T.C.
TRAKYA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
MĠKRODALGA ve VAKUM KURUTUCUDA BAZI GIDA ÜRÜNLERĠNĠN KURUTULMASI
VE MODELLENMESĠ SONER ÇELEN DOKTORA TEZĠ
TEZ DANIġMANI: DOÇ.DR.KAMĠL KAHVECĠ MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ ANA BĠLĠM DALI
T.C.
TRAKYA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
MĠKRODALGA ve VAKUM KURUTUCUDA
BAZI GIDA ÜRÜNLERĠNĠN KURUTULMASI
VE MODELLENMESĠ
SONER ÇELEN
DOKTORA TEZĠ
TEZ DANIġMANI: Doç. Dr. Kamil KAHVECĠ
Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı
2010 EDĠRNE
T.C.
TRAKYA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
MĠKRODALGA ve VAKUM KURUTUCUDA BAZI GIDA ÜRÜNLERĠNĠN KURUTULMASI
VE MODELLENMESĠ
Soner ÇELEN
DOKTORA TEZĠ
MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ ANA BĠLĠM DALI TEZ DANIġMANI: Doç. Dr. Kamil KAHVECĠ
2010 EDĠRNE
i
ÖZET
Doktora Tezi
Mikrodalga Ve Vakum Kurutucuda Bazı Gıda Ürünlerinin Kurutulması Ve Modellenmesi
T.C.
Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Makina Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bu tezde mikrodalga ve vakum kurutucuda kurutulmuĢ domates ve elma dilimlerinin kalitesi üzerine araĢtırma yapılmıĢtır ve önemli parametreler hakkında temel bilgiler geliĢtirilmiĢtir. Kurutma zamanının azalmasının renk kalitesi üzerine etkisi tanımlanmıĢtır. Ayrıca doğrusal olmayan bir kurutma sürecinin Luikov modeli kullanılarak matematiksel modeli geliĢtirildi ve kurutma sürecinin enerji maliyetini azaltacak, ürün kalitesini arttıracak ve toplam kurutma zamanını da düĢürecek bir kontrol yapısı oluĢturulmuĢtur. Ayrıca matematiksel model ile gerçek davranıĢ arasındaki iliĢkiyi daha iyi bir seviyeye çıkarmak ve kurutulan ürünlerin (elma, domates) dinamik davranıĢlarının önceden belirlenmesi için çalıĢılmıĢtır.
Anahtar Kelimeler: Kurutma, Domates Kurutma, Elma Kurutma, Difüzyon Katsayısı, Mikrodalga, Vakum Kurutucu, Luikov modeli.
ii
ABSTRACT
Doctor of Philosophy Dissertation
Drying Of Some Foods Using A Microwave And Vacuum Dryer And Modelling
Trakya University Institute of Natural Sciences
Mechanical Engineering Main Science Department
In this study, quality of dried tomato and apple slices was investigated using microwave and vacuum dryer and were developed important parameters about basic information. Effective of color quality was described for decreasing of the drying time. Also, The mathematical model was developed using Luikov model. Then, a made of control was made up to be decreased energy cost of drying time and total drying time and to be increased quality of food. Besides, for raising a better level to relation between the mathematical model and real attitude and predefinition of dynamic attitude of drying foods (apple and tomato) was studied.
Keywords: Drying, Tomato drying, Apple drying, Diffusion coefficient, Microwave, Vacuum dryer, Luikov model.
iii
ÖNSÖZ
Mikrodalga enerjisi madde içerisinde doğrudan ısıya dönüĢtüğünden nemli maddelerin ısıtılmasında konvansiyonel sistemlere göre hem az enerji kullanılmakta hem de hacimsel bir ısıtma sağladığından kurutma iĢlemi daha kısa sürede olmaktadır. Günümüzde mikrodalga enerjisinin endüstride kullanımı gıda alanında ısıtma, piĢirme ve çözdürme iĢlemlerinde, materyal alanında kurutma ve sinterleme iĢlemlerinde kullanılmaktadır. Elektromanyetik dalga rezonatör içerisine yerleĢtirilen maddenin ve tasarlanan fırının özelliklerine göre madde içerisinde ısıya dönüĢeceğinden bu tip fırınların tasarımlarında maliyet ve zaman açısından sayısal modellerin önemi bilgisayar teknolojilerinin geliĢmesiyle birlikte artmıĢtır. Ayrıca vakum ile kurutmanın da düĢük basınç ile ısıtma iĢleminin uygulanması ürünü kısa sürede, kalitesinde fazla bozulma olmadan kurutması ayrı bir tercih sebebi yapmaktadır. Bu çalıĢma bu konudaki literatür ve uygulama eksikliği göz önüne alınarak mikrodalga ve vakum ile kurutmada ısı ve nem transferi incelenmesi elma ve domates üzerinde yapılarak sanayi sektöründe hangi kurutucunun daha avantajlı olduğunu konusunda fayda sağlayacağını göstermektedir.
