Sterilizzazione Microonde e monitoraggio

Il forno a microonde è un accessorio comune nelle nostre cucine e viene impiegato per scaldare rapidamente gli alimenti. Pochi sanno che può essere impiegato anche nei processi di sterilizzazione casalinghi e industriali grazie al suo particolare principio di funzionamento.

Ma di che principio si tratta?

Come funziona il forno a microonde

Cosa sono le microonde

Le microonde sono campi elettromagnetici ad alta frequenza. La loro particolarità è il fatto di non essere costanti, ma di oscillare continuamente. Se tracciamo le loro oscillazioni in un grafico, notiamo un tipico andamento “a montagne russe”, con picchi seguiti da nette decrescite.

È proprio grazie a queste oscillazioni che le microonde permettono di scaldare gli alimenti.

Questa loro proprietà è stata scoperta in modo totalmente inaspettato…

Invenzione del forno a microonde: dalla marina alla cucina

Nel 1945, l’ingegnere americano Percy Spencer stava lavorando in prossimità di un magnetron, ossia un dispositivo che produce microonde, in un programma di ricerca di sistemi radar più efficienti per la Marina militare degli Stati Uniti. Con sua grande sorpresa, si accorse che un pezzo di cioccolato che si trovava lì vicino si era sciolto. Evidentemente, le microonde lo avevano riscaldato!

Dopo questa intuizione, Spencer iniziò a testare il magnetron per scaldare gli alimenti. Dopo una lunga serie di miglioramenti, a partire dal 1947 vennero messi in commercio i primi forni a microonde.

Come è fatto un microonde: lo schema generale di funzionamento

Dal punto di vista fisico, il forno a microonde non è altro che una gabbia di Faraday con un magnetron interno.

La gabbia di Faraday è un contenitore che permette di schermare le radiazioni elettromagnetiche interne o esterne. Forse ti è capitato di vedere in TV o su Youtube delle spettacolari esibizioni in cui generatori di corrente elettrica lanciano fulmini verso cabine opportunamente schermate dove spesso è presente uno spettatore. Ebbene, non si tratta di trucchi cinematografici! I fulmini sono vere scariche elettriche e le cabine sono gabbie di Faraday.

Il forno a microonde è esattamente la stessa cosa, con una grande differenza: la fonte di radiazione elettromagnetica è interna e non esterna alla gabbia di Faraday. Lo spettatore, in questo caso, può guardare con tranquillità la sua cena da fuori mentre una vera e propria tempesta elettromagnetica è in corso dentro il microonde!

Come fanno le microonde a scaldare il cibo?

Una volta acceso un forno a microonde, i campi elettromagnetici ad alta frequenza vanno a interagire con le molecole di acqua presenti nel cibo.

L’acqua è un composto comunissimo negli alimenti, ma con caratteristiche fisico-chimiche molto particolari. Una tra queste è la polarità.

La molecola di acqua è fatta di due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, che hanno carica rispettivamente positiva e negativa. Le cariche si bilanciano, creando un equilibrio elettromagnetico facilmente influenzabile. Infatti, quando sottoposte a campi elettromagnetici, le molecole di acqua si orientano verso il polo del campo magnetico. In pratica si comportano come una bussola quando nelle vicinanze c’è una calamita.

Nel caso delle microonde, abbiamo detto che il campo magnetico ha un’alta frequenza, e quindi varia molto rapidamente. Di conseguenza, le molecole d’acqua cambiano direzione molto velocemente. È un po’ come se spostassimo una calamita vicino e lontano dalla bussola a una velocità tale da farla oscillare in modo estremamente rapido: 2,45 miliardi di volte in un solo secondo!

La rapidità del movimento delle molecole d’acqua porta alla continua frizione tra di esse, causando un aumento dell’energia e quindi il rilascio di calore. Per contatto, il calore viene trasmesso ad altre molecole degli alimenti, come gli zuccheri o i lipidi.

Questo spiega due curiosi fenomeni che lasciano perplesse le persone che usano per la prima volta un forno a microonde:

I piatti e le tazze appena tolti dal forno sono ancora freddi, o a malapena tiepidi, mentre la pietanza è molto calda. Questo perché gli alimenti contengono molecole d’acqua che si scaldano con le microonde, mentre i contenitori no.
Le pietanze che contengono liquidi o semiliquidi, ad esempio i croissant alla marmellata, si scaldano molto più rapidamente all’interno che all’esterno. Questo è dovuto al fatto che le microonde agiscono sul nucleo umido e non sulla parte asciutta.

Quali materiali si possono mettere nel forno a microonde?

Nel mondo naturale non siamo abituati all’effetto delle microonde. Di conseguenza, non riusciamo a stimare il loro impatto sui vari materiali. Alcuni sono sostanzialmente inerti, mentre altri producono effetti inaspettati.

In particolare:

Le stoviglie in porcellana, ceramica e terracotta sono insensibili alle microonde, dunque si scaldano solo per contatto con il cibo caldo.
Il vetro si può inserire nel microonde, purché non sia cristallo. In questo caso la struttura è troppo instabile e le microonde potrebbero farla vibrare fino alla rottura.
La plastica tendenzialmente resiste al microonde, ma è sempre meglio utilizzare solo recipienti e componenti dichiarati sicuri per questo uso da parte del produttore.
La carta in condizioni normali non prende fuoco come accade nel forno tradizionale. Carta da forno e carte speciali per microonde possono essere utilizzate con tranquillità. Altre carte non sono consigliate per il potenziale rilascio di sostanze pericolose per la salute.
I metalli, essendo ottimi conduttori, possono creare corto circuiti con il generatore di microonde, causando pericolose scintille.

Microonde per sterilizzazione: batteri sotto un doppio fuoco

Abbiamo appurato che le microonde hanno il potere di scaldare l’acqua. Questo consente una cottura rapida ed efficiente, ma anche una efficiente sterilizzazione.

Noi sappiamo che i microbi sono sensibilissimi al calore. A temperature prossime ai 100°C vengono decimati. A temperature superiori a 100°C vengono eliminati. Non a caso, il riscaldamento è alla base dei processi di pastorizzazione e sterilizzazione da oltre un secolo.

Nel forno a microonde, oltre al calore, abbiamo anche l’effetto delle onde elettromagnetiche. Queste, agendo sulla polarità dell’acqua, modificano la permeabilità della membrana cellulare. Ciò compromette la capacità dei batteri di nutrirsi e portare avanti i processi metabolici necessari per sopravvivere e riprodursi.

Insomma, in un forno a microonde i batteri sono attaccati da un “doppio fuoco”:

L’effetto termico, che li elimina grazie all’aumento di temperatura.
L’effetto elettromagnetico, che li elimina grazie alle microonde.

Sterilizzazione microonde casalinga

Negli ultimi anni, con la diffusione di questa tecnologia, è divenuto popolare l’utilizzo casalingo del microonde per la sterilizzazione di vasetti per conserve e biberon. In genere si usa riempire i contenitori da sterilizzare con acqua, lasciandoli per alcuni minuti nel microonde.

Sterilizzazione microonde industriale

La sterilizzazione industriale con microonde si focalizza prevalentemente sulle autoclavi. All’interno di queste apparecchiature si raggiungono temperature e pressioni sufficientemente alte per l’eliminazione della maggior parte dei batteri. Se in questo processo si aggiunge un generatore di microonde, aumenterà ulteriormente la percentuale di batteri eliminati, ottenendo quindi un effetto sterilizzante più profondo.

Per portare a termine il processo di sterilizzazione, le autoclavi hanno bisogno di monitorare i parametri di temperatura e pressione. In sostanza, al loro interno vanno installati dei data logger.

I data logger funzionano con le microonde?

Questa è stata la domanda di un nostro cliente che ci richiedeva la misurazione della temperatura in un processo di sterilizzazione con microonde.

Prima di rispondere, abbiamo esaminato il problema con attenzione.

Per quanto riguarda il sensore del logger, nessun problema. I campi magnetici non hanno alcun effetto sulla sua capacità di misurazione.
Le microonde possono danneggiare i circuiti elettronici del data logger. Inoltre, il metallo avrebbe potuto creare pericolose scintille.

C’era un solo modo per toglierci ogni dubbio: fare degli esperimenti.

Ci siamo quindi dotati di un forno a microonde casalingo con una potenza massima di 900/950 W e abbiamo effettuato alcuni test di misurazione nei nostri laboratori, naturalmente prendendo tutte le precauzioni di sicurezza possibili!

Test n°1. Data logger senza protezione.

Abbiamo inserito nel forno a microonde il data logger senza alcuna protezione. Una volta attivato il magnetron, il forte campo elettromagnetico non ha causato le pericolose scintille come ci aspettavamo. Tuttavia, alla fine dell’esperimento, il nostro data logger non funzionava più. Segno che era stato danneggiato dalle microonde.

Test n°2. Data logger immerso nell’acqua.

Sappiamo che l’acqua ha una forte reattività alle microonde. Questo vuol dire non solo che si scalda con facilità, ma che riesce anche ad assorbire la radiazione elettromagnetica presente all’interno del forno a microonde. Questo comportamento si poteva utilizzare per schermare il logger dalle radiazioni.

Dopo l’esperimento, il logger era ancora funzionante. Il problema però in questo caso è l’applicazione. Immergere ed estrarre dall’acqua il data logger è infatti piuttosto scomodo, tenuto conto inoltre che:

l’acqua è molto calda al termine del processo
è soggetta ad evaporazione e quindi va cambiata con frequenza
influisce sull’umidità all’interno del forno

Test n°3. Data logger fuori dall’acqua.

Per ovviare alle scomodità del test n°2, abbiamo provato a inserire il data logger nel forno con l’acqua, ma senza immergerlo. In questo modo l’acqua avrebbe attirato su di sé la maggior parte della radiazione elettromagnetica. Non ci sarebbe stato un effetto schermante così forte come nel caso precedente, ma la riduzione della radiazione forse sarebbe stata sufficiente ad evitare danni irreparabili al logger.

Al termine dell’esperimento, il logger era ancora funzionante.

Test n°4. Data logger avvolto da strisce adesive di rame.

Abbiamo detto in precedenza che la gabbia di Faraday è un contenitore che scherma le microonde. Quindi, perché non inserire il data logger in una piccola gabbia di Faraday?

Questo richiedeva la creazione di una barriera in metallo che riflettesse le microonde.

Sapevamo però che il metallo può creare cortocircuiti, quindi abbiamo avuto premura di ridurre al minimo le potenziali problematiche:

è stata usata la quantità minima indispensabile di metallo.
I fogli metallici sono stati accartocciati in modo da creare migliaia di micro-superfici riflettenti in più direzioni, riducendo la dimensione media delle scintille.

Al termine dell’esposizione, il data logger era ancora funzionante e aveva misurato per tutto il tempo.

L’unico problema era il metallo scelto: il rame è piuttosto costoso. Quindi perché non sostituirlo con un altro metallo più economico?

Test n°5. Data logger avvolto da un foglio di carta stagnola.

La scelta per questo test è ricaduta sull’alluminio: economico, leggero e comunemente disponibile in fogli. Perfetto per creare un’armatura anti-microonde per il data logger!

L’intuizione è stata convalidata dai dati: abbiamo verificato che i risultati di questa schermatura erano paragonabili alla schermatura con rame. Quindi il data logger avvolto viene correttamente schermato anche con uno strato di carta d’alluminio.

Ripetendo questi test con diversi data logger per sterilizzazione del nostro catalogo, il modello migliore per questa applicazione si è rivelato il MicroW L.

Tecnosoft: dal test alla soluzione

Il modus operandi che abbiamo descritto fin qui non è un’eccezione, ma è la realtà quotidiana per Tecnosoft, che è sempre alla ricerca di nuove soluzioni per misurare con precisione anche quando le condizioni di lavoro dei logger sono difficili.

Se ti serve monitorare un processo che si svolge in un ambiente critico, contattaci: troveremo la giusta soluzione!

Sterilizzazione e microonde: è possibile monitorare il processo?