)
.B .(H ) 0 (7)
where H and E are the magnetic and electric field intensities respectively; J i t/D denote
the current density and displacement current density, respectively; D and B signify the electric flux density and magnetic flux density respectively; μ is the magnetic permeability; and ε* is the permittivity; ρ is the density of the food material and t is the time required for heating. Note that, D, B, J, H and E are vector quantities whereas ε*,μ and ρ are scalar quantities.
During microwave heating, the dielectric properties of the food sample vary significantly with change in the temperature. Hence the combination of electromagnetic equations and the energy equations is necessary to predict the temperature distributions. The governing energy balance equation for microwave heating of food samples in which the heat transport occurs due to conduction and convection is given as:
where Cp is the specific heat, u is the fluid velocity, k is the thermal conductivity, T is the temperature, x is the spatial distance and q is the rate of heat generation, which is given by Eq. 4 [Datta and Anantheswaran, 2000; Chandrasekaran et al., 2012]. In Eq. 10, the first and second term on the left hand side represents rate of accumulation of heat energy and convective energy flow, respectively. is the energy used in the internal evaporation in which is the latent heat of vaporization and I is the volumetric evaporation term [Datta and Anantheswaran, 2000]. Convective heat transport plays a major role in microwave heating of liquid samples as well as porous food materials containing liquid and vapor. In microwave heating, the temperature distribution depends upon various factors such as
internal diffusion, surface heat transfer and the rate of heat generation. Since, the dielectric
properties of food sample vary with food composition, temperature, size and shape, the value
of q also varies accordingly [Datta and Anantheswaran, 2000]. ^
The boundary condition leading to the convective and radiative heat transfer from the boundaries of the sample to the surrounding is given by,
where n is the outward pointing unit normal on the surface of the sample, T∞ is the ambient temperature, h is the heat transfer coefficient, εh is the emissivity of the sample and σh is the Stefan Boltzmann constant [Datta and Anantheswaran, 2000; Chandrasekaran et al., 2012]. The combined electromagnetic equation and energy equations involving microwave heat and moisture transport can be solved either by finite difference time domain method (FDTD) or by finite element method (FEM) [Datta and Anantheswaran, 2000].
6.1 Modeling of microwave food interactions - applications
Microwave heating of solid food with rectangular and cylindrical geometries were theoretically investigated by Lin and co-workers (1995). Lambert's law was used to determine the temperature distribution and microwave power absorption during microwave heating of solid foods and the equations were solved using two dimensional finite element software. The model predictions were validated using sodium alginate gel and the results showed that the model predictions were in good agreement with the rectangular shaped samples. For cylindrical samples, the temperature distribution predicted by the model was similar at all regions, except at the central region. The difference in the temperature distribution might be due to the changes in thermal diffusivity, attenuation factor and microwave power output during microwave heating of the samples [Lin et al., 1995]. Similarly, a software utilizing three dimensional finite element method was used to predict the temperature and moisture distributions during microwave heating of cylindrical and slab-shaped potato specimens [Zhou et al., 1995]. For slab sized potatoes, the predicted temperature and moisture distribution were found to vary slightly with the measured values. The difference in measured temperature values might be due to the insufficient accuracy of the thermocouple probe location, the measured surface evaporation rate and the absorbed power and non-uniform power distribution. The difference in measured moisture distribution might be due to the initial moisture loss before microwave heating, non-uniform moisture content distribution of potato samples and non-uniform microwave power distribution [Zhou et al., 1995].
The temperature distribution in 2% agar gel cylinders using pulsed and continuous microwave heating were predicted using Lambert's law and Maxwell's equations [Yang and Gunasekaran, 2004]. The temperature predictions provided by the Maxwell's equations were more accurate than that of Lambert's law equation. This is due to the fact that Maxwell's equations consider standing wave effect inside the sample whereas Lambert's law does not account for standing wave effect, due to the assumption of semi-infinite sample length of materials. Maxwell's equations predicted an oscillating pattern for continuous microwave heating of samples whereas for pulsed microwave heating smooth curves were predicted. At pulsed microwave heating, thermal diffusion occurs during power-off period and thus the oscillation caused during power-on period was compensated. Hence, better temperature uniformity and substantial reduction in hot spots were found to be observed during pulsed microwave heating than that of continuous microwave heating [Yang and Gunasekaran, 2004]. Further, a simulation model was developed to optimize pulsed microwave heating of precooked mashed potato cylinders [Gunasekaran and Yang, 2007]. The results showed that the uniform and efficient heating was achieved for samples having a radius in the range of 2.4-2.8 cm. [Gunasekaran and Yang, 2007]. Boldor and co-workers (2005) developed a heat and mass transfer model for continuous drying of peanuts in a planar microwave field. Transport equations were developed for the batch-type microwave drying in order to determine the spatial variation of the electric field. It was found that, for the same moisture content of peanuts, the temperature profiles were affected by microwave power level only. The temperature profiles predicted by the model matched with the temperature measured using fiber optic temperature probes inserted into peanut pods. On the other hand, exact theoretical determination of moisture content reduction was not possible due to the varying dielectric properties of the sample with respect to the moisture content [Boldor et al., 2005].
Geedipalli and co-workers (2007) developed a computational model involving Maxwell's equation to determine the heating uniformity of food kept in a microwave oven. Figure 4 shows the temperature contours of microwave heated food samples with and without the rotation of the carousel. The presence of a rotating table or carousel improved the heating uniformity in the radial direction. On the other hand, the heating uniformity varied across the axis of the rotation due to no change in the electromagnetic radiation along the axis. Also, the temperature contours of the rotated food were more evenly distributed compared to those of the stationary food. The rotation of the carousel was reported to increase the temperature uniformity upto 43% whereas it did not improve uniformity across the axis of the rotation [Geedipalli et al., 2007]. In another study, it was determined that for symmetric microwave source, rotation of food samples lead to non-uniformity of temperatures whereas for non-uniform sources, at a controlled rotation rate, temperature uniformity can be attained [Chatterjee et al., 2007]. It may be noted that increasing the rotating rates might lead to an increased volume of unheated central region which can be avoided by increasing the power source intensity [Chatterjee et al., 2007]. Thus, uniformity in temperature distribution can be obtained by providing a carousel with controlled rotation rate.
Souraki and Mowla (2008) performed experimental and theoretical analysis on microwave assisted fluidized bed drying of green peas. Glass beads were used in the fluidized bed as inert energy carriers. A mathematical model based on simultaneous heat and mass transfer was proposed to predict the temperature and moisture distributions during drying process. The predicted results were found to be in good agreement with the experimental data. The drying rate was higher for microwave heating, compared to pure convective heating. Due to internal heat generation, the temperature of the samples at the end of microwave drying was found to be higher than drying air temperature [Souraki and Mowla, 2008].
Knoerzer and co-workers (2008) developed a three dimensional computational model to study the time-dependent temperature profiles of microwave treated products. The simulation is based on a user-friendly interface (MATLAB®) coupling two commercial software packages (QuickWave-3DTM/ and COMSOL MultiphysicsTM). The equations involving the electromagnetic part of the model were solved with the finite difference time domain method using QuickWave-3DTM and the heat transport equation was solved with the finite element method using COMSOL MultiphysicsTM. This model was able to predict hot and cold spots in the food products. Microwave heating can be optimized using this model, thus minimizing time/temperature for the process and while also attaining uniform temperature distributions. The model was validated using magnetic resonance imaging (MRI) technique [Knoerzer et al., 2008]. Temperature measurements using MRI can be used for the three dimensional measurements of microwave heating patterns [Knoerzer et al., 2009]. Based on MRI technique, good spatial resolution is attained for surface temperature as well as temperature distribution throughout the product [Knoerzer et al., 2009]. The model predictions were in good agreement with the actual temperature measured using magnetic resonance imaging [Knoerzer et al., 2008]. Malafronte and co-workers (2012) developed simulation model to describe combined convective and microwave assisted drying of potato matrix. The simulation was carried out by solving the heat and mass transfer balances (liquid-water and water-vapor) within the potato samples using multi-physics approach (COMSOL) and the Maxwell's equations to describe electromagnetic field propagation within the waveguide. Two models, Model I for (potato samples) and Model II (for general vegetables) were proposed based on the relative permittivities at 2.45 GHz, which is a function of moisture content in the former model whereas it is a function of temperature, moisture content and ash in the latter model. It was observed that Model II provided a good agreement between experimental data and simulated profiles upto 270 s and deviated thereafter. On the other hand, the simulated profiles of 'Model I' did not match with the experimental data which suggest that other factors such as temperature and ash in addition to moisture content are necessary to determine relative permittivities to satisfactorily predict thermal profiles during microwave heating of samples [Malafronte et al., 2012].
Chen and co-authors (2008) developed a numerical model to determine the electromagnetic and thermal field distributions in moving food packages containing whey protein gel. The packaged foods were moved along circulating water which is maintained above 120 °C in the pressurized microwave cavities. Based on simulation studies, they were able to identify the regions where microwave energy was more focused and the regions where microwave energy was not focused [Chen et al., 2008]. In another study, coupled electromagnetic - heat transfer model consisting of Maxwell equations and heat transfer equations were proposed for various combination of heating modes such as microwaves, convection and radiant heating [Rakesh et al., 2010]. The model was solved by finite element method (FEM) using COMSOL package and was validated using MRI techniques. It was reported that the predicted temperatures agreed well with the experimental results [Rakesh et al., 2010]. Similarly, the temperature distributions in continuous flow microwave heating of Newtonian as well as non-Newtonian fluids was simulated by combining electromagnetism, fluid flow and heat transport in COMSOL Multiphysics [Salvi et al., 2011]. The predicted data were validated using CMC solution and tap water and the results showed that the differences in predicted data can be reduced by decreasing the mesh size in the simulations [Salvi et al., 2011]. Microwave heating in domestic ovens was simulated by coupling electromagnetic equations and heat transfer equation [Pitchai et al., 2012]. The equations were solved using finite difference time domain (FDTD) based commercial software (Quickwave v7.5). Scattering parameter which is a measure of reflected power to the magnetron power from the cavity was calculated. The reflected power was slightly higher for TE10 mode compared to that of TEM mode at the frequency range of 2.4-2.5 GHz. This indicates that the microwave energy couples well with the TEM mode than that with TE10 mode [Pitchai et al., 2012].
6.2 Microwave heating of food materials using supports
Basak and Meenakshi (2006a) carried out a detailed theoretical analysis on microwave heating of food slabs which are placed on ceramic plates (alumina and SiC). The effects of various distributions of microwave incidence (one side or two side incidences) were studied for low and high dielectric food materials such as beef and oil. For food materials attached with ceramic plates, one side or both side incidences might be preferred. It was found that without ceramic support, one side incidence caused high heating rates for the beef samples whereas the heating rate of oil remain unchanged for various types of incidences. Thermal runaway was found to be predominant for beef samples attached with the SiC plates whereas heating of oil samples by equi-distributed microwave incidence exhibited smaller thermal runaway [Basak and Meenakshi, 2006a]. Alumina support was preferred for oil samples directly exposed to microwaves whereas alumina or SiC supports can be used for beef layer and oil-beef layers exposed to microwaves. For distributed microwave incidences thermal runaway could occur for alumina supported samples whereas thermal runaway can be reduced with the help of SiC supports [Basak and Meenakshi, 2006b]. The heating rate of beef samples could be enhanced with the help of metallic support [Basak, 2007]. For smaller oil thicknesses on beef samples, the combined metallic-ceramic composite support provided higher heating rates compared to sole effects of metallic or ceramic support only [Basak, 2007].
Durairaj and Basak (2009) carried out theoretical analysis on microwave heating of discrete beef and bread samples with alumina or SiC placed as intermediate layer. They found that the power absorption and the temperature distributions were functions of microwave incidence type, food sample ratio, type of ceramic material used and its thickness. For discrete beef sample, alumina as intermediate layer provided higher power absorption than SiC intermediate, whereas for discrete bread samples, SiC as intermediate layer showed higher power absorption than alumina intermediates. For bread samples, power enhancement was lesser and thermal runaway was larger compared to that of beef samples [Durairaj et al., 2009, Durairaj and Basak, 2009]. Microwave heating of pork meat samples (Pork Luncheon Roll and White Pudding) supported on ceramic plates (alumina or SiC) showed that the time required for processing PLR samples with one/both microwave incidences was found to be higher compared to that of WP samples [Basak and Rao, 2010]. It was reported that pulsed microwave heating reduced the formation of hot spots within the samples. The degree of thermal runaway in the absence of pulsing was found to be lesser during distributed microwave incidence and hence the processing time was found to be reduced for both the samples [Basak and Rao, 2010]. In another study, the efficient heating strategy of intermediate ceramic layers placed in between pork meat samples was investigated [Basak and Rao, 2011]. For low thickness samples in presence of one side incidence, an increase in the thickness of the intermediate ceramic layers resulted in a decrease in the processing time.
But, for both side incidences, the processing time was found to increase with an increase in the thickness of the intermediate alumina layer [Basak and Rao, 2011].
Simulation of microwave heating of oil-water emulsions (oil in water and water in oil) was also carried out using various supports such as ceramic or metallic or combination of both supports [Samanta and Basak; 2008, 2009, 2010; Samanta et al., 2008]. The results showed that the microwave power absorption was found to be higher for both o/w and w/o emulsion slabs supported in alumina plates than samples supported in SiC plates [Samanta and Basak; 2008]. The microwave power absorption of oil-water samples could be enhanced when the samples were supported with metallic or ceramic-metallic composites. It was concluded that SiC-metallic support might be favored for o/w samples with high oil fractions whereas for samples with small fractions, metallic as well as alumina-metallic supports were recommended [Samanta and Basak; 2008, Samanta et al., 2008].
6.3 Maxwell's equations: closed form solutions
Bhattacharya and Basak (2006a) carried out closed form analysis on microwave power absorption and its heating characteristics during microwave processing of food materials such as 2% agar gel, potato, beef and marinated shrimp. The absorbed power distribution can be distinguished into three regimes based on the sample length and dielectric properties of material: thin, resonating and thick sample regimes. In thin samples, the power distribution is almost uniform whereas in thick samples, the absorbed power distribution is exponential in nature [Bhattacharya and Basak, 2006a; 2006b]. The resonating samples lie between thin and thick sample regimes in which power distributions exhibit spatial oscillation. It was reported that the uniform spatial temperature occurs for food materials with thin sample limit whereas hot spots occur at the surface of the food materials with thick sample limits [Bhattacharya and Basak, 2006a; 2006b]. However, hot spots in food materials may be controlled with the distributed microwave incidence. The closed form analysis was found to be useful in determining suitable sample thickness with various microwave power distributions and thus an efficient thermal processing of food can be predicted [Bhattacharya and Basak, 2006a; 2006b]. Boillereaux and co-authors (2011) estimated the temperature distribution during microwave tempering of foodstuffs for which dielectric properties are unknown. A generic software sensor CLPP (Capteurs Logiciels Plug & Play) is used for estimating the internal temperatures and dielectric properties. The software is based on a model originating from the closed-form solutions of Maxwell's equations which is coupled with the heat conduction equation. In microwave tempering of frozen beef samples with known electromagnetic properties, the estimated profile using CLPP coincide with the simulated profile obtained from the numerical solution of Maxwell's equation. Hence the software can be used to measure internal temperatures of samples with poorly known dielectric properties [Boillereaux et al., 2011].
6.4 Microwave heating of porous media
A porous medium is a solid having pores which is filled with either gas or liquid. These pores are interconnected with each other so that heat and mass transfer occurs through them [Datta, 2007a]. In capillary porous materials the pore diameter is less than 10- and hence the transport of water is more complex than non-porous materials. Water transport in porous materials might occur due to molecular diffusion, capillary diffusion and convection. In developing porous model, heat and mass transport in porous medium as well as shrinkage or deformation of the medium is coupled [Datta, 2007a]. Ni and co-workers (1999) developed a multiphase porous media model to predict the moisture transport during intensive microwave heating of biomaterials. It was found that the moisture accumulation on the surface was high, since the rate of moisture transport from inside was higher than the rate of moisture removal from the surface. Hence, in order to remove moisture from the surface, it was recommended to combine microwave with hot air and/or infrared heating [Ni et al., 1999,
Datta 2007b]. The closed form solutions of Maxwell's equations can be used to predict temperature distribution where dielectric properties are barely known. Based on certain threshold power level of infrared, the surface moisture can be reduced to less than its initial value [Datta and Ni, 2002]. However, below a threshold power level, infrared heating results in the surface moisture build-up. The rate of surface moisture removal by hot air was not as efficient as infrared heating which might be due to the lower surface heat flux compared to infrared energy. On the other hand increasing the air velocity might increase the heat and mass transfer coefficients and hence surface moisture could be greatly reduced [Datta and Ni, 2002]. Apart from food applications, microwave heating of porous media could be helpful for soil remediation which is contaminated with volatile organic compounds through microwave induced steam distillation [Acierno et al., 2003]. Since dry soil is a weak absorber of microwaves, soil-water mixtures have significant loss factor to absorb microwave energy. As the dielectric properties of the soil matrix changes with increase in temperature, the soil becomes more hotter and dryer and allows microwave to pass through easily. The generated vapor flux move toward the surface of the soil, thus carrying pollutant substances out of the matrix. A predictive model has been developed to predict temperature, humidity and relative permittivities of the soil during microwave treatment and it was found that the model predictions agreed well with the experimental results [Acierno et al., 2003]. Recent applications include, microwave regeneration of a soot trap ceramic filter which is used to clean the exhaust of industrial diesel engines [Barba et al., 2012]. With the help of microwave assisted combustion, the soot oxidation is induced without thermally stressing the ceramic matrix. Since carbon is a strong absorber of microwaves, it dissipates microwave energy into heat and reaches combustion temperature. Due to low thermal conductivity of ceramics and relatively fast soot oxidation, the ceramic matrix is kept cool and regenerated. A mathematical model was developed based on the heat and mass transfer and Maxwell's equations to predict the development of combustion stages and the performance of the remediation. It was observed that the model predictions satisfactorily agree with the experimental results [Acierno et al., 2004; Barba et al., 2012]. The loss factor plays a crucial role in determining the heating rate as well as induced thermal gradients during microwave heating processes [Acierno et al., 2004]. By combining small amounts of strong microwave absorbers with weak loss materials, the thermal gradient of a low conducting material could be improved [Acierno et al., 2004].
Microwave heating of porous beef (beef-air and beef-oil) samples of different porosities (0.3, 0.45 and 0.6) were carried out with and without ceramic supports (Al2O3 and SiC) [Basak et al., 2006]. The results showed that the microwave power absorption of porous beef was found to decrease porosity as, pure beef exhibits higher average power absorption than porous beef does. The average power absorption was also found to be more enhanced for porous beef samples in the presence of alumina support than in the presence of SiC support. An increase in the porosity increases the thermal runaway of beef-air samples whereas beef-oil samples exhibited low thermal runaway at all porosities [Basak et al., 2006]. In another study, the heating efficiency of porous beef samples was found to be enhanced with the ceramic-metallic supports. Moreover, samples attached with ceramic supports (alumina and SiC) had lesser power absorption compared to samples attached with composite supports (alumina-metallic and SiC-metallic). This is due to the fact that metallic supports reflect microwaves and causes stronger stationary waves within the sample. Hence, the power absorption of samples attached with metallic support was found to be higher compared to that of samples attached to the ceramic supports [Aparna et al., 2007]. Thus, with the help of modeling and simulations, the temperature and moisture distributions during microwave heating of various food materials can be predicted and the results will be useful for the design of microwave food processing.
Translation - Serbian
Modelovanje mikrotalasnog zagrevanja podrazumeva korišćenje elektromagnetnih jednačina i energetskih jednačina, u cilju predviđanja distribucije temperature, kao i apsorpcije snage mikrotalasa unutar prehrambenog proizvoda. Lambertov zakon i Maksvelova jednačina polja se najčešće koriste kao elektromagnetne jednačine koje opisuju apsorpciju mikrotalasa. Lambertov zakon se zasniva na eksponencijalnom opadanju mikrotalasne apsorpcije unutar proizvoda. Obzirom da je primena Lambertovog zakona ograničena na polu-beskonačne uzorke, tj. na uzorke koji imaju samo jednu definisanu površinu odakle se šire u beskonačnost, teško je izvršiti aproksimaciju ovog zakona u cilju primene u različitim praktičnim situacijama. Nasuprot tome, Maksvelove jednačine pružaju tačna rešenja za širenje mikrotalasnog zračenja unutar uzoraka hrane. Maksvelove jednačine koje određuju širenje mikrotalasnog zračenja kroz dielektričnu sredinu date su kao:
.D.(*E) (6)
.B .(H ) 0 (7)
, pri čemu su H i E intenzitet magnetnog i elekričnog polja tim redom; J i
t/D označavaju gustinu struje I gustinu struje pomeranja tim redom; D i B označavaju gustinu električnog i magnetnog fluksa tim redom; μ je magnetna permeabilnost;
i ε* označava permitivnost; ρ je gustina prehrambenog materijala, a t je vreme potrebno za zagrevanje. Skrećemo pažnju na to da su , D, B, J, H i E vektorske veličine, dok su ε*,μ i ρ skalarne veličine.
Tokom mikrotalasnog zagrevanja, sa promenom temperature u značajnoj meri se menjaju i dielektrična svojstva uzorka hrane. Iz toga sledi da je kombinovanje elektromagnetnih i energetskih jednačina neophodno da bi se predvidela distribucija temperature. Osnovna jednačina uravnoteženja energije za mikrotalasno zagrevanje uzoraka hrane, prilikom koga se transport toplote odvija kao posledica kondukcije (provođenja) i konvekcije (prosto mešanje materije unutar uzorka hrane, pod uslovom da postoji razlika u gustini i temperaturi date materije) data je kao:
,gde je Cp specifična toplota, u je brzina fluida, k je toplotna provodljivost, T je temperatura, x je prostorna udaljenost i q je brzina stvaranja toplote, kako je to predstavljeno u Eq. 4 [Datta and Anantheswaran, 2000; Chandrasekaran et al., 2012]. U jednačini 10, prvi i drugi činilac sa leve strane predstavljaju brzinu akumulacije toplotne energije i protok konvektivne energije tim redom. je energija koja se troši tokom unutrašnje evaporacije, pri čemu je latentna toplota isparavanja, a I je volumetrijski činilac isparavanja [Datta and Anantheswaran, 2000]. Konvektivni transport toplote ima važnu ulogu u mikrotalasnom zagrevanju, kada je uzorak hrane u tečnom stanju, kao i poroznih prehrambenih materijala koji sadrže tečnost i paru. Prilikom mikrotalasnog zagrevanja, distribucija temperature zavisi od različitih činilaca, kao što su unutrašnja difuzija, površinski transport toplote i brzine nastajana toplote. Pošto se dielektrična svojstva uzoraka hrane menjaju sa promenom sastava hrane, temperaturom, veličinom i oblikom uzorka, takođe se i vrednost q menja sa promenom datih činilaca [Datta and Anantheswaran, 2000].
Granični uslovi koji vode ka sprovodnom i zračnom transferu toplote sa granica uzorka na okruženje uzorka dati su kao:
n jedinica mere koja pokazuje prema spolja čiji je vector upravan na poveršinu samog uzorka, T∞ je temperatura okuženja, h je koeficijent transfera toplote, εh je emisivnost uzorka, a σh je Stefan-Bolcmanova konstanta [Datta and Anantheswaran, 2000; Chandrasekaran et al., 2012]. Kombinovana elektromagnetna jednačina i energetske jednačine, koje obuhvataju mikrotalasno zagrevanje i transport sadržaja vlage, mogu biti rešene bilo primenom konačne metode diferencijalnog vremenskog domena (FDTD) ili pomoću konačne elementarne metode (FEM) [Datta and Anantheswaran, 2000].
6.1 Modelovanje interakcije mikrotalasa sa hranom- primene
Mikrotalasno zagrevanje uzoraka hrane paralelopipednog ili cilindričnog oblika, teoretski je ispitivano od strane Lina i saradnika (1995). Korišćen je Lambertov zakon da bi se odredila distribucija temperature i apsorpcija mikrotalasa tokom mikrotalasnog zagrevanja čvrste hrane i jednačine su rešavane korišćenjem dvodimenzionalnog, konačnog elementarnog softvera. Predviđanja po modelu su ocenjivana korišćenjem gela od Na-alginata i rezutati su pokazali, da su se predviđanja po modelu dobro uklapala sa onim što se zbivalo u uzorcima paralelopipednog oblika. Kod uzoraka cilindričnog oblika, predviđanje distriobucije temperature po modelu je bilo slično u svim delovima uzorka, osim u središtu uzorka. Primećena razlika u distribuciji temerature može biti posledica promena u toplotnoj difuzivnosti, faktoru atenuacije i izlaznoj snazi mikrotalasa tokom mikrotalasnog zagrevanja uzorka [Lin et al., 1995]. Slično tome, softver koji je koristio trodimenzionalni konačni elementarni metod je primenjivan da bi se predvidela distribucija temperature i vlažnosti kod cilindričnih i zaobljenih uzoraka krompira [Zhou et al., 1995]. Kod oblih uzoraka krompira, primećeno je da projektovane vrednosti distribucije temperature i vlage u maloj meri odstupaju od izmerenih vrednosti. Uočena razlika za izmerene vrednosti temperature mogla bi da bude posledica nedovoljno tačnog plasiranja termo-par sonde, izmerene brzine površinske evaporacije i apsorbovane snage i neravnomerne distribucije snage mikrotalasa. Razlike u izmerenoj distribuciji vlage mogu da budu posledica početnog gubitka vlage pre zagrevanja mikrotalasima, neravnomerne distribucije sadržaja vlage u uzorcima krompira i neravnomerne distribucije snage mikrotalasa [Zhou et al., 1995].
Raspodela temperature u cilindričnim uzorcima gela 2% agara prilikom primene pulsnog i kontinuiranog talasnog zagrevanja, predviđena je pomoću Lambertovog zakona i Maksvelovih jednačina [Yang and Gunasekaran, 2004]. Predviđanja temperatura dobijena primenom Maksvelovih jednačina, bila su preciznija od predviđanja dobijenih primenom jednačine Lambertovog zakona. Ovo je zbog toga što Maksvelova jednačina uzima u obzir efekat stojećeg talasa unutar uzorka, dok Lambertov zakon ne uzima u obzir uticaj stojećeg talasa, iz razloga što se kod njega kreće od pretpostavke da je uzorak polubeskonačan, tj. da se uzorak sa jedne strane širi u beskonačnost. Maksvelove jednačine predviđaju oscilujuću šemu za kontinuirano zagrevanje uzoraka mikrotalasima, dok se kod pulsnog mikrotalasnog zagrevanja, kao predviđanje dobijaju glatke (blage) krive. Prilikom pulsnog mikrotalasnog zagrevanja, termalna difuzija se događa tokom perioda kada nema zagrevanja, tj. tokom negativne faze zagrevanja, pa tako oscilacije nastale tokom pozitivne faze zagrevanja budu kompenzovane. Iz toga sledi da je bolja ravnomernost temperature i značajno smanjenje u broju vrelih tačaka primećeno tokom pulsnog mikrotalasnog zagrevanja, nego prilikom kontinuiranog zagrevanja mikrotalasima. [Yang and Gunasekaran, 2004]. Dalje je razvijan model simulacije, u cilju optimizacije pulsnog mikrotalsanog zagrevanja uzoraka, prethodno skuvanog krompir-pirea, cilindričnog oblika [Gunasekaran and Yang, 2007]. Rezultati su pokazali da se ravnomerno i efikasno zagrevanje postiže kod uzoraka koji su imali prečnik u rasponu od 2.4-2.8 cm. [Gunasekaran and Yang, 2007]. Boldor i saradnici (2005) razvili su model transfera toplote i mase za kontinuirano sušenje kikirikija u ravnom (planarnom) mikrotalasnom polju. Transportne jednačine razvijene su za sušenje uzoraka spakovanih u kesice, u cilju određivanja prostornih varijacija u električnom polju. Otkriveno je da su, kada je postojao isti sadržaj vlage u različitim uzorcima kikirikija, na temperaturne profile uticali samo nivoi snage mikrotalasa. Temperaturni profili predviđeni korišćenjem ovog model odgovarali su temperaturama izmerenim pomoću fiberoptičkih temperaturnih sondi, koje su uvođene u posude sa kikirikijem. Sa druge strane, tačno teoretsko određivanje u kojoj meri će da se smanji sadržaj vlage, nije bilo moguće iz razloga menjanja dielektričnih svojstava uzoraka sa promenom sadržaja vlage [Boldor et al., 2005].
Geedipalli i saradnici (2007) razvili su model izračinavanja koji uzima u obzir Maksvelovu jednačinu, u cilju određivanja ravnomernosti zagrevanja hrane koja je držana u mikrotalasnoj pećnici. Slika 4 prikazuje temperaturnu krivu uzoraka hrane zagrevane mikrotalasima, sa ili bez okretanja na vrtešci ili rotacionom postolju. Prisustvo rotacionog postolja ili vrteške popravljalo je ravnomernost zagrevanja zrakasto od ose rotacije. Sa druge strane ravnomernost zagrevanja je promenljiva duž ose rotacije iz razloga što nije bilo promena u elektromagnetnom zračenju duž ose rotacije. Takođe, temperaturna kriva hrane koja se okretala, imala je ravnomerniju raspodelu u odnosu na onu koju je imala stacionarna (nepokretna) hrana. Primećeno je da okretanje hrane na vrtešci popravlja raspodelu temperatura za 43%, ali nije popravljalo ravnomernost zagrevanja duž ose rotacije [Geedipalli et al., 2007]. U drugoj studiji utvrđeno je da kod simetričnih izvora mikrotalasa rotiranje uzoraka hrane dovodi do neravnomerne raspodele temperature, dok se korišćenjem neuniformnih izvora mikrotalasa uz kontrlisanu brzinu rotacije hrane, može da postigne ravnomerna raspodela temperature u uzorku [Chatterjee et al., 2007]. Moglo je da se primeti da povećanje brzine okretanja hrane može da dovede do porasta veličine nezagrejanog središnjeg dela u uzorku hrane, što je opet moguće sprečiti povećanjem snage izvora mikrotalasa [Chatterjee et al., 2007]. Dakle, ravnomernost raspodele temperature može da se ostvari postavljenjem vrteške za hranu, čiju je brzinu okretanja moguće kontrolisati.
Souraki i Mowla (2008) izveli su eksperimentalnu i teoretsku analizu sušenja zelenog graška principom ”fluidizovanog sloja”(koristi se za sušenje sitnozrnastog materijala koji se rasporedi u trakasti sloj ispod koga kroz perforiranu podlogu duva vazduh ili neki drugi gas, dovoljno jako da zrna prehrambenog materijala lebde iznad podloge dok se suše) potpomognutog mikrotalasima. U sušaču, koji je radio po principu fluidizovanog sloja, korišćene su staklene porcije kao inertni energetski prenosnici. Predložen je matematički model zasnovan na istovremenom transferu toplote mase, u cilju predviđanja raspodele temperature i vlage tokom procesa sušenja. Ispostavilo se da su predloženi razultati predviđanja bili u skladu sa dobijenim eksperimentalnim podacima. Brzina sušenja je bila veća kod mikrotalasnog zagrevanja u odnosu na isključivo konvektivno zagrevanje. Zahvaljujući nastanku unutrašnje toplote, temperatura uzoraka na kraju procesa sušenja mikrotalasima, bila je veća od temperature vazduha koji je korišćen za sušenje [Souraki and Mowla, 2008].
Knoerzer i saradnici (2008) razvili su trodimenzionalni model za izračunavanje, u cilju proučavanja temperaturnih profila u zavisnosti od vremene, za proizvode tretirane mikrotalasima. Simulacija se zasniva na jednom user-friendly interfejsu (MATLAB®), koji je nastao uparivanjem dva komercijalno dostupna paketa softvera (QuickWave-3DTM i COMSOL MultiphysicsTM). Jednačina koja je opisivala elektromagnetna zbivanja u modelu rešena je uz pomoć QuickWave-3DTM softvera, korišćenjem konačnog metoda različitog vremenskog domena, a jednačina transporta toplote rešena je korišćenjem COMSOL MultiphysicsTM uz pomoć konačne elementarne metode. Ovaj model je mogao da predvidi vrele i hladne tačke u prehrambenim proizvodima. Pomoću ovog modela može da se optimizuje zagrevanje mikrotalasima, smanjujući temperaturu i utrošeno vreme tokom procesa na najmanju moguću meru, tako da se postigne ravnomerna raspodela temperature. Valjanost modela je potvrđena pomoću vizualizacije magnetnom rezonancom (MRI) [Knoerzer et al., 2008]. Merenje temperature pomoći MRI može da se koristi za trodimenzionalno merenje šema zagrevanja mikrotalasima [Knoerzer et al., 2009]. Na osnovu tehnike MRI ostvarena je dobra prostorna rezolucija po pitanju raspodele temperature po površini proizvoda, kao i raspodele temperature unutar samog proizvoda [Knoerzer et al., 2009]. Predviđanja po modelu bila su u skladu sa temperaturama izmerenim vizualizacijom pomoću magnetne rezonance [Knoerzer et al., 2008]. Malafronte i saradnici (2012) razvili su model za simulaciju u cilju opisivanja sušenja matriksa krompira kombinovanom metodom konvektivnog sušenja potpomognutog mikrotalasima. Simulacija je sprovedena putem rešavanja toplotnog i masenog transfera (voda u tečnom stanju i vodena para) kod uzoraka krompira, pomoću multifizičkog pristupa (COMSOL) i Maksvelovih jednačina, u cilju opisivanja propagacije elektromagnetnog polja unutar talasnog vodiča. Predložena su dva modela, Model I (za uzorke krompira) i Model II (za svo povrće) na osnovu relativne permitivnosti na frekvenciji mikrotalasa od 2.45 GHz, što je funkcija sadržaja vlage u prvom modelu, dok je u drugom modelu funkcija temperature, sadržaja vlage i
pepela. Primećeno je da Model II pruža podatke koji se dobro uklapaju sa dobijenim eksperimentalnim podacima, tj. primećeno je da je po Modelu II dobijen dobar sklad između eksperimentalnih podataka i simuliranih profila do 270 s , a da nakon toga dolazi do odstupanja. Sa druge strane, simulirani profili po Modelu I nisu se uklapali sa dobijenim eksperimentalnim podacima, što je ukazivalo na to da i drugi faktori, kao što su temperatura i sadržaj pepela, pored sadržaja vlage, moraju da budu uzeti u obzir u cilju određivanja relativne permitivnosti, da bi na zadovoljavajući način mogli da predvidimo temperaturne profile tokom mikrotalasnog zagrevanja uzoraka [Malafronte et al., 2012].
Chen i saradnici (2008) razvili su numerički model da bi odredili distribuciju elektromagnetnog i toplotnog polja u pokretnim pakovanjima hrane koja su sadržala proteinski gel dobijen od surutke. Pakovanja hrane kretala su se iznad cirkulišuće vode čija temperatura je održavana iznad 120 °C, u mikrotalasnoj pećnici koja je bila pod pritiskom. Na osnovu proučavanja simulacija bili su u stanju da identifikuju delove gde je mikrotalasna energija bila najviše fokusirana i delove u kojima mikrotalasna energija nije bila fokusirana [Chen et al., 2008]. U drugoj studiji upareni (usklađeni) model elektromagnetnog-toplotnog transfera, koji se sastojao od Maksvelovih jednačina i jednačina toplotnog transfera, predložen je za različite kombinacije zagrevanja kao što su mikrotalasno, konvektivno i zagrevanje zračenjem [Rakesh et al., 2010]. Model je rešen korišćenjem konačne elementarne metode (FEM) pomoću COMSOL softverskog paketa i potvrđen pomoću magnetne rezonance. Dobijeni su izveštaji koji su ukazivali na to da su predviđene temperature bile dobro usklađene sa eksperimentalnim rezultatima [Rakesh et al., 2010]. Slično tome, raspodela temperature prilikom kontinuiranog mikrotalasnog zagrevanja njutnovskih kao i nenjutnovskih fluida, simulirana je kombinovanjem teorije elektromagnetizma, protoka fluida i transporta toplote u COMSOL Multiphysics softveru [Salvi et al., 2011]. Podaci dobijeni predviđanjem potvrđeni su korišćenjem rastvora CMC i obične vode i rezultati su pokazali da se razlika između dobijenih i predviđenih podataka može da smanji tako što se smanjuje veličina čestica u uzorku tokom simulacije [Salvi et al., 2011]. Mikrotalasno zagrevanje u pećnicama koje se koriste u domaćinstvu simulirano je pomoću uparenih elektromagnetnih jednačina i jednačina toplotnog transfera [Pitchai et al., 2012]. Jednačine su rešavane pomoću principa domena konačne vremenske razlike (FDTD), zasnovanog na komercijalnom softveru (Quickwave v7.5). Izračunavan je parametar rasipanja, koji predstavlja odnos reflektovane snage u odnosu na snagu magnetrona. Reflektovana snaga je bila nešto viša u modu rada TE10 u odnosu na mod rada TEM pri rasponu frekvencija 2.4-2.5 GHz. Ovo ukazuje na to da se mikrotalasna energija bolje uparuje sa modom rada TEM u odnosu na mod rada TE10 [Pitchai et al., 2012].
6.2 Mikrotalasno zgrevanje prehrambenih materijala uz korišćenje nosača
Basak i Meenakshi (2006a) sproveli su detaljnu teoretsku analizu mikrotalasnog zagrevanja gomilica(porcija) hrane koje su smeštane na keramičke tanjire (aluminijum i SiC). Efekti različite raspodele načina prodiranja mikrotalasa (jednostrano ili dvostrano prodiranje mikrotalasa) proučavani su za prehrambene materijale sa niskim i visokim vrednostima dielektričnih parametara, kao što su govedina i ulje. Za preradu materijala vezanih za keramičke nosače može da bude bolje da mikrotalasi kroz njih prodiru sa jedne strane ili obostrano. Otkriveno je da bez prisustva keramičkog nosača, jednostrano prodiranje mikrotalasa izaziva brzo zagrevanje uzoraka govedine, dok brzina zagrevanja ulja ostaje nepromenjena pri različitim tipovima prodiranja mikrotalasa. Nastanak nekontrolisanih temperatura se najčešće javljao kod uzoraka govedine kada su bili smeštani na nosače od SiC, dok je pri zagrevanju uzoraka ulja kroz koje su ravnomerno prodirali mikrotalasi, primećen sličan raspored tačaka nekontrolisane temperature [Basak and Meenakshi, 2006a]. Nosači od aluminijuma su se pokazali kao najbolji za uzorke ulja direktno izložene mikrotalasima, dok su nosači od aluminijuma ili SiC mogli da budu korišćeni za uzorke govedine i mešovite ulje-govedina uzorke izložene mikrotalasima. Kod mikrotalasnog prodiranja koje ima dobar raspored, nekontrolisano zagrevanje se javljalo kada su za uzorke hrane korišćeni aluminijumski nosači, dok je korišćenjem nosaša od SiC bilo moguće smanjiti učestalost pojave nekontrolisanog zagrevanja [Basak and Meenakshi, 2006b]. Brzinu zagrevanja uzoraka govedine bilo je moguće povećati uz pomoć metalnih nosača [Basak, 2007]. Za uzorke govedine sa tanjim slojem ulja bilo je moguće korišćenje kompozitnih metalno-keramičkih nosača što je za posledicu imalo brže zagrevanje, u odnosu na ono koje je bilo moguće postići kada su korišćeni samo metalni ili samo keramički nosači [Basak, 2007].
Durairaj i Basak (2009) sproveli su teoretsku analizu mikrotalasnog zagrevanja tankih uzoraka govedine i hleba, kod kojih su delovi materijala od aluminijuma i SiC smeštani kao međuslojevi. Otkrili su da su apsorpcija snage mikrotalasa i raspodela temperature bili funkcije načina prodiranja mikrotalasa, odnosa vrsta hrane u uzorku hrane, vrste keramičkog materijala koji je korišćen i njegove debljine. U slučaju tankih uzoraka govedine, aluminijum kao međusloj, pružao je veću apsorpciju snage mikrotalasa od SiC kao međusloja, dok je u slučaju tankih uzoraka hleba, SiC kao međusloj pokazivao veću apsorpciju snage mikrotalasa od aluminijuma. Kod uzoraka hleba pojačanje snage je bilo manje i bilo je više nekontrolisanog zagrevanja u odnosu na uzorke govedine [Durairaj et al., 2009, Durairaj and Basak, 2009]. Mikrotalasno zagrevanje uzoraka svinjetine (rolat od svinjetine i svinjska salama) smeštenih na keramičke tanjire (aluminijumske ili SiC), pokazali su da je vreme potrebno za preradu rolata od svinjetine pri prodiranju mikrotalasa sa jedne, odnosno obe strane, bilo duže u odnosu na ono potrebno za preradu uzoraka svinjske salame [Basak and Rao, 2010]. Prijavljeno je da je primećeno da je primena pulsnog mikrotalasnog zagrevanja smanjila učestalost formiranja vrelih tačaka unutar uzoraka. Uočeno je da je stepen nekontrolisanog zagrevanja primenom talasa bez pulsiranja bio manji tokom distribuiranog mikrotalasnog prodiranja i samim tim vreme prerade je bilo kraće kod obe vrste uzoraka [Basak and Rao, 2010]. U drugoj studiji ispitivana je efikasna strategija zagrevanja keramičkih međuslojeva, smeštenih između uzoraka svinjskog mesa [Basak
and Rao, 2011]. Kod tankih uzoraka, u prisustvu prodiranja mikrotalasa sa jedne strane, povećanje debljine keramičkih međuslojeva dovodilo je do skraćenja vremena potrebnog za preradu. Međutim, pri prodiranju mikrotalasa sa obe strane, vreme potrebno za preradu se povećavalo sa porastom debljine aluminijumskih međuslojeva [Basak and Rao, 2011].
Simulacija mikrotalasnog zagrevanja emulzija ulja i vode (ulje u vodi i voda u ulju) je sprovođeno korišćenjem različitih nosača, kao što su keramički i metalni nosači i kombinacija keramičkih i metalnih nosača [Samanta and Basak; 2008, 2009, 2010; Samanta et al., 2008]. Rezultati su pokazali da je apsorpcija snage mikrotalasa bila veća kada su obe vrste uzoraka (kako ulje u vodi, tako i voda u ulju) držani u aluminijumskim tanjirima, nego kada su isti uzorci smeštani u tanjire od SiC [Samanta and Basak; 2008]. Apsorpcija snage mikrotalasa kod uzoraka „ulje u vodi” mogla je da se poveća tako što su uzorci smeštani u metalne nosače ili u nosače od mešovitih (keramika-metal) materijala. Došlo se do zaključka da bi u slučaju uzoraka „ulje u vodi”, nosači od SiC mogli da imaju prednost u odnosu na ostale nosače, kada postoji veliki udeo ulja u emulziji, dok kod uzoraka kod kojih je udeo ulja u emulziji mali može da se preporuči primena nosača od alumunijuma ili nosača od mešovitih aluminijum-metal materijala.
6.3 Maksvelove jednačine: rešenja za slučajeve zapakovanih prehrambenih materijala
Bhattacharya i Basak (2006a) su sproveli analizu zapakovanih prehrambenih materijala po pitanju apsorpcije snage mikrotalasa i karakteristika zagrevanja prilikom mikrotalasne prerade prehrambenih materijala, kao što su 2% agar gel, krompir, govedina i marinirani škampi. Distribucija apsorbovane snage mogla je da se podeli u tri režima na osnovu dužine uzorka i dielektričnih svojstava materijala: tanki, rezonantni i režim debelih uzoraka. Kod tankih uzoraka, raspodela snage je gotovo sasvim ravnomerna, dok je kod debelih uzoraka distribucija apsorbovane snage eksponencijalne prirode [Bhattacharya and Basak, 2006a; 2006b]. Režim rezonantnih uzoraka nalazi se negde između režima tankih i debelih uzoraka, i kod njih distribucija apsorbovane snage pokazuje prostorne oscilacije. Prijavljeno je da se ravnomerna raspodela temperature u prehrambenom materijalu događa u slučaju tankih zidova uzorka hrane, dok se vrele tačke javljaju na površini prehrambenih materijala sa debelim zidovima uzorka [Bhattacharya and Basak, 2006a; 2006b]. Međutim, nastanak vrelih tačaka u prehrambenim materijalima može biti kontrolisan pomoću distribucije mikrotalasnog prodiranja. Analiza zapakovanih uzoraka je pokazala da je bilo moguće odrediti odgovarajuću debljinu uzoraka za različit raspored snage mikrotalasa, i na taj način predvideti koji je najefikasniji način termičke prerade hrane [Bhattacharya and Basak, 2006a; 2006b]. Boillereaux i saradnici (2011) radili su procenu temperaturne distribucije tokom mikrotalasnog temperovanja različitih vrsta hrane, nepoznatih dielektričnih svojstava. Generički softverski senzor CLPP (Capteurs Logiciels Plug & Play) je korišćen za procenu unutrašnjih temperatura i dielektričnih svojstava. Softver je zasnovan na modelu koji potiče od rešenja za zapakovanu hranu po Masksvelovim jednačinama, koji je usklađen (uparen) sa jednačinama provođenja toplote. Prilikom mikrotalasnog temperovanja smrznutih uzoraka govedine poznatih elektromagnetnih svojstava, profil koji smo dobili procenom uz pomoć CLPP-a, podudara se sa simuliranim profilom dobijenim primenom numeričkog rešenja Maksvelove jednačine. Odatle sledi zaključak da je moguće koristiti softver u cilju merenje unutrašnjih temperatura uzoraka slabo poznatih, ili nepoznatih dielektričnih svojstava [Boillereaux et al., 2011].
Porozni medijum predstavlje čvrst materijal koji u sebi ima pore, koje su ispunjene bilo gasom ili tečnošću. Ove pore su između sebe povezana na takav način, da između njih može da se obavlja transfer mase i toplote [Datta, 2007a]. U kapilarnim poroznim materijalima, pore su dijametra manjeg od 10-7 i zbog toga je transport vode kroz ove materijale kompleksniji nego transport vode kroz neporozne materijale. Transport vode u poroznim materijalima može da se događa zahvaljujući molekularnoj difuziji, kapilarnoj difuziji i konvekciji. Prilikom razvijanja modela poroznih materijala uparuju se transport toplote i mase u poroznom medijumu, sa skupljanjem ili deformacijom poroznog medijuma [Datta, 2007a]. Ni i saradnici (1999) su razvili multifazni model poroznog materijala u cilju predviđanja transporta vlage, tokom intenzivnog mikrotalasnog zagrevanja biomaterijala. Otrkriveno je da je akumulacija vlage na površini materijala bila velika, obzirom da je brzina transporta vlage iz unutrašnjosti bila veća od brzine uklanjanja vlage sa površine materijala. Iz toga sledi da bi u cilju uklanjanja vlage sa površine materijala bilo preporučljivo kombinovati mikrotalasno zagrevanje sa zagrevanjem vrelim vazduhom, i/ili zagrevanjem infracrvenim zracima [Ni et al., 1999, Datta 2007b]. Rešenje Maksvelovih jednačina za zapakovane materijale nepoznatih dielektričnih svojstava može se koristiti i u cilju predviđanja distribucije temperature, kada su dielektrična svojstva materijala jedva poznata. Na osnovu određenog praga vrednosti snage infracrvenih zraka, površinska vlaga može biti smanjena na vrednosti koje su ispod vrednosti pre početka prerade [Datta and Ni, 2002]. Međutim, ispod određenog praga snage, zagrevanje infracrvenim zračenjem, za rezultat ima nagomilavanje vlage na površini materijala. Brzina uklanjanja površinske vlage, pomoću vrelog vazduha, nije bila tako efikasna kao kada ja korišćeno infracrveno zračenje, što može da bude posledica manjeg površinskog fluksa zagrevanja u odnosu na fluks nastao kada je korišćena energija infracrvenog zračenja. Sa druge strane povećavanje brzine vazduha može da poveća koeficijente toplotnog i masenog transfera i na taj način je moguće u većoj meri uklanjati površinsku vlažnost [Datta and Ni, 2002]. Osim primena u preradi hrane, mikrotalasno zagrevanje može biti od pomoći i pri oporavljanju (remedijaciji) zemljišta koje je zagađeno lako isparljivim organskim supstancama, putem destilacije pare indukovane mikrotalasima [Acierno et al., 2003]. Obzirom da je suva zemlja slab apsorber mikrotalasa, mešavina vode i zemlje ima veliki faktor gubitka snage mikrotalasa, što joj omogućava da apsorbuje veliku količinu snage mikrotalasa. Kako se dielektrična svojstva zemljanog matriksa menjaju sa porastom temperature, zemlja postaje toplija i suvlja i dozvoljava mikrotalasima da lakše prolaze kroz nju. Nastali fluks pare se kreće ka površini zemlje, noseći na taj način supstance koje su izazvale zagađenje napolje iz matriksa. Razvijen je model za predviđanje, u cilju predviđanja temperature, vlažnosti i relativne permitivnosti zemljišta tokom mikrotalasnog tretmana i otkriveno je da se predviđanja po modelu u dobroj meri slažu sa eksperimentalnim rezultatima [Acierno et al., 2003]. Primene sa kojima se počelo u skorije vreme obuhvataju takođe i regeneraciju keramičkog filtera sa spremnikom za čađ, koji se koriste za prečišćavanje izduvnih gasova na dizel motorima, koji se koriste u industriji [Barba et al., 2012]. Uz pomoć sagorevanja potpomognutog mikrotalasima, indukuje se oksidacija čađi, bez toplotnog stresa na keramički matriks. Obzirom da je ugljenik snažan apsorbens mikrotalasa, on pretvara mikrotalsanu energiju u toplotu, dostižući na taj način temperaturu sagorevanja. Zahvaljujući niskoj temperaturnoj sprovodljivosti keramike i relativno brzoj oksidaciji čađi, keramički matriks ostaje hladan i na taj način se filter obnovi i vrati mu se funkcija. Razvijen je matematički model na osnovu toplotnog i masenog transfera i Maksvelovih jednačina, u cilju predviđanja u kom smeru će se razvijati stadijumi sagorevanja i učinka ponovnog vraćanja funkcije filteru. Primećeno je da se predviđanja po modelu na zadovoljavajući način slažu sa dobijenim eksperimentalnim podacima [Acierno et al., 2004; Barba et al., 2012]. Faktor gubitka mikrotalasne energije igra ključnu ulogu u određivanju brzine zagrevanja, kao i indukovanih termalnih gradijenata tokom procesa mikrotalasnog zagrevanja [Acierno et al., 2004]. Kombinovanjem malih količina snažnih mikrotalsanih apsorbera sa materijalima koji imaju mali mikrotalasni gubitak, termalni gradijent materijala koji slabo provode mikrotalase može da se popravi [Acierno et al., 2004].
Sprovođeno je mikrotalasno zagrevanje uzoraka porozne govedine (govedina-vazduh i govedina-ulje) različite poroznosti (0.3, 0.45 and 0.6), sa ili bez keramičkih nosača (Al2O3 i SiC) [Basak et al., 2006]. Rezultati su pokazali da apsorpcija mikrotalasne snage od strane porozne govedine dovodi do smanjenja poroznosti, obzirom da čista govedina iskazuje veću prosečnu apsorpciju mikrotalasne snage nego porozna govedina. Primećeno je da je prosečna snaga apsorpcije bila veća za uzorke porozne govedine u prisustvu nosača od aluminijuma, nego u prisustvu nosača od SiC. Sa povećavanjem poroznosti povećavala se i učestalost nastanka nekontrolisanog zagrevanja uzoraka govedina-vazduh, dok je kod uzoraka govedina ulje, primećeno da se nekontrolisano zagrevanje retko javlja, bez obzira na stepen poroznosti [Basak et al., 2006]. U drugoj studiji, primećeno je da je efikasnost zagrevanja uzoraka porozne govedine bila poboljšana korišćenjem keramičko-metalnih nosača. Štaviše, uzorci na keramičkim nosačima (aluminijum, SiC) imali su manju apsorpciju snage mikrotalasa od onih koji su bili smešteni na nosače od kompozitnih materijala (aluminijum-metalni i SiC- metalni). Ovo je posledica činjenice da metalni nosači reflektuju mikrotalase i izazivaju izraženiji efekat stojećeg talasa unutar uzorka. Iz toga sledi da je apsorpcija snage mikrotalasa, uzoraka na metalnim nosačima bila veća od onih koji su bili na keramičkim nosačima [Aparna et al., 2007]. Iz toga sledi da se uz pomoć modelovanja i simulacija, distribucija temperature i vlage tokom mikrotalasnog zagrevanja različitih prehrambenih proizvoda mogu predvideti, i rezultati tih predviđanja mogu da budu od koristi prilikom osmišljavanja načina za preradu hrane mikrotalasima.
English to Serbian: Microwave food processing - a review PART VI General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English 7. Concluding remarks and future scope
Microwaves have been successfully used for many food processes such as cooking, drying and pasteurization of food materials. In this article, experimental investigations on various microwave assisted food processing technique and modeling of microwave heating of food materials were reviewed. A knowledge of dielectric properties is very helpful for designing microwave oven. Non-uniform temperature distribution during microwave heating was found to be affected by the shape, size and position of a food material. In general, the center region of a food material generated more hot spots than at other regions.
Microwave cooking is affected by the presence of moisture and fat content in food materials. Microwave cooked products have the advantages of retaining more taste, color, quality and nutritional value compared to those cooked by other conventional methods. Microwave pasteurization was found to be more effective in the destruction of pathogens or in the inactivation of enzyme, due to significant enhancement or magnification of thermal effects.
Microwave combined with other drying methods such as air drying or infrared or vacuum drying or freeze drying gave better drying characteristics compared to their respective drying methods or microwave drying alone. Modeling of microwave heating of food materials by the combination of electromagnetic equations (Maxwell's equations or Lambert's law equations) as well as heat and mass transport equations were used to predict temperature and moisture distribution during microwave heating of food materials. The applications include microwave heating of food materials using supports and microwave heating of porous media.
Although microwave has wide application and uses in various food processes, it needs significant research aimed at improvements in certain areas. Specifically, methods to obtain final food products with better sensorial and nutritional qualities need to be explored.
Improving the energy efficiency in rice cooking and obtaining good quality product in bread baking are examples of other potentially challenging areas. Microwave processing of food materials needs to be carried out to a great extent at pilot scale level than at laboratory conditions so that the results might be useful for industrial applications. In spite of the complex nature of microwave food interactions, more research needs to be carried out for the better understanding of the process.
Translation - Serbian
7. Zaključak i buduće primene
Mikrotalasi su uspešno korišćeni za mnoge procese u preradi hrane kao što su kuvanje, sušenje i pasterizacija prehrambenih materijala. U ovom članku smo razmatrali eksperimentalno ispitivanje različitih tehnika prerade hrane potpomognutih mikrotalasima i modelovanje mikrotalasnog zagrevanja prehrambenih materijala. Poznavanje dielektričnih svojstava je veoma korisno u procesu dizajniranja mikrotalasnih pećnica. Primećeno je da na neravnomernu distribuciju temperature tokom mikrotalasnog zagrevanja utiču oblik, veličina i smeštaj prehrambenog materijala. Uopšte uzevši, u središnjim delovima prehrambenih materijala nastalo je više vrelih tačaka nego u drugim delovima. Na kuvanje mikrotalasima utiču sadršaj vlage i masti u prehrambenom materijalu koji se kuva. Proizvodi kuvani pomoću mikrotalasa imaju prednost utoliko što se bolje sačuvaju ukus, prebojenost, kvalitet i hranljiva vrednost u odnosu na one prehrambene proizvode kuvane nekim drugim, konvencionalnim metodama. Otkriveno je da je mikrotalasna pasterizacija efikasnija u uništavanju patogena i inaktivaciji štetnih enzima, zahvaljujući značajnom pojačavanju termalnih efekata. Kombinovanje mikrotalasnog sa drugim metodama sušenja, kao što su sušenje na vazduhu, sušenje infracrvenim zracima, vakuumsko sušenje ili sušenje zamrzavanjem (liofilizacija), davalo je bolje karakteristike sušenju od primene svake od navedenih metoda pojedinačno ili kada se za sušenje koriste samo mikrotalasi. Modelovanje mikrotalsnog zagrevanja prehrambenih materijala kombinovanjem elektromagnetnih jednačina (Maksvelove jednačine ili jednačine Lambertovog zakona), kao i jednačina transporta toplote i mase, korišćeno je za predviđanje raspodele temperature i vlage tokom mikrotalasnog zagrevanja prehrambenih materijala. Primene obuhvataju mikrotalasno zagrevanje prehrambenih materijala korišćenjem nosača i mikrotalasno zagrevanje poroznih medija.
Iako mikrotalasi imaju široku primenu i koriste se za različite procese u preradi hrane, neophodno je sprovesti ozbiljna istraživanja u cilju ostvarivanja napretka na određenim poljima primene. Konkretno, neophodno je istražiti metode za dobijanje finalnih prehrambenih proizvoda boljih organoleptičkih i hranljivih svojstava. Primeri još nekih polja koja potencijalno pružaju izazove su i unapređenje energetske efikasnosti kuvanja pirinča i dobijanje proizvoda boljeg kvaliteta prilikom pečenja hleba. Ispitivanja mikrotalasne prerade hrane je neophodno sprovoditi u većoj meri na nivou probnih serija u odnosu na ispitivanja u laboratoriji, sa ciljem da se dobiju rezultati koje je moguće iskoristiti u industrijskoj primeni mikrotalasa. Zbog kompleksne prirode interakcije mikrotalasa sa hranom neophodno je sprovesti još istraživanja da bismo ovaj proces bolje razumeli.
English to Serbian: FOOD PROCESSING INDUSTRY PART I General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English *PLEASE CONTACT ME IF YOU NEED THIS TEXT. THERE ARE SOME FEATURES (FIGURES AND TABLES) THAT COULD NOT BE TRANSFERRED HERE PROPERLY.
HANDY MANUAL
FOOD PROCESSING INDUSTRY
Output of a Seminar on Energy Conservation in Food Processing Industry
Sponsored by
United Nations Industrial Development Organization
(UNIDO)
and
Ministry of International Trade and Industry (MITI), Japan
Hosted by
Ministry of Petroleum Ministry of Water
and Natural Gas, India and Power, Pakistan
Organized by
The Energy Conservation Center (ECC), Japan
1995
India
Pakistan
PREFACE
The conservation of energy is an essential step we can all take towards overcoming the mounting problems of the worldwide energy crisis and environmental degradation. In particular, developing countries are interested in increasing their awareness of inefficient poer generation and energy usage in their countries. However, usually only a minimum of information on the rational use of energy available.
The know-how on modern energy saving and conservation technologies should, therefore, be disseminated to government and industrial managers, as well as to engineers and operators at the plant level in developing countries. It is particularly important that they acquire practical knowledge of the currently available energy conservation technologies and techniques.
In December 1983, UNIDO organised a regional meeting on energy consumption as well as an expert group meeting on energy conservation in small- and medium-scale industries for Asian countries. The outcome of these promotional activities prompted UNIDO to initiate a new regional programme designed to increase the awareness and knowledge of government officials and industrial users on appropriate energy saving processes and technologies. In 1991, the first project, Programme for Rational Use of Energy Saving Technologies in Iron and Steel and Textile Industries in Indonesia and Malaysia (US/RAS/90/075), was approved and financed by the Government of Japan.
The successful completion of this project prompted UNIDO to request the financial support of the Government of Japan to carry out similar projects under this programme in other developing countries. Since 1992, under continuous support of the Government of Japan, two other projects have successfully been completed: Rational Use of Energy Saving Technologies in Pulp and Paper and Glass Industries in the Philippines and Thailand (US/RAS/92/035); and Rational Use of Energy Saving Technologies in Ceramic and Cement Industries in Bangladesh and Sri Lanka (US/RAS/93/039).
This year the programme is being implemented in India and Pakistan, targeting two energy intensive industrial sub-sectors; namely, plastic forming and food processing industries.
In the food processing industry, a substantial amount of energy is consumed. Excessive use of energy is usually associated with many industrial plants worldwide, and food processing plants are no exception. Enormous potential exists for cost-effective improvement in existing energy-using equipment. Also, application of good housekeeping measures could result in appreciable savings in energy. Therefore, it is imperative to introduce and disseminate information about modern energy saving technologies among the parties concerned in government and especially, at plant level, in industries.
In order to achieve the objectives of this programme, the following strategy is being used :
1. Conduct surveys of energy usage and efficiency at plant level, to establish the required energy saving measures.
2. Prepare handy manuals on energy management and energy conservation techniques and technologies, based on the findings of the above surveys.
3. Present and discuss the content of the handy manuals at seminars held for government officials, representatives of industries, plant managers and engineers.
4. Disseminate the handy manuals to other developing countries for their proper utilization and application by the target industrial sector.
The present Handy Manual for the food processing industry was prepared by UNIDO, with the cooperation of experts from the Energy Conservation Center (ECC) of Japan, on energy saving technologies in the framework of the. above-mentioned UNIDO programme. It is designed to provide an overview of the main processes involved in food processing, and present a concise guideline for the recommended energy saving measures.
Appreciation is expressed for the valuable contribution made by the following institutions to the successful preparation and publication of this manual:
• Ministry of Petroleum and Natural Gas, India;
• Ministry of Water and Power, Pakistan;
• Ministry of International Trade and Industry (MITI), Japan; and
• The Energy Conservation Center (ECC), Japan.
October 1995
Contents
1. Food manufacturing processes 1
1.1 History of food processing industry 1
1.2 Classification of food processing industry 2
1.3 Production process of food 2
1.3.1. Liquid milk and dry milk process 2
1.3.2. Beveragesprocess 8
1.3.3. Beer brewery process 8
1.3.4. Bread and cake process 9
1.3.5. Other: Sugar and canned products .10
2. Characteristics of energy consumption in food processing ... 12
2.1 Energy consumption of electricity and fuel 12
2.2 Liquid milk and dry milk process 13
2.3 Beverages process I6
2.4 Beer brewery process I7
3. Promotion of energy conservation technique .21
3 steps of energy conservation
3.1 Energy management 22
3.1.1 Operation rate 24
3.1.2 Speed of line 24
3.1.3 Selection of food processing machine 24
3.2 Boiler 2.4
3.3 Baking furnace of bread factory 226
3.4 Molt pan in beer factory 2.8
3.5 Cooker 3.. 0
3.6 Chiller 3.. 3
3.7 Steam piping 3.6
3.8 Waste water treatment system 3. 8
4. Conclusion 42
1. Food Manufacturing Processes
1.1. The History of Food Processing
The origin of food processing goes all the way back to ancient Egypt, yet the period of those developments seems to symbolize the history of the culture of mankind. Nowadays, bread, which is characterized by its use of the fermentation action of yeast and which uses wheat flour as its raw material, is baked all over the world. The origins of beer also go back to Babylon and Egypt in the period from 3,000 to 5,000 BC. The foundation of the modern industry was built up with the introduction of machinery and technology of new methods from Germany. Nowadays, the processed foods that are thriving in grocery shops are modern processed foods and traditional foods, but their manufacturing technology, process control and manufacturing and packaging environmental facilities have been advanced and rationalized to an incomparable extent in the last 30 years. As a result, products with high quality and uniformity are now being manufactured. This is based on the advancement of food science, and is, moreover, due to the general introduction of hygienics, applied microbiology, mechanical engineering, chemical engineering, electronic engineering and high-polymer technology. The most remarkable developments until now have been convenient pre-cooked frozen foods, retort pouch foods and dried foods. The mass production of excellent quality processed foods without using unnecessary food additives has been made possible in the last 30 years by grading and inspecting the process materials, carrying out proper inspections of processed foods, and advances in processing technology, installation and packaging technology and materials. The history of processed food is the history of the rationalization of advanced technology related to raw material treatment operations, processing operations, storage operations, other processing equipment, cleaning of facilities, sterilizing and conservation treatment operations and effluent and waste treatment operations. Worthy of note recently are developments in container and tank lorry transportation, concentration using membrane technology in processing operations, vacuum refrigeration, vacuum freezing and pressurized extrusion molding using two axle extruders. In storage operations, technologies such as vapor drying, heat exchange sterilization, deoxygenation agents, sterile filling packaging and PET bottle packaging have been developed. We have heard the plans of soft drinks manufacturers who want to switch from active sludge methods of wastewater treatment to methane fermentation
methods.
1.2. Classification of Food Manufacturing Industry
The range of the food manufacturing industry is wide, and so classification varies from country to country. The Japanese food manufacturing industry is shown in Table 1.
This text takes up the manufacture of sugar, bread, soft drinks and beer, and in addition to this it takes up milk production within the dairy product manufacturing industry, a manufacturing industry that is common to all countries.
1.3. Production process of food
Steam, electric power and water are often used in the raw material processing stages of the production stage of the food products manufacturing industry, and milk, drinks and ketchup factories have refrigeration equipment in addition to boilers. Hygiene control, a common element in factories, is very important. Utilities include steam, cooling water, brine, compressed air, sterilized air and electricity. Along with the production process, wastewater treatment is also important. Most factories have storage, air conditioning and packaging equipment, and generators are fitted in case of power failure.
1.3.1. Liquid milk and dry milk processing
As an example of dairy product production, the manufacturing process of milk is shown in Fig. 1. Drinking milk is broadly divided into milk and processed milk. The only raw material of milk is fresh milk, but processed milk is made by ingredient regulation, using not only fresh milk as a raw material but also non-fat powdered milk or butter, etc. Depending on the sterilizing conditions, UHT milk (120 - 135°C 2 seconds holding pasteurization) is common, but in recent years there have been improvements in dairy farm milk production technology and fresh milk treatment technology, a decrease in the number of bacteria in fresh milk received in factories, and now high-quality fresh milk is being produced and supplied. At the same time, due to the tendency of consumer taste for natural foods, low temperature sterilization treatment milk (HTST 72°C held for 15 seconds, and LTLT 63°C held for 30 minutes) is now being produced.
Table 1 Classification of the Food Manufacturing Industry
t. Food manufacturing industry
(1) Livestock food products manufacturing industries
1) Meat products mannftcniring industry
2) Daisy products manafactoiinginanstry
3) Other livestock food products manufacturing industries
(2) Marine food products mamtfacturiDgintatries
1) Marine foods canning and bottling manufacturing Industry
2) Seaweed processing industry
3) fi«V
Translation - Serbian *MOLIM VAS DA ME KONTAKTIRATE U SLUČAJU DA VAM JE POTREBAN PREVOD OVOG TEKSTA. JEDAN DEO SADRŽAJA (DIJAGRAMI I TABELE) NIJE BILO MOGUĆE PRENETI U OVAJ FORMULAR NA ODGOVARAJUĆI NAČIN.
PRIRUČNIK
INDUSTRIJA PRERADE HRANE
Prikaz seminara o očuvanju energije u industriji prerade hrane
Sponzorisano od strane:
ORGANIZACIJE ZA INDUSTRIJSKI RAZVOJ UJEDINJENIH NACIJA(UNIDO) itd.
I
MINISTARSTVA ZA MEĐUNARODNU TRGOVINU I INDUSTRIJU JAPANA
Predgovor
Očuvanje energije je osnovni korak koji možemo da preduzmemo u cilju prevazilaženja nagomolanih problema evetske energetske krize i propadanja prirodne sredine. Zemlje u razvoju su posebno zainteresovane za podizanje svesti o sopstvenoj neefikasnoj proizvodnji i potrošnji energije. Međutim, obično nam se nudi jako malo informacija o racionalnoj upotrebi energije.
Moderna saznanja o energetskim uštedama i tehnologije za očuvanje energije bi stoga trebalo podeliti sa zvaničnicima vlada i menadžerima u industriji, kao i sa inženjerima i osobljem u pogonima u industriji hrane zemalja u razvoju. Od posebne je važnosti da oni steknu praktična znanja o aktuelnim tehnologijama i tehnikama za očuvanje energije, koje nam stoje na raspolaganju.
U decembru 1983. godine UNIDO je organizovao regionalni sastanak na temu potrošnje energije i sastanak ekspertske grupe o očuvanju energije u malim i srednjim industrijskim postrojenjima u azijskim zemljama. Ishod ovih promotivnih aktivnosti podstakao je UNIDO da pokrene nove regionalne programe osmišljene da podugnu svest i znanje zvaničnika vlada i zaposlenih u industriji o odgovarajućim procesima i tehnologijama usmerenim na štednju energije. Prvi projekat 1991. pod nazivom Program za racionalnu upotrebu tehnologija za ostvarivanje energetskih ušteda u industriji čelika i tekstilnoj industriji u Indoneziji i Maleziji (US/RAS/90/075), odobren je i finansiran od strane vlade Japana.
Činjenica da je ovaj projekat uspešno sproveden, podstakla je UNIDO da od vlade Japana zatraži finansijsku podršku za sprovođenje sličnih projekata u okviru ovog programa u drugim zemljama u razvoju. Od 1992. godine, uz stalnu podršku vlade Japana još dva projekta su uspešno sprovedena: Program za racionalnu upotrebu tehnologija za ostvarivanje energetskih ušteda u industriji Poluproizvoda i konačnih proizvoda u industriji hartije i u industriji stakla na Filipinima i Tajlandu(US/RAS/92/035); i Program za racionalnu upotrebu tehnologija za ostvarivanje energetskih ušteda u industriji keramike i proizvodnji cementa u Bangladešu i Šri Lanki (US/RAS/93/039).
Ove godine, program se primenjuje u Indiji i Pakistnu, usmeren na dva podsektora u industriji koji su veliki potrošači energije, tačnije na pogone za izlivanje proizvoda od plastike i industriju prerade hrane.
U industriji prerade hrane troši se značajna količina energije. Preterana upotreba energije se povezuje sa mnogim industrijskim postrojenjima širom sveta i fabrike za preradu hrane nisu nkakav izuzetak. Postoji ogroman potencijal za povećanje isplativosti kod postojeće opreme koja troši energiju. Takođe, dobra primena mera održavanja, može da donese primetne uštede u energiji.
Stoga je upoznavanje sa informacijama o modernim tehnologijama usmerenim na uštede u energiji i njihovo širenje među zainteresovanima u vladama i naročito na nivou pogona u industriji, od izuzetnog značaja.
U cilju ostvarivanja ciljeva ovog programa, koristi se sledeća strategija:
1. Sprovesti istraživanja o korišćenju energije i efikasnosti na fabričkom nivou, da bi se ustanovile potrebne mere u cilju uštede energije.
2. Sačiniti uputstva za rukovanje sa tehnikama i tehnologijama za upravljenje energijom i očuvanje energije, na osnovu rezultata gore pomenutih istraživanja.
3. Predstaviti i diskutovati o sadržaju ovih uputstava za rukovanje na seminarima koji bi se držali za zvaničnike vlada, predstavnije industrije, fabričke menadžere i inženjere.
4. Raširiti ova uputstva za rukovanje i staviti ih na raspolaganje ljudima i u drugim zemljama u razvoju , za njihovo odgovarajuće korišćenje i primenu u ciljnim sektorima industrije.
Aktuelno Uputstvo za rukovanje namenjeno industriji prerade hrane pripremljeno je od strane UNIDO, uz saradnju eksperata iz Centra za očuvanje energije Japana(ECC), na temu tehnologija usmerenih uštede u energiji u okviru gore pomenutog UNIDO programa. Osmišljen je tako da pruži pregled najvažnijih procesa koji se odvijaju u industriji prerade hrane i ponudi sažet vodič za sprovođenje preporučenih mera usmerenih na ostvarivanje ušteda u energiji.
Izražavamo zahvalnost za vredan doprinos dat od strane sledećih institucija za uspešnu pripremu i publikovanje ovog uputstva:
• Ministarstvo za naftu i prirodni gas Indije
• Ministarstvo voda i energetike Pakistana
• Ministarstvo za međunarodnu trgovinu i industriju (MITI) Japana i
• Centar za očuvanje energije Japana(ECC).
Oktobar 1995.
Sadržaj
1. Procesi u proizvodnji hrane..................................................4
1.1 Istorija industrije prerade hrane............................................4
1.2 Klasifikacija u industriji prerade hrane.................................4
1.3 Proizvodni procesi za različite prehrambene proizvode.......5
1.3.1 Proizvodni proces u preradi tečnog i mleka u prahu.........5
1.3.2 Proizvodni proces u izradi bezalkoholnih napitaka...........8
1.3.3 Proizvodni proces u pivarskoj industriji............................9
1.3.4 Proizvodni proces u pekarskoj industriji...........................10
1.3.5 Ostalo: Proizvodni procesi u industriji proizvodnje šećera i industriji konzervirane hrane............................................................................11
2. Osobenosti potrošnje energije u industriji prerade hrane.....13
2.1 Energetska potrošnja električne energije i goriva................13
2.2 Proizvodni proces u preradi tečnog i mleka u prahu............14
2.3 Proizvodni proces u izradi bezalkoholnih napitaka..............16
2.4 Proizvodni proces u pivarskoj industriji...............................17
3. Predstavljenje tehnike za očuvanje energije: očuvanje energije u tri koraka...................................................................................21
3.1 Upravljenje energijom..........................................................22
3.1.1 Ritam(tempo) obavljanja pojedinačnih operacija..............23
3.1.2 Brzina proizvodne linije....................................................23
3.1.3 Odabir mašina za obradu hrane.........................................23
3.2 Bojler(kotao).........................................................................24
3.3 Peć za pečenje u proizvodnji hleba.......................................26
3.4 Posuda za slad u proizvodnji piva........................................26
3.5 Uparivač................................................................................30
3.6 Hladnjak................................................................................33
3.7 Sistem za razvođenje vodene pare........................................36
3.8 Sistem za preradu otpadnih voda..........................................38
4. Zaključak
1. Procesi u prouzvodnji hrane
1.1 Istorija industrije prerade hrane
Počeci prerade hrane sežu u prošlost sve do Starog Egipta, dok periodi u kojima je dolazilo do ovih tehnoloških napredaka zapravo simbolizuju istoriju kulture čovečanstva. Danas se hleb, čija proizvodnja se karakteriše korišćenjem fermentacionih procesa podstaknutih gljivicama kvasca i brašnom kao sirovinom, peče širom sveta. Proizvodnja piva takođe potiče iz Vavilona i Egipta iz perioda između 3000. i 5000. godine pre nove ere. Osnove moderne industrije piva postavljene su uvođenjem mašina i novih tehnoloških metoda nastalih u Nemačkoj. Današnja prerađena hrana, koja je svuda oko nas kada uđemo u prodavnicu, sastoji se od savremene ili tradicionalno prerađene hrane, ali je proizvodna tehnologija, kontrola procesa proizvodnje i ekološka svojstva postrojenja za proizvodnju i pakovanje, neuporedivo su unapređeni i racionalnije ustrojeni u odnosu na iste od pre 30 godina. Kao rezultat toga, danas dobijamo proizvode visokog kvaliteta i uniformnosti. Ovaj napredak zasniva se na unapređenjima na polju nauke o hrani i još je više rezultat opšteg uvođenja higijenskih mera, primenjene mikrobiologije, mašinstva, hemijskog i elektronskog inženjeringa i tehnologije polimerizacije. Najupečatljivije novine na polju prerade i pakovanja hrane do sada bila su praktična prethodno pripremljena smrznuta jela, jela iz tetrapaka i prehrambeni proizvodi dobijeni sušenjem. Masovna proizvodnja prerađene hrane najvišeg kvaliteta bez primene prehrambenih aditiva koji nisu neophodni omogućena je u poslednjih 30 godina razvrstavanjem i pregledanjem materijala za preradu, sprovođenjem odgovarajućih ispitivanja prerađene hrane i unapređenja u tehnologiji prerade , kao i tehnologijama i materijalima primenjenim u postavljanju proizvodnih sistema i pakovanju hrane. Istorija prerade hrane je zapravo istorija racionalne primene naprednih tehnologija u vezi sa operacijama(postupcima) u preradi sirovina, operacija tokom odlaganja hrane, druge opreme za preadu hrane, čišćenja postrojenja, operacije sterilizacije i konzerviranja hrane kao i operacije prerade otpadnih voda i čvrstog otpada. Vredna pomena su i unapređenja na polju transportnih kontejnera i cisterni, tehnologija membrana zasnovana na gradijentu koncentracija u operacijama prerade hrane, vakuumsko zamrzavanje hrane i pakovanje u kalupe istiskivanjem pod pritiskom koričćenjem dvoosovinskih istiskivača. U postupcima skladištenja hrane razvijene su tehnologije kao što su uparavanje, sterilizacija uz pomoć izmenjivača toplote, sustance(agensi) za deoksigenaciju, sterilo punjenje pakovanja i flaširanje u PET ambalažu. Čuli smo za planove proizvođača bezalkoholnih napitaka koji žele da sa metoda korišćenja aktiviranog mulja u preradi svojih otpadnih voda, pređu na metode koje primenjuju metansku fermentaciju.
1.2 Klasifikacija u industriji prerade hrane
Spektar grana industrije koje se bave preradom hrane je jako širok, tako da se klasifikacija(podela) menja od zemlje do zemlje. Japanska industrija proizvodnje hrane prikazana je u Tabeli 1. Ovaj tekst obuhvata proizvodnju šećera, hleba, bezalkoholnih pića i piva i uz to obrađuje proizvodnju mleka u okviru industrije mlečnih proizvoda(prerađevina), deo industrije proizvodnje hrane uobičajen u svim zemljama sveta.
1.3 Proizvodni procesi za različite prehrambene proizvode
Vodena para, električna struja i voda se često koriste u fazama prerade sirovih materijala(sirovina), proizvodne faze industrije za proizvodnju prehrambenih proizvoda, dok fabrike za preradu mleka, proizvodnju pića i kečapa imaju rashladnu opremu, kao i bojlere. Kontrola higijene, zajednički element u svim ovim fabrikama, je veoma važan. Potrošni materijal u preradi hrane obuhvata vodenu paru, vodu za hlađenje, zasićeni vodeni rastvor NaCl, kompprimovani vazduh, sterilisani vazduh i električnu struju. Pored proizvodnog procesa, prerada otpadnih voda je takođe važna. Većina fabrika ima opremu za skladištenje, klimatizaciju i pakovanje, uz instalirane generatore za proizvodnu električne energije u slučaju nestanka struje.
1.3.1 Prerada tečnog mleka i mleka u prahu
Kao primer proizvodnje u industriji mlečnih prerađevina, u Fig. 1 prikazan je proces proizvodnje mleka. Pitko mleko je najšire podeljeno na mleko i prerađeno mleko. Jedina sirovina za proizvodnju mleka je sveže mleko, ali prerađeno mleko se dobija regulacijom odnosa sastojaka, pri čemu se kao sirovina koristi ne samo sveže mleko, već i obrano(bezmasno)mleko ili buter i tako dalje. U zavisnosti od uslova u kojimase obavlja sterilizacija, UHT mleko(pasterizacija držanjem 2 sekunde na temperaturi od 120-135 stepeni Celzijusa) je veoma rašireno, ali poslednjih godina dogodio se napredak u tehnologiji proizvodnje mleka na farmama i preradi svežeg mleka, opao je broj bakterija u svežem mleku na prijemu u mlekaru tako da se danas proizvodi i distribuira za široku potrošnju sveže mleko visokog stepena kvaliteta. U isto vreme, zbog tendencije potrošača da se opredeljuju za što prirodnije prehrambene proizvode, sada se proizvodi mleko tretirano postupkom sterilizacije na nižim temperaturama (HTST 72°C držano 15 sekundi, i LTLT 63°C držano 30 minuta).
Tabela 1 Klasifikacija u industriji prerade hrane
1) Industrija prerade hrane
(1) Industrija prerade proizvoda životinjskog porekla
1. Industrija proizvodnje mesa i mesnih prerađevina
2. Industrija mleka i mlečnih prerađevina
3. Industrije za proizvodnju drugih prehrambenih proizvoda životinjskog porekla
(2) Industrija za proizvodnju prehrambenih proizvoda poreklom iz mora
1. Industrija za konzerviranje i flaširanje prehrambenih proizvoda poreklom iz mora
2. Industrija za preradu morske trave
3. Industrija za proizvodnju želatina
4. Industrija za proizvodnju mesa, šunke i kobasica od ribe
5. Indusatrija za proizvodnju ribljih pašteta
6. Indusatrija za proizvodnju smrznutih proizvoda poreklom iz mora
7. Indusatrija za proizvodnju smrznute hrane poreklom iz mora
8. Industrije za proizvodnju drugih prehrambenih proizvoda poreklom iz mora
(3) Konzervirano povrće i voće i indusstrije za proizvodnju prezerviranih prehrambenih proizvoda od poljoprivrednih kultura
1. Konzervirano povrće i voće i indusstrije za proizvodnju prezerviranih prehrambenih proizvoda od poljoprivrednih kultura(osim ukišeljenog povrća)
2. Indusatrija za proizvodnju ukišeljeog povrća(osim onog spakovanog u konzerve, flaše i tegle)
(4) Industrija za proizvodnju začina
1. Industrija za proizvodnju misoa
2. Industrija za proizvodnju soja-sosa i jestivih amino-kiselina
3. Industrija hemijskih začinskih proizvoda
4. Industrija sosova
5. Industrija jestivog sirćeta
6. Industrija za proizvodnju drugih začina
(5) Industrija za proizvodnju šećera
1. Industrija za proizvodnju šećera(osim postrojenja za rafinisanje šećera) korišćenjem domaćih sirovina
2. Industrija za rafinisanje šećera(dobijanje šećera preradom kupljenog sirovog šećera)
3. Industrija za proizvodnju grožđanog šećera, bombonskog sirupa i izomeričkog šećera
(6) Industrija za preradu žitarica i proizvodnju brašna
1. Industrija oljuštenog pirinča
2. Industrija oljuštenog ječma
3. Industrija za proizvodnju pšeničnog brašna
4. Industrija za proizvodnju drugih žitarica i dobijanje brašna mlevenjem
(7) Industrija za proizvodnju hleba i kolača
1. Industrija za proizvodnju hleba
2. Industrija za proizvodnju svežih kolača
3. Industrija za proizvodnju keksa i suvih kolača
4. Industrija za proizvodnju pirinčanih krekera
5. Industrija za proizvodnju ostalih proizvoda od testa
(8) Industrija za proizvodnju životinjskih i biljnih masti i ulja
1. Industrija za proizvodnju biljnih ulja i masti
2. Industrija za proizvodnju masti životinjskog porekla
3. Industrija za preradu jestivog ulja
(9) Industrije za proizvodnju drugih prehrambenih proizvoda
1. Industrija za proizvodnju praškova za pecivo, kvasca i drugih proizvoda od kvasca
2. Industrija za proizvodnju skroba
3. Industrija za proizvodnju rezanaca(testenine)
4. Industrija za proizvodnju slada od pirinča, drugog zrnevlja, pšeničnih klica i ječma
5. Industrija za proizvodnju tofua i pečenog tofua
6. Industrija za proizvodnju džema od crvenog pasulja
7. Industrija za proizvodnju smrznutih gotovih jela
8. Industrija za proizvodnju domaćih prehrambenih specijaliteta
9. Industrija za proizvodnju drugih, neklasifikovanih prehrambenih proizvoda
2) Industrija za proizvodnju pića, napitaka i proizvoda od duvana
(1) Industrija za proizvodnju bezalkoholnih pića
(2) Industrija za proizvodnju alkoholnih pića
1. Industrija za proizvodnju vina
2. Industrija za proizvodnju piva
3. Industrija za proizvodnju sakea
4. Industrija za proizvodnju alkoholnih destilata i alkoholnih mešavina
(3) Industrija za proizvodnju čaja i kafe
1. Industrija za proizvodnju čaja
2. Industrija za proizvodnju kafe
(4) Industrija za proizvodnju leda
Figure 1 Shema toka proizvodnje mleka
Međunarodnim ugovorima je propisano da prerađeno mleko treba da sadrži bezmasnog čvrstog ostatka 80% ili više, aciditet(mlečna kiselina) od 18% ili manje(po 1ml), 50 000 bakterija po 1ml i da sadržaj bude negativan na klaster bakterija poreklom iz kolona (E.colli). Među velikim proizvodnim pogonima, onima koji imaju kombinovane linije za proizvodnju prerađenog mleka i svežeg mleka za piće, se poslednjih godina javljaju i linije za proizvodnju bezalkoholnih napitaka. Shema toka proizvodnje mleka u prahu, prikazana je na Fig. 2.
Figure 2 Shema toka proizvodnje mleka u prahu
1.3.2 Proizvodni proces u izradi bezalkoholnih napitaka
Među proizvodnim procesima za preradu povrća i voća, pored soka postoje džemovi marmelade pakovani u konzerve, flaše i plastične kontejnere (jedna porcija) i za dobijanje ovih produkata postoje različiti proizvodni procesi. Kao primer za ovo, proizvodni proces dobijanja marmelade prikazan je u Fig. 3. Počelo se takođe i sa proizvodnjom džema dobijenog preradom na visokom pritisku. Voćni pektin, šećer i kiselina su u marmeladi koncentrisani tako da se dobije odgovarajuća čvrsta konzistencija, isto kao i u proizvodnji džema, a maremelade dobijaju i od mandarina, pomorandži i citrusnog voća. Za proizvodnju sokova sada su u primeni proizvodne linije koje izbacuju 300 do 500 jedinica u minutu.
1.3.3 Proizvodni proces u pivarskoj industriji
U Japanu se svake godine proizvede 6 miliona kilolitara piva. Različiti sastojci potrebni za proizvodnju piva navedeni su u Tabeli 2, a proizvodni proces je prikazan u Fig. 4.
Tabela 2 Različiti sastojci potrebni za proizvodnju piva (za dobijanje 1000 litara lajt piva)
slad 110kg
dodatne sirovine 34kg
hmelj 1,4kg
pirinač 7,5 m3
električa energija 105kWh
gorivo 38x104 kcal
BOD 12kg
Figure 3 Shema toka proizvodnje marmelade
Figure 4 Shema toka proizvodnje piva
1.3.4 Proizvodni proces u pekarskoj industriji
Postoji izobilje razlićitih vrsta hleba i pored velikih četvrtastih vekni hleba koje nisu naročito slatke, postoje slatki hlebovi i druge vrste hleba. Karakteristika slatkih vrsta hleba je njihov veoma sladak ukus i oni se većinom svrstavaju u slatke vrste hleba proizvedene u zapadnjačkom stilu, kao što su mali hleb i slatke rolnice koje se jedu kao užina između obrokla ili se svrstavaju u luksuznu hranu. Velike ukalupljene vekne hleba prave se pomoću dvostepenog fermentacionog metoda i peku se na 220 do 230 stepeni Celzijusa. Tabela 3 daje primer standardne mešavine sastojaka u proizvodnji a Fig. 5 pokazuje shemu toka proizvodnje ovakvog hleba.
Ime sastojka Specifikacija Mešavina(%)
Materijal za prvu fazu proizvodnje Pšenično brašno
Kvasac
Hrana za kvasac
Voda Hlebno ili pekarsko brašno
Komprimovani sveži kvasac 70
2
0,13
38
Materijal zadrugu fazu proizvodnje Pšenično brašno
So
Šećer
Glukoza
Aditivi
Mleko u prahu
voda Brašno za kolače
Rafinisana so
Beli šećer 30
2
3
3
3
2
22
NB) odnos u mešavini je prikazan kao težinski procenat od ukupne količine pšenice
Tabela 3 Standardna mešavina za beli hleb do P-faze po fermentacionoj proizvodnoj metodi
Figure 5 Shema toka proizvodnje hleba
1.3.5 Šećer i konzervirani proizvodi
Fig.6 i Fig. 7 prikazuju sheme toka proizvodnje rafinisanog šećera, konzervirane hrane i nekih drugih prehramlbenih proizvoda.
Figure 6 Shema toka proizvodnje šećera
Figure 7 Shema toka proizvodnje konzervirane hrane
2. Osobenosti potrošnje energije u industriji prerade hrane
Ako razmotrimo obim proizvodnje japanske industrije prerade hrane u kontekstu trensportovane količine gotovih proizvoda, na nju otpada oko 30 triliona jena, ili 10% vrednosti svih transportovanih gotovih dobara i nalazi se na trećem mestu iza industrije za proizvodnju električnih mašina i alata i industrije za proizvodnju transportnih mašina i alata.
2.1 Energetska potrošnja električne energije i goriva
Ukupna potrošnja energije u industriji proizvodnje i prerade hrane iznosi 2% od ukupne potrošnje enrgije na nivou svih proizvodnih industrija i nalazi se na 6. mestu među njima. Što se ukupne potrošnje energije tiče u pojedinim granama industrije hrane, može se reći da je ona relativno visoka u pekarskoj, industriji za porizvodnju namirnica životinjskog porekla i industriji proizvodnje šećera. Kao što je prokazano u Tabeli 4 77,5% potrošene energije otpada na pogonska goriva, a ostalih 22,5% na kupljenu energiju(uključujući hidrauličku energiju dobijenu u sopstvenim pogonima za proizvodnju).
Stopa potrošnje energije (%)
Vrsta industrije Troškovi električne energije Troškovi goriva Ukupni troškovi Cena utrošene vode
Konzervizanje hrane O,65 0,46 1,11 0,15
Smrznuti proizvodi iz mora 1.03 0,30 1.33 0,42
Riblja pašteta 1,37 0,99 2,36 0,17
Miso(proizvedeno od domaćih sirovina) 1,20 0,72 1,92 0,31
Soja sos(proizvedeno od domaćih sirovina) 0,79 0,74 1,53 0,17
Hleb 0,97 0,66 1,63 0,22
Kolači 0,93 0,59 1,52 0,11
Džem od crvenog pasulja 1,28 1,22 2,50 0,36
Ukišeljeno povrće 0,59 0,19 0,78 0,08
Rezanca(testenine) 1,21 0,63 1,84 0,12
Dobijanje brašna 0,87 0,08 0,95 0,02
Sosovi 0,43 0,46 0,89 0,40
Drugi prehrambeni proizvodi 1,06 0,76 1,82 0,15
Ukupno za čitavu proizvodnu industriju 1,24 0,46 1,70 0,09
(1) Stopa potrošnje energije = (energetski troškovi/prodaja)x 100(%)
(2) Prosečne vrednosti za operativno usklađena mala preduzeća (kapital manji od 10 miliona jena ili ne više od 300 zaposlenih)
Tabela 4 Stopa potrošnje energije u malim pogonima za proizvodnju prehrambenih proizvoda
2.2 Proizvodni proces u preradi tečnog i mleka u prahu
Pasterizacija mleka se gotovo u potpunosti sprovodi metodom toplotne sterilizacije i metod brze sterilizacije na ultra-visokim temperaturama(UHT sterilizacija) je postao veoma raširen sa ciljem dobijanja dugotrajnog mleka, jer je u prošlosti broj bakterija u svežem mleku bio 1 000 000/ml što je bio rezultat napretka u proizvodnji mleka na farmama u Japanu. Poslednjih godina, kao posledica sklonosti potrošača ka prorodno dobijenoj hrani,postala je jako raširena i primena sterilizacije mleka na niskim temperaturama (63-75 stepeni C), na ograničenom tržištu proizvoda sa ograničenim periodom čuvanja.UHT sterilizacija je metod kojim mogu da se gotovo u potpunosti uklone sve bakterije iz mleka i radi se o metodu koji je razvijen sa uvođenjem pločastih izmenjivača toplote sa veoma brzom razmenom toplote. Uslovi koji se primenjuju za sterilizaciju mleka UHT metodom su držanje mleka izloženog temperaturi od 130 stepeni Celzijusa 2 sekunde, ali da bi se dobilo dugotrajno mleko postižu se temperature do 150 stepeni da bi se postigla sveobuhvatna sterilizacija i pakuje se korišćenjem sterilnih mašina za pakovanje(„pakerica“). Fig. 8 prikazuje shemu toka proizvodnje prilikom UHT sterilizacije mleka. Sveže mleko ohlađeno na oko 4 stepena celzijusa se pumpama za mleko dovodi do prvog dela za razmenu toplote pločastog izmenjivača toplote i prvog grejača i temperatura mu se podiže do 85 stepeni celzijusa. Nakon toga se ovakvo mleko drži u tanku oko 6 minuta da bi se konvertovali proteini koji se lako denaturišu, da bi sprečili da oblože i prekriju ploču preko koje se vrši razmena toplote drugog dela za razmenu toplote i grejača. Nakon ovog zadržavanja kapljice masti postaju jako sitne zbog prethodnog homogenizovanja. Onda mleko prolazi kroz drugi deo za razmenu toplote i drugi grejač i greje se do 130 stepeni C i nakon što se tu zadrži 2 sekunde, u jednom mahu se mleko sprovodi kroz drugi deo za razmenu toplote, prvi deo za razmenu toplote i hladnjak i rashlađuje se na 4 stepena Celzijusa ili manje. Ako se izostavi navedeni period zadržavanja mleka od 6 minuta, mleko s greje do 130 stepeni C i drži na toj temperaturi 30 sekundi, azatim hladi na 4 stepena C ili manje u kratkom vremenskom intervalu od oko 30 sekundi. Primer vremenskog toka ovog postupka, prikazan je u Fig. 9. UHT sterilizator sa pločastim izmenjivačem toplote i sredini, može se smestiti veoma kompaktno.
Fig. 10 prikazuje shemu dobijanja mleka u prahu sa atomizerom povezanim na koncentrator.
Kao primer, navode se reference, Tabela 5 pokazuje prodaju iz fabrika za proizvodnju mleka, mleka u prahu i drugih tečnih proizvoda, nasuprot njihovog uporedivog procentualnog učešća u potrošnji energije(stepen potrošnje).
Figure 8 Primer dijagrama toka proizvodnje UHT mleka
Figure 9 Primer promene temperature u funkciji vremena u tokom proizvodnje UHT mleka
Tajvan Pakistan Japan
Troškovi energije/
prodaja Gorivo 0,81 1,05 0,50
Električna energija 1,77 1,11 1,00
Ukupno 2,58 2,16 1,50
Tabela 5 Procentualno učešće u potrošnji energije(stepen potrošnje) u fabrikama za preradu mleka
English to Serbian: FOOD PROCESSING INDUSTRY PART II General field: Science Detailed field: Food & Drink
Source text - English *PLEASE CONTACT ME IF YOU NEED THIS TEXT. THERE ARE SOME FEATURES (FIGURES AND TABLES) THAT COULD NOT BE TRANSFERRED HERE PROPERLY.
3. Beverage process
As an example, the manufacturing process of tangerine orange juice is broadly divided into juice making, concentration, sterilization and filling. The general manufacturing process of juice is the same as that of tangerine oranges. There have been production developments and energy reductions in order to manufacture a higher quality product, and in particular the introduction of high technology has advanced in orange juice manufacturing. Pressed juice is passed through a vibrating strainer and is then concentrated after impurities have been removed. In general, heat concentration is used. This is a method of evaporating the water content by heating, but this can cause the juice to turn brown and lower its quality. Therefore it is necessary to reduce the pressure and concentrate it suddenly, so the vacuum concentration method is adopted. The types of vacuum method are a comparatively low temperature treatment and a high-temperature short time treatment but in either case there is quality deterioration because of a heating process. There is also the problem of scattering of odor components due to the vacuum. To solve this problem, there is the method of setting up fragrant ingredient recovery equipment to recover the fragrant ingredients and return them to the juice, there is the cut pack method of adding new juice to the concentrated juice, and there is a method of adding extremely small quantities of perfumed oil (manufactured essential oil) to the concentrated juice. However, there is always a big difference in comparison with fresh juice, and the adoption of freezing concentration methods to improve quality (fragrance and taste) is sought. The difficult point is the extremely high cost of the equipment of freezing concentration method. Without heating the squeezed juice at all, preliminary freezing is carried out, and only the juice's water content is crystallized and removed in a crystallizer. This can be adopted in the complete concentration of the fruit juice by a method of removing the remaining water content in a recrystallizer, and outstandingly good quality is achieved.
Machines used in the general juice process include a vacuum multi-effect evaporator, a vacuum evaporator, a crystallizer and a recrystallizer. Next the concentrated juice is clarified through the removal of various comturbidity ponents (proteins, pectic substance, etc.) included in the fruit juice and reducing the turbidity, and here too a certain temperature and time are needed (40-45°C for 80-120 minutes) so the taste is always impaired. After sterilization with the plate heat exchanger, the filtered and clarified fruit juice is put into containers and the final product is refrigerated. There are some changes to the process if
100% fruit juice is made instead of concentrated juice, and the product is made without going through the concentration process. Jam and marmalade are also made in drinks factories, and many processes follow complicated paths.
2.4. Beer brewing process
An example was referred to Item 1.3.3 in which 105 kWh of electric energy were consumed and 38 x l04 kcal of fuel were used in a brewery per 1000 liters of beer produced. In Japan, 65% of the fuel are used in the molt pan and 35% of the electricity are used for the refrigerators.
Fig. 11 shows an outline of the refrigeration equipment. In the Japanese beer brewery the refrigeration process consumes 31% of the electricity,. and the annual electricity consumption by each process is shown in Fig. 12.
The flow sheet and material balance of a sugar refinery in Japan are shown in Fig. 13 and Fig. 14. Energy consumption ratio in a sugar factory is shown in Fig. 15.
Energy conservation in industrial sectors starts from the software including operation control and process control, then extends into the hardware including equipment improvement and process improvement. Generally, energy conservation efforts can be classified into the following three steps:
Step l - Good housekeeping
Energy conservation efforts, made without much equipment investment, include elimination of the minor waste, review of the operation standards in the production line, more effective management, improvement of employees' cost consciousness, group activities, and improvement of operation technique.
For example, such efforts include management to prevent unnecessary lighting of the electric lamps and idle operation of the motors, repair of steam leakage, and reinforcement of heat insulations.
Step 2 - Equipment improvement
This is the phase of improving the energy efficiency of the equipment by minor modification of the existing production line to provide waste heat recovery equipment and gas pressure recovery equipment or by introduction of efficient energy conservation equipment, including replacement by advanced equipment. For example, energy conservation efforts in this step include effective use of the waste heat recovery in
-2 1¬
combustion furnaces and introduction of the gas pressure recovery generator in the iron and steel works and a waste heat recovery generator in cement plants. Step 3 - Process improvement
This is intended to reduce energy consumption by substantial modification of the production process itself by technological development. Needless to say, this is accompanied by a large equipment investment. However, this is linked to modernization of the process aimed at energy conservation, high quality, higher added value, improved product yield and manpower saving.
3.1. Energy Management
The first step in energy conservation is to understand the quantity of energy used with regard to fuel, electricity and water. Next, we have to concretely understand the consumption and purposes for which each kind of energy is used in the factories and processes. To do this, data analysis and measuring are needed. Next, we make tables of energy consumption and cost and prepare the countermeasures (in every factory and every process). The following 5 points show the necessary energy for production.
(1) The energy required for a process and its service : Loss of Product energy loss
(2) The energy required for containers and equipment : Loss of Equipment energy
(3) Energy lost due to control : Loss of Control energy
(4) Energy lost due to energy conveyance and control : Loss of Supply energy
(5) Loss due to the purchase and generation of energy : Loss of Generation energy
The sum of these 5 losses is added up as the company's fuel expenses, electricity expenses and water expenses. This table is called the "Energy Consumption Chart", and by making it we can find energy conservation themes and make the study of effective measures easier.
The energy conservation techniques in the food processing
industry are classified as follows:
Sector Liquid milk and dry milk Bread Beer
1st step Efficient use of heat exchanger Temperature control of baking furnace Recovery of waste heat of cooling water
2nd step Replacement of low effciency chiller Waste heat recovery of baking furnace Insulation of valves
Waste heat recovery of molt pan
Replacement of low efficiency
chiller
3rd step
Sector sugar Beverage Ketchup and jam
Sector Recovery of waste heat of a filter Shorten of
idle operation time Recovery of
waste heat of cooling water
2nd step Set of boiling pan stir Insulation of tank Recovery of drain Insulation of cooker
3rd step Increase of operation rate Increase of line speed
Equipment Boiler
1st step Repair of steam leakage Combustion control Maintenance of burner nozzle
2nd step Waste heat recovery Recovery of drainage Preheat of feed water Modification of flash tank Insulation of boiler and valves
3.1.1. Operation rate
The energy requirements of a factory include the electric power for lighting and air conditioning, as well as refrigerators and freezing equipment. These have an effect on the energy intensity due to the factory's operation rate. In addition, energy loss occurs due to stopping equipment already heated to high. temperature resulting of an increase in the loss of equipment energy. Therefore increasing production (such as amount of load, operation rate, and load factor) is effective for energy conservation.
3.1.2. Speed of line
There are optimum conditions for production line speed control, although the optimization of the consumption of power and thermal energy is being strived for.
There is an unestablished mutual connection with the operational rate, and generally this should be reexamined during equipment renewal.
Even if the overall energy consumption increases when factory production lines are speeded up, energy conservation is brought about by more products increase:.
3.1.3. Required food processing machinery
Food processing machinery requirements are as follows.
1) Product safety and security
2) Good cleanliness
3) Good dismantling efficiency
4) Good inspection capacity
3.2. Energy conservation techniques in boilers
- Waste heat recovery
Loss of thermal energy occurs in boilers. The waste gas heat in the chimneys is particularly large, and it is recovered by the installation of economizers in the chimneys to preheat the feed water.
- Combustion conditions
Fuel oil is sprayed into the furnace from the spray nozzle of the burner tip. Therefore control of the diameter of the nozzle tip is important, because if the diameter is increased by 20%, the spray particles can get bigger, and more excess air is necessary for complete combustion; so periodical inspection and replacement are adviseable.
For oxygen control of exhaust gas in a fire tube boiler with 2 - 6 ton/H evaporation, with 4% O2, an air ratio = O2 / 21 - O2 = 1.24 is aimed for. In a 10 - 30 ton/H water-tube boiler, with 2% O2, the target is an air ratio of 1.05. These are tentative standards for fuel oil combustion, but the above targets are easily attained in the case of kerosene or gas boilers.
- Steam leakage
Auxiliary boilers are installed in many places in food factories. Steam generated by a boiler is passed through a pipe common to the adjacent boiler before being sent to the factory, so even a boiler which is not running is heated if there is a gate valve water leak, which involves a loss. It is necessary to repair factory plumbing leaks quickly.
- Recovery of drainage
Looking at examples where drainage from a production line is recovered in a condensate tank, steam often gets out of the upper part of the condensate tank. In such a case, sometimes a flash tank is fitted and used to preheat the boiler's combustion air, as shown in Fig. 16.
In this example, the increase in the amount of steam used after introducing energy must be dealt with, and flange steam and drainage are being looked at in all factories in order to carry out heat recovery.
It is planned to take another look at the flash steam and drainage of all factories for heat recovery. There is no information about a thermal balance calculated value, but the following results have been reported.
1. Money invested: ¥20,000,000
2. Money saved : ¥28,060,000/year
Amount of recovered steam: 13,464 tons/year
3. Payback period: 0.71 year
4. Installation date: June 1989
- Heat exchange of feed water
Feed water should be almost pure water to prevent scaling occurring on the inside surface of the boiler, but 3 - 5% boiler water blowing is often carried out in an ordinary fire tube boiler. When heat recovery of thermal effluent within food factory processes is carried out, the effluent passes through a heat exchanger and supplies the boiler as good quality warm water.
3.3. Energy conservation techniques in bread factory baking furnaces
- Temperature control
In the bread molding process, bread is put into the furnace after putting it into the
mold. Normal baking temperature is 220 - 230°C. If the factory control standard of 255°C is exceeded, the surface is clearly over-baked and sometimes it is burned. This means an increased control loss, and so a temperature which gives the proper color is needed. As shown in Fig. 17 we can see that an infrared range is desirable for heating foods, and has been rapidly developed recently. In practice, this is used for hollow baked cakes and rice crackers, and the baking time has been substantially shortened.
Energy conservation is strived for in bread baking factories by adopting a return method of recovering exhaust air and using it for the combustion air of a hot blast generating furnace.
3.4. Energy conservation techniques in molt pans in beer factories
Molt pans consume 65% of the thermal energy in beer factories. In Japan if a heat pump method is adopted to recover waste heat, first the heat exchangers are strengthened 2-fold for waste heat recovery, as shown in Fig. 18.
Figure 18 Input and WPC outline plan in beer brewery
A successful case of energy conservation. Factory outline
1) Production items beer, soft drinks, liquified carbon dioxide
2) No. of employees 480
3) Amount of energy used per year
Amount of fuel used 8,264 kl
Amount of steam used 123,813 tons
Amount of power used 17,525,400 kWh
(In house generated power) 5,163,900 kWh
Outline of equipment
Wort Pan Containers WPCs (common name - Pancon)
In the insertion stage of the beer production process, finely crushed malt and hot water are put into a mash tub, rice and starch boiled in a rice cooker are added, the temperature is raised while moving from the mash tub to the mash pan, and extracted starch elements are changed to sugar by the action of enzymes to make wort. This is filtered, hops are added and the mixture boiled in a wort pan. A lot of condensate is generated by this temperature raising and boiling, which until 1981 was just released into the outside air; but in the same year, as an energy conservation measure, wort pan condensers (WPC 1) were installed to recover condensate as hot water. The WPC-2, shown in Fig. 18, was added in 1986 to recover the condensate that still remained. Effects after measures
- Effect of shortening the time by adding wort pre-heated hot water Number of times inserted per year - 2,4?'j Energy of 1 kg of steam - 660 kcal Inlet average water temperature - 20°C
Amount of hot water added (7.2m3 - 2.6m3) x 2,493 insertions/year = 10,969m2 Heat amount calculation (75°C - 20°C) x 10,969m2 = 603,295 x 103 kcal/kg Steam conservation 603,925 x 103 kcal/kg 660 kcal/kg = 914 ton Money saving 914 ton x ¥3,400/ton = ¥3,107,600
- Effect of reducing the amount of steam in the WPC hot water tank steam inline heater
12 and 14 times inserted per year -1,029 Amount of reduced steam -0.62 ton/mixing Amount of steam-1,029 times/year x 0.62 ton/mixing = 667 ton
Money saving- 677 ton x ¥3,400/ton = ¥2,301,800
- Effect of improving the sequence program Time loss per mixing - 48 seconds Time required per mixing - 1.5 hours Amount of WPC hot water produced per insertion -33m3 Steam heat amount -660 x 103 kcal/kg
48 seconds x 2,493 mixing/year = 119,664 seconds = 33 hours/year 33 hours ^ 1.5 hours = 22 mixing 33m3 x 22 mixing = 726m3
Amount of heat (90°C - 20°C) x 726m3 = 50,820 x 103 kcal/kg
Steam conservation 50,820 x 103 Kcal/Kg - 660 kcal/kg = 77,000kg = 77 ton
Money saving 77 ton x ¥3,400 = ¥261,800
Total money of above 3 items
3,107,600 2,301,800 261,800 = ¥5,671,200
- Steam reduction rate 1.34% decrease from the amount of steam used last year
- Intangible effect
* The operation control became smoother because of control sequence improvements.
* The technique on operation of personal computer has been improved such as operation control method and sequencer operation.
Translation - Serbian *MOLIM VAS DA ME KONTAKTIRATE U SLUČAJU DA VAM JE POTREBAN PREVOD OVOG TEKSTA. JEDAN DEO SADRŽAJA (DIJAGRAMI I TABELE) NIJE BILO MOGUĆE PRENETI U OVAJ FORMULAR NA ODGOVARAJUĆI NAČIN.
2.3 Proizvodni proces u izradi bezalkoholnih napitaka
Kao primer navodimo proces proizvodnje soka od mandarina, koji je grubo podeljen na proizvodnju soka, koncentraciju soka, sterilizaciju i punjenje ambalaže. Opšti model proizvodnog procesa za sokove je isti kao kod proizvodnje ovog soka od mandarina. Bilo je unapređenja u proizvodnji i smanjenja utroška energije u cilju proizvodnje kvalitetnijeg konačnog proizvoda, a naročito je uvođenje novih tehnologija doprinelo unapređenju proizvodnje soka od pomorandže. Presovano voće prolazi kroz vibrirajuće sito i nakon što se uklone sve nečistoće sok se koncentriše. U principu, koristi se koncentrovanje soka toplotom. Ovo je metoda kojom se vodeni sadržaj uklanja isparavanjem, ali ovo može da dovede do toga da sok potamni i na taj način mu se umanji kvalitet. Stoga je neophodno da se pritisak redukuje i koncentrisanje obavi brzo, pa je usvojen metod vakuumske koncentracije. Tipovi metode vakuumske koncentracije su primena komparativno niske temperature ili primena visoke temperature u kratkom vremenskom periodu, ali u oba slučaja dolazi do opadanja kvaliteta proizvoda, zbog procesa zagrevanja. Postoji takođe i problem rasipanja mirisnih komponenti, kao posledica primene vakuuma. Da bi se rešio ovaj problem, postoji metoda za instalaciju opreme za hvatanje mirisnih komponenti i vraćanje u sok, postoji „cut pack“ metod za dodavanje svežeg soka koncentrisanom soku, a postoji i metoda za dodavanje jako malih količina mirisnih ulja(ekstrahovanih esencijalnih ulja) koncentrisanom soku. Međutim, uvek postoji velika razlika u poređenju sa svežim sokom, i potrebno je usvajanje metoda koncentrisanja smrzavanjem, da bi se unapredio kvalitet(miris i ukus). Otežavajuća okolnost u uvođenju ove metode je izuzetno visoka cena opreme za metodu koncentrisanja smrzavanjem. Bez ikakvog zagrevanja isceđenog soka, sprovodi se preliminarno smrzavanje i kristalizuje samo vodeni sadržaj u soku i uklanja se u kristalizatoru. Ovom metodom je moguće izvršiti kompletan postupak koncentrisanja soka, kroz metodu uklanjanja vodenog ostatka korišćenjem rekristalizatora i postiže se izuzetno visok kvalitet soka. Mašinama koje se koriste u opštem modelu proizvodnje soka, obuhvaćen je i vakuumski multifunkcionalni uparivač, koji u sebi sadrži vakuumski uparivač, kristalizator i rekristalizator. Sledeći postupak koji se sprovodi je prečišćavanje soka od različitih komponenti koje zamućuju sok(proteini, pektinske supatance itd.), pa se nataj način povećava bistrina soka. Ovaj postupak zahteva zagrevanje do određene temperature u određenom vremenskom intervalu(na 40-45 stepeni 80-120 minuta), što uvek negativno utiče na ukus soka. Nakon sterilizacije pomoću pločastog izmenjivača toplote, filtrirani i izbistreni voćni sok smešta se u kontejnere i konačni proizvod se odmah rashlađuje. Postoje neke razlike u procesu proizvodnje 100% prirodnog soka umesto soka od voćnog koncentrata, jer se konačan proizvod dobija bez sprovođenja postupka koncentrisanja. Džemovi i marmelade se takođe proizvode u fabrikama za proizvodnju sokova, pri čemu se sprovode mnogi, veoma komplikovani procesi i postupci.
2.4 Proizvodni proces u pivarskoj industriji
U odeljku 1.3.3 naveden je primer u kome se prikazuje da se u pivari, za proizvodnju 1000 litara piva, troši 105 kWh električne energije i 38 x 104 kcal raznih goriva. U Japanu se u proizvodnji piva 65% goriva troši oko posude za slad, a 35% električne energije se troši na rashlađivanje.
Fig.11 daje prikaz opreme za rashlađivanje.
U japanu se u pivarama na rashlađivanje troši 31% električne energije. Fig. 12 prikazuje godišnju potrošnju električne energije za obavljanje svakog pojedinačnog postupka u proizvodnji.
Fig.11 prikaz opreme za rashlađivanje u postupku proizvodnje piva
Fig. 12 godišnja potrošnja električne energije za obavljanje svakog pojedinačnog postupka u proizvodnji piva
Shema toka proizvodnje i bilans utroška materijala u šećerani u Japanu prikazana su u Fig.13 i Fig.14. Odnos potrošnje energije u pojedinim delovima proizvodnog procesa šećeranama prikazana je u Fig. 15.
Fig.13 Shema toka proizvodnje u šećerani
Fig.14 Primer toka proizvodnje i bilans utroška materijala u jednoj šećerani
Fig.15 Odnos potrošnje energije u pojedinim delovima proizvodnog procesa u jednoj šećerani u Japanu.
2. Predstavljenje tehnike za očuvanje energije
Očuvanje energije u industrijskim sektorima otpočinje sa radom na softveru, što obuhvata kontrolu operacija i procesa, a onda se širi i na hardver što podrazumeva unapređenje opreme u pogonu i procesa u proizvodnji. Uopšteno govoreći napori usmereni na očuvanje energije mogu da se podele u sledeća tri koraka:
Prvi korak – Dobro održavanje
Napori usmereni ka očuvanju energije, učinjeni bez velikih investicija u opremu, obuhvataju eliminisanje svih malih gubitaka energije, reviziju proizvodnih standarda na proizvodnoj liniji, efektivnije upravljenje, podizanje svesti zaposlenih o troškovima, grupne aktivnosti i unapređenje operativnih tehnika. Na primer, u takve napore spadaju upravljanje energetskom potrošnjom u smislu sprečavanja nepotrebnog rada električnog osvetljenja i rad pogonskih motora „na prazno“, otklanjanje curenja pare i povećanje efikasnosti(ojačavanje) toplotne izolacije.
Drugi korak – Unapređenje opreme
Ovo je faza unapređenja energetske efikasnosti opreme, kroz manje modifikacije postojećih proizvodnih linija, da bi se postavila oprema za ponovno korišćenje rasute toplotne energije i oprema za ponovno korišćenje rasutog pritiska gasa ili uvođenjem efikasne opreme za očuvanje energije ili, na kraju, kroz zamenu postojeće opreme, novom, modernijom opremom. Na primer, napori usmereni ka očuvanju energije u ovom koraku obihvataju efektivno korišćenje sistema za ponovnu upotrebu rasute toplotne energije pri korišćenju peći za spaljivanje i uvođenje generatora za ponovno korišćenje rasute energije pritiska gasa u proizvodnji gvožđa i čelika i generatora za ponovno korišćenje rasute toplotne energije u cementarama.
Treći korak –unapređenje proizvodnog procesa
Cilj ovog koraka je smanjenje potrošnje energije pomoću značajnih izmena postojećeg proizvodnog procesa, kroz primenu novih tehnoloških dostignuća. Podrazumeva se da ovo prate velike investicije u novu opremu. Ovo, međutim, dovodi do modernizacije proizvodnog procesa u cilju očuvanja energije, postizanja većeg kvaliteta konačnog proizvoda, veće dodate vrednosti, povećanje dohodovnosti pproizvoda i ušteda u ljudstvu.
3.1 Upravljanje energijom
Prvi korak u procesu ostvarivanja ušteda u energiji, podrazumeva shvatanje koliko se zapravo energije troši i koji su energenti u pitanju(gorivo, električna energija i energija vode). Nakon toga, potrebno je doći do konkretnih podataka o potrošnji energije i u kom cilju se i u kom proizvodnom procesu u fabrici troši koji izvor energije. Da bi se ovo postiglo, neophodno je da se koriste analiza podataka i merenja. Sledeće je napraviti tabele energetske potrošnje i troškova i pripremiti kontramere(za svaku fabriku i svaki proizvodni proces posebno). U sledećih 5 tačaka prikazana je sva energija potrebna da bi se obavljao proces proizvodnje.
(1) Energija potrebna za sam proizvodni proces i održavanje : Gubitak energije uložene u sam proizvod
(2) Energija potrebna za rad kontejnera i opreme : Gubitak energije od strane opreme u proizvodnji
(3) Energija koja se gubi kao posledica upravljanja proizvodnim procesom : Gubitak energije za upravljanje
(4) Energija koja se gubi kroz prenos energije i kontrolu : Gubitak energije od strane postupaka i aparata koji obezbeđuju izvore energije
(5) Energija koja se gubi kao posledica nabavljanja i proizvodnje energije : Gubitak energije kroz proizvodnju energije
Zbir ovih 5 načina gubljenja energije iskazuje se kroz troškove poslovanja kompanije za gorivo, električnu energiju i vodu. Ova tabela zove se „Diajgram potrošnje energije“ i sastavljajući je možemo da definišemo ključne postavke za očuvanje energije i učinimo razmatranje efektivnih mera za očuvanje energije jednostavnijim. Tehnike za očuvanje energije u industriji prerade hrane klasifikovane su na sledeći način:
Sektor Tečno i mleko u prahu Hleb Pivo
Prvi korak Efikasna upotreba izmenjivača toplote Kontrola temperature peći za pečenje Ponovno korišćenje rasute toplote iz vode za hlađenje
Drugi korak Zamena neefikasnih rashladnih uređaja Ponovno korišćenje tolote rasute iz peći za pečenje Izolacija ventila
Ponovno korišćenje toplote rasute preko posude za slad
Zamena neefikasnih rashladnih uređaja
Treći korak
Sektor Šećer Bezalkoholno piće Kečap i džem
Sektor Ponovno korišćenje toplote rasute na filterima Skraćenje praznog hoda mašina tokom proizvodnog procesa Ponovno korišćenje rasute toplote iz vode za hlađenje
Drugi korak Podešavanje mešača u posudi za kuvanje Izolacija tanka
Prikupljanje i ponovno korišćenje kondenzata i odlivenog sadržaja Izolacija posude za kuvanje
Treći korak Ubrzanje tempa proizvodnje Ubrzanje proizvodne trake
Oprema Bojler(kotao)
Prvi korak Popravka svakog curenja pare
Kontrola sagorevanja
Održavanje gorionika
Drugi korak Prikupljanje i ponovno korišćenje rasute toplote
Prikupljanje kondeniozata i sadržaja nastalog prelivanjem
Preliminarno zagrevanje tehničke vode
Prepravka ekspanzione posude
Izolacija bojlera i ventila
Energetske potrebe fabrike obhvataju električnu energiju za osvetljenje i klimatizaciju, kao i za rad opreme za rashlađivanje i zamrzavanje. Ritam rada fabrike utiče na intenzitet potrošnje energije od strane ovih potrošača. Uz to, energetski gubici javljaju se i usled zaustavljanja opreme koja je već postigla svoju, inače visoku, radnu temperaturu, što dovodi do rasta energetskih gubitaka od strane opreme u proizvodnji. Stoga, povećanje obima proizvodnje(kao što bi bilo povećanje količine sirovine koja se obrađuje-obima opterećenja, povećanje przine rada linije za proizvodnju i faktora opterećenja) efikasno doprinosi očuvanju energije.
3.1.2 Brzina proizvodne linije
Postoje optimalni uslovi za kontrolu brzine proizvodne linije, iako se još uvek teži da se postigne optimalna potrošnja električne i toplotne energije. Postoji nedefinisan međusobna veza između ritma kojim se izvršavaju operacije u proizvodnji i uopšteno govoreći ovo bi trebalo da bude predmet razmatranja prilikom obnavljanja opreme. Čak i ako dođe do uvećanja ukupne potrošnje energije na nivou čitave fabrike prilikom povećanja brzine rada proizvodnih linija, energetske uštede se ostvaruju kroz veći obim proizvodnje.
3.1.3 Neophodna svojstva mašina koje se koriste za preradu hrane
Evo neophodnih karakteristika za mašine koje se koriste u preradi hrane:
1)Bezbednost proizvoda
2)Dobro održavanje čistoće
3)Lako rasklapanje i sklapanje
4)Lako obavljanje inspekcija
3.2 Tehnike za očuvanje energije kod bojlera(kotlova)
-Ponovno korišćenje rasute toplote
Kod bojlera se javlja guitak toplotne energije. Naročito su veliki gubici u toploti preko odžaka i ova rasuta toplotna energija se ponovo koristi ugradnjom ekonomizera u odžake, koji vrše inicijalno zagrevanje tehnološke vode.
-Uslovi sagorevanja
Lož ulje se respršava u peći pomoću raspršivača koji se nalazi na vrhu gorionika. Stoga je kontrola promera otvora na vrhu raspršivača veoma važna, zato što se sa povećanjem otvora za 20% dijametar raspršenih čestica povećava i potrebno je povećanje dotoka vazduha da bi se obezbedilo potpuno sagorevanje; stoga se preporučuje periodično pregledanje i zamena raspršivača.
Kod bojlera sa gorionom cevi sa emisijom gasa od 2 - 6 ton/H i sa 4% O2, teži se vazdušnom odnosu iskazanom kao= O2 / 21 - O2 = 1.24. Kod bojlera koji se greju pomoću zagrejane vodene cevi koja ima karakteristike 10 - 30 ton/H i sa 2% O2, teži se vazdušnom odnosu 1.05. Ovo su eksperimentalni standardi za sagorevanje lož ulja kao energenta, ali se gore navedeni ciljevi lako postižu ako se koriste bojleri na kerozin ili prirodni gas.
-Gubici usled curenja vodene pare
Pomoćni bojleri nalaze se na brojnim mestima u fabrikama za pproizvodnju hrane. Vodena para proizvedena od strane bojlera prolazi kroz cevi koje primarni bojler deli sa pomoćnim bojlerom, pre nego što se pošalje u proizvodni pogon, tako da se greje čak i bojler koji ne radi, ako se desi curenje na ventilu-skretnici, što podrazumeva gubitak u energiji. Curenja u vodovodnim cevima u fabrici hrane potrebno je popravljati veoma brzo.
-Prikupljanje i ponovno korišćenje sadržaja koji nastaje ceđenjem
Ako razmotrimo primer u kome se sadržaj nastao ceđenjem na proizvodnoj liniji prikuplja u tanku za skupljanje kondenzata, primetićemo da para često izlazi iz gornjeg dela tanka za kondenzaciju. U tom slučaju moguće je postaviti ekspanzionu posudu i koristiti je za inicijalno zagrevanje vazduha koji sagoreva prilikom rada bojlera, kao što je prikazano u Fig. 16. U navedenom primeru, morali bi da se pozabavimo porastom iskorišćene vodene pare nakon što se potroši određena količina energenata na zagrevanje i u svim fabrikama se obraća posebna pažnja na rasutu vodenu paru i sadržaje nastale ceđenjem i kondenzacijom u cilju smanjenja gubitaka toplotne energije.
Planirano je da se ponovo pregledaju sve ekspanzione posude i drenaža nastalog viška sadržaja u svim fabrikama u cilju očuvanja toplotne energije. Nema pouzdano dobijenih informacija o bilansu potrošnje toplotne energije, ali su zato prijavljeni sledeći dobijeni rezultati:
10. Uložena sredstva : 20 000 000 jena
11. Ušteda : 28 060 000 jena godišnje
Ukupna količina ponovo iskorišćene vodene pare : 13 464 tona godišnje
12. Period ispaltivosti investicija : 0,71 godina
13. Datum postavljanja svih unapređenja u opremi : jun 1989.
Figure 16 prepravke ekspanzionog tanka(posude)
-Toplotna razmena kod tehničke vode
Tehnička voda koju koristi bojler, trebalo bi da bude gotovo sasvim čista, da bi se sprečilo nakupljanje kamenca na unutrašnjem zidu bojlera, ali 3-5% od ukupne količine utrošene tehničke vode dobija se zagrevanjem obične vode u klasičnim bojlerima koji se greju pomoću grejne cevi. Kada se sprovedu mere za očuvanje i adekvatno usmeravanje toka toplotne energije u fabrici za proizvodnju hrane, tok toplotne enrgije se usmerava tako da prolazi kroz izmenjivač toplote i tako snabdeva bojler toplom vodom visokog kvaliteta.
3.3 Tehnike za očuvanje energije u pećima za pečenje hleba u pekarskoj industriji
- Kontrola temperature
U toku procesa oblikovanja hleba prema kalupu, hleb se stavlja u peć za pečenje tek nakon što se smesti u kalupe. Uobičajena temperatura pečenja hleba je 220-230 stepeni C. Ako se fabrički kontrolni standard od 255 stepeni C prekorači, površina hleba će pokazivati očigledne znake prepečenosti i ponekad biti zagorela. Ovo predstavlja gubitak energije prilikom kontrole procesa proizvodnje, tako da je potrebno primeniti odgovarajuću tempereturu koja će dati očekivanu boju kore hleba. Kao što je prikazano na Fig. 17 poželjna je primena infracrvenog kalorimetra(termostata) prilikom zagrevanja hrane i u poslednje vreme se primena ove tehnologije ubrzano razvija. U praksi, ova tehnologija se kristi za pečenje kolača koji imaju šupljinu i pirinčanih krekera, i vreme potrebno za pečenje je skraćeno u značajnoj meri. U pekarskoj industriji teži se ostvarivanju ušteda u energiji usvajanjem metode za ponovno korišćenje izbačenog vrelog vazduha, kao vazduha za sagorevanje u pećima koje koriste „hot blast“ tehnologiju sagorevanja.
Figure 17 Peć za pečenje hleba koja radi na principu kontinuiranog sagorevanja kod koje je primenjena tehnologija infracrvenog zračenja
3.4 Tehnike za očuvanje energije na nivou posuda za slad u fabrikama piva
U fabrikama za proizvodnju piva, na nivou posuda za slad troši se 65% od ukupno utrošene toplotne energije. U Japanu je, da bi bio usvojen postupak korišćenja toplotnih pumpi za prikupljanje rasute toplotne energije, prvo moralo da se sprovede dvostruko ojačavanje izmenjivača toplote, kao što je prokazano u Fig. 18.
Figure 18 Dijagram korišćenja ulazne i prikupljene rasute toplotne energije u fabrikama piva
Slučaj uspešnog očuvanja energije.
Plan fabrike
1) Konačni proizvodi: pivo, bezalkoholna pića, gazirana voda
2) Broj zaposlenih : 480
3) Količina energije koja se godišnje potroši:
Količina potrošenog goriva 8 264 kl(kilolitara)
Količina upotrebljene vodene pare 123 813 tona
Količina utrošene električne energije 17 525 499 kWh
(električna energija koju fabrika sama proizvodi) 5 163 900 kWh
Dijagram opreme koju koristi fabrika
Wort Pan kontejneri WPC-i (uobičajeno ime za njih je - Pancon)
U inicijalnom delu proizvodnog procesa u industriji piva, fino samlevene žitarice i vrela voda sipaju se u korito za mešanje, dodaju se pirinač i skrob prethodno skuvani u posudi za kuvanje pirinča, podiže se temperatura mešavine dok se ona prebacuje iz korita za mešanje u posudu za sladi izdvojeni skrobni elementi se prevode u proste šećere uz pomoć enzimske reakcije i time se dobija čisti ekstrat slada. Ovaj sadržaj se filtrira, dodaje se hmelj(hop), i mešavina se kuva u posudi za sladni ekstrat. Podizanjem temperature i kuvanjem se dobija dosta kondenzata, koji se do 1981. godine jednostavno ispuštao u vazduh; ali iste godine kao mera za očuvanje energije uvedeni su kondenzatori(WPC 1) za posudu za sladni ekstrat, da bi vraćali kondenzat u proizvodni proces kao toplu vodu. WPC 2 tip kondenzatora uveden je 1986. godine u cilju skupljanja dela kondenzata koji bi pretekao.
Rezultati preduzetih mera:
-Efekat na skraćenje vremena potrebnog za proizvodnju zahvaljujući dodavanju prethodno zagrejane vode u sladni ekstrat
Broj ubacivanja godišnje 2,4%
Energija 1kg vodene pare – 660 kcal
Prosečna temperatura vode na ulasku u fabriku – 20 stepeni C
Količina dodate tople vode (7,2 kubna metra- 2,6 kubnih metara) x 2,493 ubacivanja godišnje = 10,969 kubnih metara
Izračunata količina toplote (75-20 stepeni C) x 10,969 kubnih metara = 603,295 x 103 kcal/kg
Uštede u energiji vodene pare 603,295 x 103 kcal/kg ÷ 660 kcal/kg = 914 t
Ušteda u novcu 914 t x 3,400jena/t = 3,107,600 jena
-Efekti smanjenja količine vodene pare koja se koristi za grejanje vode u bojleru sa WPC na proizvodnoj liniji
12 i 14 puta godišnje se uvodi(ubacuje) – 1,029
Količina redukovane vodene pare – 0,62 t/mešavini
Količina vodene pare – 1,029 puta godišnje x 0.62 t/mešavini = 667 t
Ušteda u novcu – 677t x 3,400jena/t = 2,301,800 jena
- Efekti unapređenja prozvodnog programa
Gubitak vremena pri mešanju – 48 sekundi
Vreme potrebno za proces mešanja – 1,5 h
Količina tople vode dobijene primenom WPC po jednom ubacivanju smeše - 33m3
Količina toplote u vodenoj pari - 660 x 103 kcal/kg
48 s x 2,493 mešavini godišnje = 119,664 s = 33 h godišnje
33 h ÷ 1.5 h = 22 mešavine
33m3 x 22 mešavine = 726m3
Količina toplote (90°C - 20°C) x 726m3 = 50,820 x 103 kcal/kg
Uštede u vodenoj pari 50,820 x 103 Kcal/Kg ÷ 660 kcal/kg = 77,000kg = 77 t
Ušteda u novcu 77 t x 3,400 jena = 261,800 jena
Ukupne uštede u novcu za sve tri gore navedene stavke
3,107,600 2,301,800 261,800 = 5,671,200 jena
-Stepen umanjenja u potrošenoj vodenoj pari je 1,34% u odnosu na prethodnu godinu
-Nemerljive koristi
*Kontrola operacija(postupaka) u proizvodnji postala je olakšana kao posledica izvršenih poboljšanja na nivou kontrole sleda postupaka
* Unapređen je način na koji se koriste računari u proizvodnji kroz primenu na nivou kontrole operacija I kroz kontrolu sleda postupaka.
More
Less
Experience
Years of experience: 22. Registered at ProZ.com: Nov 2012. Became a member: Dec 2013.
My name is Nenad Radosavljević and I am a medical doctor (MD). I have over 16 years of experience translating, editing and proofreading from English into Serbian, Bosnian, Montenegrin, and Croatian and from Serbian, Bosnian, and Croatian to English. Over the years I had experience with all sorts of different texts including those on economy, engineering, tourism, medicine, pharmacy and both medical and pharmaceutical management and marketing. Lately, I worked for some of the most respectable companies in the healthcare industry, translating mostly texts on different medical devices.
I also have over 5 years of experience working for the pharmaceutical industry. During that time, I must have read thousands of documents concerning different aspects of pharmaceutical products.
Most of my linguistic work I perform for Trans Perfect (over 400 projects), ICON (65 projects), Penna Europa (25 projects), Hogarth Worldwide (17 projects), Lionbridge (57 projects), Taika Translations (over 450 projects), Medtronic (498 projects), Enkoline (Samsung) (135 projects), GIB Consult (22 projects) and Global Language Solutions (Welokalize) (around 36 projects).
Also I translated most of the material used in an advertising campaign for a glucose meter manufactured for one of the leading pharmaceutical companies, working for Hogarth Worldwide.
I've recently worked on a project for famous Japanese AMADA Company, translating a volume of close to 250 pages of instructions manuals and technical specifications, for one of their machines.
I have a lasting cooperation with a translation agency from South Korea, translating user manuals for their largest electronics manufacturer (Samsung).
Two of the largest projects with technical subject matter I worked on were translating user, service and maintenance manuals for JBT AeroTech Tempest Deicer, and a mining drill manufactured by Atlas Copco.
I worked as an interpreter for Mr. Robert Creo, a famous American mediation lawyer, and an expert in mediation, during his stay in Serbia. I translated for him during two of his lectures for judges and lawyers here in Serbia. I translated different legal documents and certificates.
Recently, I've translated several legal documents (about 6000 words) for Ansh (Indian translation agency), and an English to Bosnian legal translation for a law firm from Kuwait (Al Naqeeb & Partners Law firm).
My usual translating rates are 0.04 USD per source word (0.02 USD per word for proofreading and editing) or 12 USD/hour, and I have an average daily output of 3000 words.
My CAT tool of choice is SDL Trados, versions 2007, 2009 and 2011. I'm also proficient with Wordfast, MemoQ, Across, TM Tool, Transit and Memsource.
If you need any additional information, feel free to contact me at any time. Here is my e-mail address:dr.nenadradosavljevic@gmail.com
If you need to contact some of our previous employers, here are some of their e-mails (you can see the companies I was working for from their e-mails):
1) adnanm@acico.com.kw
2) areales@translations.com
3) crodriguez@translations.com
4) sandra.ebeling@hogarthww.com
5) lrifa@translations.com
6) jkang@enkoline.com
7) ysuh@enkoline.com
8) dprakash@transperfect.com
9) ncampbell@transperfect.com
10) kobrien@transperfect.com
11) nfleszar@transperfect.com etc.
I hope that we will work together.
Kind regards,
Nenad Radosavljević
This user has earned KudoZ points by helping other translators with PRO-level terms. Click point total(s) to see term translations provided.
Member since Dec '13
Nenad Radosavljević 
Expertise 