Doktora tezi danıĢmanlığımı üstlenerek gerek konu seçimi, gerekse çalıĢmalarımın yürütülmesi sırasında yardımlarını esirgemeyen danıĢman hocam Sayın Doç. Dr. Kamil KAHVECĠ‟ ye, değerli katkılarından dolayı Prof. Dr. Ahmet CĠHAN, Yrd. Doç. Dr. Hayati ARDA‟ ya ve Doç. Dr. Türkan AKTAġ‟ a teĢekkür ederim.
iv ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET... i ABSTRACT... ii ÖNSÖZ... iii ĠÇĠNDEKĠLER... iv SĠMGELER…………... vii ġEKĠL LĠSTESĠ... x
ÇĠZELGE LĠSTESĠ... xii
1. GĠRĠġ... 1 1.1. Kurutma... 3 1.1.1 Sorpsiyon izotermi ... 4 1.1.2. Kurumanın safhaları ... 7 1.2. Mikrodalga Isıtma……….. 8 1.2.1. Mikrodalga... 8
1.2.2. Mikrodalga ısıtma mekaniği... 10
1.2.2.1. Dipol dönmesi ………... 11
1.2.2.2. Ġyonik polarizason... 12
1.2.2.3. Madde üzerinde ısıya dönüĢen elektromanyetik enerji………. 13
1.2.2.4. Isı transferi………... 19
1.2.2.5. Geçici rejim ısı modeli………... 20
1.2.3. Mikrodalga fırın………... 20
1.2.3.1. Mikrodalga üreteci (magnetron)... 22
1.2.4. Mikrodalganın materyalin ısınmasına etki eden faktörler ... 24
1.2.4.1. Gıdanın su içerği... 24
1.2.4.2. Yoğunluk... 24
1.2.4.3. Sıcaklık... 25
1.2.4.4. Fiziksel geometri ... 25
1.2.4.5. Permitivite ve kayıp faktörü ... 26
v
1.2.6. Mikrodalga sistemlerinin uygulama alanları ... 28
1.3. Vakum Kurutma... 30
1.4. Elma... 31
1.5. Domates... 32
1.6. Matematiksel Modellemenin Kurutma Teknolojileri Açısından Önemi……… 34
2. LĠTERATÜR ARAġTIRMASI ... 35
3. ANALĠZ………... 49
3.1. Nem Ġçeriği……… 49
3.2. Kuruma DavranıĢının Matematiksel Modellemesi………... 50
3.2.1. Ampirik ve Yarı ampirik Modeller………. 50
3.2.2. Teorik Modeller……….. 52 3.2.2.1. Luikov modeli………... 52 3.2.2.2. Difüzyon modeli……… 55 3.3. Renk Analizi………... 59 4. MATERYAL VE METOD ... 61 4.1. Materyal... 61 4.1.1. Domates ve elma……….. 61 4.1.2. Mikrodalga fırın………... 61 4.1.3. Diğer cihazlar……….. 62 4.2. Yöntem... 66 4.2.1. Örneklerin hazırlanması... 66 4.2.1.1. Domates... 66 4.2.1.2. Elma... 68 5. SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRME... 70
5.1. Mikrodalga Kurutucuda Kurutma………... 70
5.1.1. Mikrodalga kurutmada deneysel kuruma davranıĢı ……….... 70
5.1.2. Mikrodalgada kurutmada kuruma davranıĢının ampirik ve yarı-ampirik modeller ile modellenmesi………. 84
5.1.3. Mikrodalga kurutmada kuruma davranıĢının Luikov modeli ile modellenmesi………. 91
vi
5.1.4. Mikrodalga kurutmada renk analiz sonuçları……….. 97
5.1.5. Mikrodalga kurutmada enerji tüketimi... 100
5.2. Vakum Kurutucuda Kurutma………. 102
5.2.1. Vakum Kurutmada Deneysel Kuruma DavranıĢı………. 102
5.2.2. Vakum kurutmada kuruma davranıĢının ampirik ve yarı-ampirik modeller ile modellenmesi ………..……… 107
5.2.3. Vakum kurutmada kuruma davranıĢının difüzyon modeli ile modellenmesi ………..…… 113
5.2.4. Vakum kurutmada renk analiz sonuçları………. 116
5.2.5. Vakum kurutmada enerji tüketimi……...………... 118
6. GENEL DEĞERLENDĠRME VE ÖNERĠLER……….……….. 121
vii SĠMGELER a11,a22,a33: Difüzyon katsayıları, [m2/s] a12,a13,a21, a23,a31,a32 : Sabit katsayılar a, ao,a1, a2,b, c, k, k1, k2, n,g: Sabitler at : Isıl geçirgenlik, [m2/s] am : Difüzyon katsayısı, [m2/s] ap : TaĢınımla geçirgenlik, [m2/s] A : Kül oranı (%), (yb) B : Büzülme C : Nem konsantrasyonu, [kg/m3] C : Renk yoğunluğu ölçüsü
C : Özgül buhar kapasitesi, Pa-1 cp : Özgül ısı, [J/kgoC]
D : Difüzyon katsayısı, [m2/s] E : Elektrik alan vektörü
Ea : Aktivasyon enerjisi, [J/kg mol K]
Eiç : Malzeme içindeki elektrik alan, [V/m]
es : Standart hata
f : Frekans [Hz]
H : Manyetik alan vektörü hfg : BuharlaĢma gizli ısısı, [J/kg] H : Renk tonu ölçüsü
m
J
: Kütle akısı vektörü, [kg/m2s] k : Isı iletim katsayısı, [W/(mK)]
*
: Silindirin yarı uzunluğu, [m]L : Kurutulan ürünün yarı kalınlığı, [m] L *, a*, b* : Renk uzayı koordinatları
m : Nem içeriği, [kg nem/kg kuru madde] ma : Kütle, [kg]
viii mr : Boyutsuz nem oranı
no : Ölçüm sayısı
nc : Kurutma modelindeki sabit sayısı
P : Basınç, [Pa]
P : Magnetron gücü [kW] Qh : Isı transferi miktarı, [W]
Q : Kalite faktörü
.
Q : Üretilen güç, [W/m3]
R : Üniversal gaz sabiti, [kg mol K]
r : Korelasyon katsayısı
S : Thermogradient katsayısı, tp : Kaynama noktası, [K]
qv : Mikrodalga fırında üretilen ısı miktarı, [W/m3]
T : Sıcaklık, [oC] t : Zaman, [s], V : Hacim, [m3]
Vc :Fırın oyuk hacmi, [m3]
ΔE : Toplam renk sapması ΔL : Renk parlaklığı sapması Δa : Kırmızı renk sapması Δb : Sarı renk sapması tgδ : Kayıp faktörü : Yoğunluk, [kg/m3 ] : Penetrasyon derinliği λ : Dalga boyu χ2 : Ki kare
η : Malzemenin geometrik Ģekline bağlı sabit ω : Açısal hız
ı
t : Geçirgenlik ε : Permivite ε‟ : Dielektrik sabiti
ix ε‟‟ : Dielektrik kayıp faktörü
ε‟‟eff : Efektif dielektrik kaybı
εo : BoĢluğun permivitesi
έr : Ġzafi dielektrik sabiti
εp : Evre değiĢim faktörü eff
ıı
: Etkin magnetik kayıp faktörü
Alt indisler e : Denge eff : Efektif s : Sıvı k : Kuru max : Maksimum ort : Ortalama o : Ġlk teo : Teorik den : Deneysel yb : YaĢ baz kb : Kuru baz
x
ġEKĠLLER LĠSTESĠ
ġekil 1.1 Sorpsiyon izotermi... 6
ġekil 1.2 Karakteristik kuruma eğrileri... 7
ġekil 1.3 Elekromanyetik Spektrum... 9
ġekil 1.4 a. GeliĢigüzel hareket eden polar moleküller b. Elektromanyetik alanla hizaya sokulan moleküller... 11
ġekil 1.5. Mikrodalganın su molekülüne etkisi... 12
ġekil 1.6 Elektrik alan ve manyetik alan yatay ve dikey polarizasyonu……….. 13
ġekil 1.7 Malzeme ile mikrodalganın etkileĢimi ... 15
ġekil 1.8 Magnetron Salınım Mekanizması... 23
ġekil 1.9 Magnetronun iç yapısı... 23
ġekil 1.10 Mikrodalga fırın magnetronu... 24
ġekil 3.1 L*a*b* renk uzayının Ģematik görünümü... 60
ġekil 4.1 a. Bütün Domates b. DilimlenmiĢ Domates ... 61
ġekil 4.2 a. Bütün Elma b. DilimlenmiĢ Elma ... 61
ġekil 4.3 a. Mikrodalga Fırın b. Magnetron... 62
ġekil 4.4 Mikrodalga deney düzeneğinin genel görünüĢü... 63
ġekil 4.5 PT 100... 63
ġekil 4.6 Hassas terazi... 64
ġekil 4.7 a. Vakum Kurutucu b. Vakum Pompası... 65
ġekil 4.8 Renk ölçüm cihazı... 65
ġekil 4.9 Kurutma öncesi hazırlık prosedürü ……….……….. 66
ġekil 4.10 Kurutma iĢleminden geçirilecek domates dilimleri ……….… 66
ġekil 4.11 Kurutma öncesi hazırlık prosedürü ….………... 68
ġekil 4.12 Kurutma iĢleminden geçirilecek elma dilimleri …..……….. 69
ġekil 5.1 Domates için mikrodalga kurutucuda kuruma davranıĢı... 83
ġekil 5.2 Elma için mikrodalga kurutucuda kuruma davranıĢı………... 83
ġekil 5.3 Domates için Verma et al. modeline dayalı kuruma eğrileri ………… 86
ġekil 5.4 Verma et al. modelinin deneysel verileri tanımlamadaki uygunluğu ... 87
xi
ġekil 5.6 Page modelinin deneysel verileri tanımlamadaki uygunluğu…………. 91 ġekil 5.7 Domates için Luikov modeline dayalı kuruma eğrileri ………….…… 95 ġekil 5.8 Elma için Luikov modeline dayalı kuruma eğrileri... 95 ġekil 5.9 Domates için elektrik alan Ģiddetinin zamanla değiĢimi ………... 96 ġekil 5.10 Elma için elektrik alan Ģiddetinin zamanla değiĢimi... 97 ġekil 5.11 (a) 90W (b) 180W (c) 360W (d) 600W mikrodalga
güçlerinde kurutulan domateslerin kuruma sonrası durumları….…… 98 ġekil 5.12 (a) 90W (b) 300W (c) 360W (d) 600W mikrodalga
güçlerinde kurutulan elmaların kuruma sonrası durumları…………... 98 ġekil 5.13 Domates için mikrodalga kuruma sürecinde tüketilen enerji... 101 ġekil 5.14 Elma için mikrodalga kuruma sürecinde tüketilen enerji... 102 ġekil 5.15 Domates için vakum kurutmada deneysel kuruma eğrileri ………..… 106 ġekil 5.16 Elma için vakum kurutmada deneysel kuruma eğrileri ……… 106 ġekil 5.17 Domates için Page modeline dayalı kuruma eğrileri……… 109 ġekil 5.18 Domates için Page modelinin deneysel verileri tanımlamadaki
uygunluğu………. 109
ġekil 5.19 Elma için Page modeline dayalı kuruma eğrileri ……… 111 ġekil 5.20 Elma için Page modelinin deneysel verileri tanımlamadaki
uygunluğu………. 112
ġekil 5.21 Domates için difüzyon modeline dayalı kuruma eğrileri………. 114 ġekil 5.22 Elma için difüzyon modeline dayalı kuruma eğrileri ………. 115 ġekil 5.23 (a) 70 o
C (b) 80 oC (c) 90oC sıcaklıklarda 0,98bar vakum basıncında kurutulan domateslerin kurutulan domateslerin kuruma sonrası durumları ………..
117 ġekil 5.24 24 (a) 70 o
C (b) 80 oC (c) 90oC sıcaklıklarda 0,98bar vakum
basıncında kurutulan elmaların kuruma sonrası durumları …………. 117 ġekil 5.25 Domates için vakum kuruma sürecinde tüketilen enerji ………. 120 ġekil 5.26 Elma için mikrodalga kuruma sürecinde tüketilen enerji ……… 120
xii
ÇĠZELGE LĠSTESĠ
Çizelge 1.1 Mikrodalga bant aralıkları... 18
Çizelge 3.1 Biyolojik malzemelerin kuruma davranıĢını ifade etmede sıkça kullanılan ampirik ve yarı-ampirik modeller………..…… 50
Çizelge 5.1 Domates için 90W da kuruma davranıĢı... 70
Çizelge 5.2 Domates için 180W da kuruma davranıĢı... 73
Çizelge 5.3 Domates için 360W da kuruma davranıĢı………... 74
Çizelge 5.4 Domates için 600W da kuruma davranıĢı………... 75
Çizelge 5.5 Elma için 90W da kuruma davranıĢı... 75
Çizelge 5.6 Elma için 180W da kuruma davranıĢı... ... 78
Çizelge 5.7 Elma için 360W da kuruma davranıĢı... ... 79
Çizelge 5.8 Elma için 600W da kuruma davranıĢı... 80
Çizelge 5.9 Domates için analizlerde kullanılan datalar... 81
Çizelge 5.10 Elma için analizlerde kullanılan datalar... 82
Çizelge 5.11 Domates için mikrodalga kurutmada ampirik ve yarı-ampirik modellerin uygunluğu………. 84
Çizelge 5.12 Elma için mikrodalga kurutmada ampirik ve yarı-ampirik modellerin uygunluğu………... 88
Çizelge 5.13 Kurutulan gıda maddelerinde yer alan kül miktarları……….. 93
Çizelge 5.14 Biyolojik malzemelerin ilk ve son hacim, yoğunluk değerleri………. 94
Çizelge 5.15 Domates için model sabitleri……… 94
Çizelge 5.16 Elma için model sabitleri………... 94
Çizelge 5.17 Domates için mikrodalga kurutmada renk parametreleri………. 100
Çizelge 5.18 Elma için mikrodalga kurutmada renk parametreleri………... 100
Çizelge 5.19 Domates ve elma için mikrodalga kurumada toplam enerji tüketimleri………. 101 Çizelge 5.20 Domates için 0,98bar vakum basıncı ve 70davranıĢı……… oC sıcaklıkta kuruma 103 Çizelge 5.21 Domates için 0,98bar vakum basıncı ve 80oC sıcaklıkta kuruma
xiii
davranıĢı………...
Çizelge 5.22 Domates için 0,98bar vakum basıncı ve 90davranıĢı………... oC sıcaklıkta kuruma 104 Çizelge 5.23 Elma için 0,98bar vakum basıncı ve 70oC sıcaklıkta kuruma
davranıĢı………... 104
Çizelge 5.24 Elma için 0,98bar vakum basıncı ve 80davranıĢı………... oC sıcaklıkta kuruma 105 Çizelge 5.25 Elma için 0,98bar vakum basıncı ve 90davranıĢı ………... oC sıcaklıkta kuruma 105 Çizelge 5.26 Domates için vakum kurutmada ampirik ve yarı-ampirik
modellerin uygunluğu………... 108
Çizelge 5.27 Elma için vakum kurutmada ampirik ve yarı-ampirik modellerin uygunluğu………. 110 Çizelge 5.28 Kuruma baĢlangıcı ve sonrasında ürün boyutları... 113 Çizelge 5.29 Domates için değiĢik kurutma sıcaklıklarında difüzyon katsayıları…. 113 Çizelge 5.30 Elma için değiĢik kurutma sıcaklıklarında difüzyon katsayıları …. … 114 Çizelge 5.31 Domates için vakum kurutmada renk parametreleri ………... 117 Çizelge 5.32 Elma için vakum kurutmada renk parametreleri……….…. 117 Çizelge 5.33 Domates ve elma için vakum kurumada toplam enerji tüketimleri…. 119 Çizelge 5.34 Domates için farklı kurutucular durumunda kuruma zamanları……... 121 Çizelge 5.35 Elma için farklı kurutucular durumunda kuruma zamanları………… 122 Çizelge 5.36 Kurutma sistemlerinin karĢılaĢtırılması…...………. 124
1
1. GĠRĠġ
Tarımsal ürünlerin uzun süre muhafaza edilebilmesi için birçok teknikler mevcuttur. Bu teknikler arasında kurutma, soğutma, kimyasal maddelerle iĢleme tabii tutma sıralanabilir. Bunların içinde uygulama alanı en geniĢ olan kurutmadır. Günümüzde pek çok alanda kurutma kaçınılmaz olarak yapılması gerekli bir uygulama olarak karĢımıza çıkar. Bazen kurutma, kolay taĢıma için gerekli bir zorunluluktur. Bazı ürünler bünyelerinde barındırdıkları nem miktarı belirli seviyelere indirildikten sonra satılabilir. Bazı ürünler ise kolay saklamak ve nakli esnasında soğutucu ekipmanlara gerek duyulmaması için kurutulurlar.
Ülkelerin tarımsal kalkınması ve ekonomisinde önemli yer tutan kuru ve kurutulacak meyvelerin, dünya pazarlarındaki yeri de oldukça önemlidir. Buna göre mevcut pazarların elde tutulması ve ayrıca yeni pazarlar elde edilebilmesi için; kaliteli, homojen ve hijyenik koĢullarda kurutma sektörünün geliĢtirilmesine gerekli önem ve önceliğin verilmesi gerekir. Tarımsal ürünleri çok eskilerden beri güneĢ enerjisiyle açıkta kurutulmaktadır. Fakat, bu yöntemle kurutma kontrolsüz olup, çeĢitli risklerle karĢı karĢıyadır.
YaklaĢık yarım yüzyıldır süregelen araĢtırmalar sonucunda, mikrodalga enerjisini kullanan ekipmanlar günlük hayata yaygın bir biçimde girmiĢtir. Bu ekipmanlardan televizyon, radyo, telsiz, telefon ve uydu; haberleĢme alanında, radar askeri ve sivil güvenlik alanında; teleskop astronomide, osiloskop tıpta, mikrodalga fırını baĢlıca gıda teknolojisi alanında ve birçok geliĢmiĢ alet bilimsel araĢtırmalarda kullanılmaktadır (Kaya ve Akkaya, 2003).
Mikrodalga suyu ısıtma etkisi keĢfedildiğinden beri birçok ısıtma ve kurutma uygulamalarında araĢtırma konusu olmuĢlardır. Bu etki, mikrodalga kurutma ile kurutmanın diğer kurutma yöntemlerine göre daha avantajlı olduğunu göstermiĢtir, çünkü enerji doğrudan asıl hedeflenen maddeye uygulanması için, mikro dalga fırınlar
2
kullanılmaktadır. Yöntemin diğer bir üstünlüğü, mikrodalga enerjisinin az bir kayıp ile maddeye verilebilmesidir (ÇalıĢkan, 2002).
Mikrodalgalar gıda endüstrisinde değiĢik amaçlarla kullanılmaktadır. Bazı uygulamalarda amaç, dondurulmuĢ gıdanın çözülmesi veya yemeklerin ısıtılması gibi, ürünün yapısını bozmadan yalnızca sıcaklığını artırmaktır. Bazen de gıdaların kurutulmaları veya mikroorganizmaların öldürülmesine yönelik ısıl iĢlemlerde de mikrodalgalardan faydanılmaktadır (Acar vd., 2006). Endüstriyel iĢlemler için mikrodalga ısıtma, iĢlem zamanını azaltması ve düĢük enerji maliyetinden dolayı tercih edilmektedir (Kutbay ve KuĢkonmaz, 2004).
Mikrodalga teknolojisinin yaygınlaĢmasının önündeki en büyük engel, bu konuda yapılan araĢtırmalarda sistemin enerjetik etkinliğine iliĢkin analizlerin yer almaması ve mikrodalga kurutma sisteminin yüksek ilk yatırım maliyetleridir. Mikrodalga kurutmada enerji kullanımının optimizasyonu ve sisteminin enerjitik etkinliğinin arttırılması amacıyla çeĢitli stratejiler geliĢtirilmiĢtir (Eren, 2005).
Bunlar:
a) Mikrodalga ile geleneksel kurutma sistemlerinin kombine edilmesi,
b) Kurutma sıcaklığının azaltılması amacıyla vakum altında mikrodalga kurutma
uygulanması,
c) Kurutma iĢlemi sırasında mikrodalga enerjisinin sürekli olarak verilmesi yerine
kesikli/sürekli olarak uygulanması yoluyla kurutulan ürünün aĢırı ısınmasını önleyerek kaliteyi yükseltmek ve mikrodalga uygulama süresini kısaltarak enerji ekonomisini sağlamak Ģeklinde özetlenebilir.
Alternatif bir kurutma metodu olan vakum kurutma, özellikle meyveler gibi uzun sürede kuruyan gıda ürünleri için kullanılan önemli bir yöntemdir. Yapılan çalıĢmalar bu metodun, kurutma iĢlem süresini diğer metotlara nazaran çok kısalttığını göstermiĢtir. Vakum gıdada bulunan suyun düĢük sıcaklıklarda atmosferik koĢullardan daha kolay buharlaĢmasını sağlamaktadır. Daha da önemli bir diğer nokta, suyun uzaklaĢtırılması esnasında ortamda hava bulunmadığı için oksidasyon reaksiyonlarını azaltmaktadır.
3
Vakum kurutucularda kurutulmuĢ olan ürünlerde renk, yapı ve aroma iyi bir Ģekilde korunabilmektedir (Erbay ve Küçüköner, 2008).
Bu tezde amaç, mikrodalga ve vakum kurutucuda kurutulmuĢ domates ve elma dilimlerinin kalitesi üzerine araĢtırma yapıp önemli parametreler hakkında temel bilgiyi geliĢtirmektir ve kurutma zamanının azalmasının ve renk bakımından ürün kalitesinin arttığını tanımlamaktır. Ayrıca bu tezdeki diğer amaç, doğrusal olmayan bir kurutma sürecinin matematiksel modelini geliĢtirmek ve kurutma sürecinin enerji maliyetini azaltacak, ürün kalitesini arttıracak ve toplam kurutma zamanını da düĢürecek bir kontrol yapısı oluĢturmaktır. Ayrıca matematiksel model ile gerçek davranıĢ arasındaki iliĢkiyi daha iyi bir seviyeye çıkarmak ve kurutulan ürünlerin (elma, domates) dinamik davranıĢlarının önceden belirlenmesini sağlamaktır.
1.1. Kurutma
Meyve, sebze ve diğer bünyesinde su içeren besinler bünyelerindeki fazla sudan dolayı uzun süre saklanamazlar. Çünkü fazla su, besinleri bozan mikroorganizmaların üreyip yaĢaması için elveriĢli bir ortamdır. Bu zararlı ortamın yok edilmesi, meyve, sebze ve diğer bazı besinlerin bileĢimlerindeki fazla suyun uçurulmasıyla yani o besinlerin kurutulmasıyla mümkündür.
Kurutmanın öbür yararlarını Ģöyle sıralayabiliriz:
a) Kurutulan meyve ve sebzelerin hacimleri küçüleceği ve ağırlıkları azalacağı için
ambalaj masrafları düĢer, taĢınmaları kolay olur.
b) Kuru meyve ve sebzelerin kullanılma alanı daha geniĢtir.
c) Kuru meyve ve sebzeler, konserve meyve ve sebzelerden daha ucuza mal olur. d) Kuru meyve ve sebzelerin besin ve kalori değeri, aynı miktarlarda yenilen yaĢ meyve
4
1.1.1. Sorpsiyon izotermi
Kurutma terimi herhangi bir biyolojik malzemeden nemin uzaklaĢtırılmasını içeren bir süreci tanımlamak için kullanılsa da, unutmamak gerekir ki kurutma prosesi tasarlanırken ekonomik olmasının yanında kaliteli ürün eldesi de göz önünde tutulur. Kaliteli ürün eldesi kontrollü kurutmayı, kontrollü kurutma ise sıcaklık ve nem kontrolünü zorunlu hale getirmektedir. Bu kontrolün yapılabilmesi ise sıcaklık ve nem dağılımının belirlenmesi ile mümkündür (Akarslan, 2002).
Sorpsiyon izotermleri verilen bir sıcaklıkta ürün denge nemi ile su aktivitesi arasındaki iliĢkiyi tanımlayan eğrilerdir. Burada sabit sıcaklık ve basınçtaki su aktivitesi değerleri söz konusudur. Sorpsiyon izotermlerinin gereklilik sebepleri (Öztekin ve Soysal, 2002):
Ürün ve çevresi arasındaki termodinamik denge durumuna iliĢkin bilgiler kurutma çabalarının yanı sıra diğer kütle transferi olaylarının da öncelikli temel araĢtırma konusunu oluