Optimierung der Anordnung von Temperatur- und Drucksensoren für die Mikrowellenerwärmung verpackter Lebensmittel

Während der Entwicklungsphase von Mikrowellen-Erhitzungslösungen für verpackte Lebensmittel können drahtlose Sensoren integriert werden, um Temperatur und Druck im Inneren der Verpackung in Echtzeit zu erfassen. Dadurch wird die langfristige mikrobiologische Sicherheit gewährleistet und eine Rekontamination nach dem Verarbeitungsprozess begrenzt. Dieser Ansatz stellt zwar eine zuverlässige Alternative zur herkömmlichen Retortenverarbeitung dar (bei der verpackte Lebensmittel in hermetisch verschlossenen Behältern sterilisiert werden), doch können die Geometrie und die Anordnung des Sensors die elektromagnetische Verlustleistung innerhalb des Mikrowellenraums beeinflussen.

Aufbau des COMSOL^®-Modells

Um einen besseren Einblick in die möglichen Störungen durch diese Sensoren zu gewinnen, führte ein gemeinsames Team von GEPEA–Oniris (Gemeinsame Forschungseinheit für Verfahrenstechnik, Umwelt, Landwirtschaft und Lebensmittel, Nationale Hochschule für Veterinärmedizin, Lebensmittelwissenschaft und -technik, Nantes, Frankreich) und CTCPA (Technisches Zentrum für die Agrar- und Lebensmittelindustrie in Frankreich) eine Studie durch, in der Mikrowellenerwärmungsprozesse in einer Verpackung bewertet wurden, indem die Auswirkungen verschiedener Sensorpositionen innerhalb eines Single-Mode-Mikrowellengeräts simuliert wurden. Im Mittelpunkt der Studie stand ein Mikrowellenerwärmungsprozess im Labormaßstab bei 915 MHz für 300 g Kartoffelpüree in einer Polypropylenschale. Die 3D-Modellgeometrie der Mikrowelle wurde in der Software COMSOL Multiphysics^® erstellt, während die experimentell gemessene Geometrie der Polypropylenschale aus einer speziell angefertigten STL-Datei in COMSOL^® importiert wurde.

Abbildung 1. Beschreibung des 915-MHz-Single-Mode-Mikrowellengeräts.

Das vom Team erstellte Modell war robust und berücksichtigte alle geometrischen Details des Mikrowellengeräts. Es umfasste den vollständigen Entwurf eines Wellenleiterübergangs, eines Impedanzanpassungselements (d. h. einer Irisblende), eines 915-MHz-Single-Mode-Mikrowellengeräts sowie eines verschiebbaren Kurzschlusses. Die Mikrowellen-Eingangsleistungsquelle wurde mit einem Koaxialports an der Mikrowellenantenne modelliert. Alle Oberflächen des Wellenleiters, einschließlich des verschiebbaren Kurzschlusses aus Kupfer, wurden als perfekte elektrische Leiter betrachtet. Die dielektrischen Eigenschaften des Kartoffelpürees wurden experimentell gemessen und so angenommen, dass sie einem konstanten Feuchtigkeitsgehalt von 76 % entsprechen.

Um Mikrowellenstörungen durch metallische Teile zu vermeiden, wurde der drahtlose Sensor von einer ogivenförmigen Mikrowellenabschirmung aus 316-L-Edelstahl umgeben und auf der Oberseite der Kartoffelpüreeprobe platziert. Zusätzlich wurde eine Polypropylenfolie an der Oberseite der Polypropylenschale heißversiegelt, um das System zu verschließen. Aus all diesen Komponenten entstand ein numerisches Modell, das dem Team half, genaue Erkenntnisse über die optimale Position des Sensors innerhalb der Verpackung zu gewinnen, um Wechselwirkungen mit dem elektromagnetischen Feld zu minimieren.

Abbildung 2. Darstellung der mit einer Kartoffelpüreeprobe gefüllten Polypropylenschale. MW = Mikrowelle, PP = Polypropylen und PTFE = Polytetrafluorethylen.

Erkenntnisse aus der Simulation

Das Team verwendete das RF Module, ein Add-On zu COMSOL Multiphysics^®, um das elektromagnetische Feld im Mikrowellenresonator in Abhängigkeit von der in der Kartoffelpüreeprobe absorbierten Mikrowellenleistung vorherzusagen. Bei den Lösereinstellungen wurde in einem ersten Schritt eine Randmodenanalyse durchgeführt, um die Mode an Port 2 (siehe Abbildung 1) zu berechnen, der aus dem Wellenleiter herausführt. Im zweiten Schritt wurde eine Frequency-Stationary-Studie bei 915 MHz durchgeführt.

Ohne Sensor im Inneren der Schale ergab die Simulation eine von der Mikrowelle reflektierte Leistung von 24 % (S₁₁ = -6,16 dB), wobei die optimale Position für den gleitenden Kurzschluss bei 790 mm lag. S₁₁, der Reflexionskoeffizient des Eingangsports (d. h. das Maß für die Fehlanpassung des Ports), wurde anschließend in Abhängigkeit von unterschiedlichen Positionen der Mikrowellenabschirmung bewertet, wobei verschiedene Drehungen um die z-Achse von alpha = 0 bis 180^° in Schritten von 30^° durchgeführt wurden.

Abbildung 3. Lokale Mikrowellen-Absorptionsleistung im Kartoffelpüree in Abhängigkeit von vier Sensorpositionen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Position der Mikrowellenabschirmung auf die Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen ausgerichtet werden musste (alpha = 0^°), um einen ähnlichen S₁₁-Parameter wie bei der Schale ohne Sensor zu erzielen (S₁₁ ≈ -6 dB, RF ≈ 25 %). Bei einer Drehung um 90^° gegen den Uhrzeigersinn, sodass die Position der Mikrowellenabschirmung in dieselbe Richtung wie die transvertikal-elektrische Ebene zeigte, sank der S₁₁-Parameter auf -7,8 dB. Darüber hinaus zeigten die Simulationsergebnisse bei einer Änderung des Drehwinkels der Mikrowellenabschirmung von 90 auf 180^°, dass der S₁₁-Wert zwischen -7,8 und -4,7 dB schwankte. Diese Drehung von 90 auf 180° führte zudem dazu, dass sich die simulierte Mikrowellen-Reflexionsleistung um den Faktor 2 erhöhte, wobei bei einer Drehung um 90° eine Mikrowellen-Reflexionsleistung von 17 % und bei einer Drehung um 180° von 33 % gemessen wurde. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Positionierung des Sensors unbedingt berücksichtigt werden muss, da diese Schwankungen der Reflexionsleistung die gesamte Leistungseffizienz der Mikrowelle beeinträchtigen können.

Zur experimentellen Validierung des numerischen Modells wurde ein tragbarer Vektornetzwerkanalysator (VNA) verwendet. Der VNA wurde an Port 1 angeschlossen, um die von der Last reflektierte Mikrowellenleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu messen. Der S₁₁-Parameter wurde verwendet, um die an der Antenne reflektierte Mikrowellenleistung im Verhältnis zur einfallenden Mikrowellenleistung zu erfassen. Insgesamt stimmten die Simulationsergebnisse mit den mit dem VNA durchgeführten experimentellen Messungen überein. Abweichungen zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen lassen sich auf geringfügige Abweichungen bei der Sensorpositionierung zurückführen, die darauf zurückzuführen sind, dass es schwierig war, die unebene Oberfläche des Kartoffelpürees präzise nachzubilden.

Abbildung 4. Reflexionsfaktor bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Mikrowellenabschirmung.

Eine wichtige Entdeckung

Diese Untersuchung führte zu einer wichtigen Erkenntnis: Die Ausrichtung der Sensorposition auf die Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen führte zu einem ähnlichen Mikrowellenreflexionskoeffizienten wie bei Versuchen ohne Sensor. Es lässt sich jedoch eine deutliche Verringerung der reflektierten Mikrowellenleistung beobachten, wenn die Mikrowellenabschirmung innerhalb der transversalen elektrischen Ebene des Wellenleiters positioniert wird.

Tests haben gezeigt, dass das Modell auch in der Lage ist, die hohen lokalen Mikrowellenleistungsdichten an der Grenzfläche zwischen dem Sensor und der Lebensmittelprobe vorherzusagen, was weitere Aufschlüsse über die optimale Position für einen Temperatur- und Drucksensor (T-und-P-Sensor) liefern könnte; dies würde jedoch eine weitere experimentelle Validierung sowie die Berücksichtigung potenzieller temperaturabhängiger dielektrischer Eigenschaften des Lebensmittels und deren gekoppelten Einfluss auf die elektrische Feldverteilung erfordern.

Weitere Details

Weitere Informationen zu dieser Forschungsarbeit finden Sie in der vollständigen Veröffentlichung des Teams von GEPEA-Oniris und CTCPA, die auf der COMSOL Conference 2025 in Amsterdam mit dem „Best Paper Award“ ausgezeichnet wurde! Die Veröffentlichung beschreibt den gesamten Modellierungsansatz des Teams sowie die erzielten Ergebnisse.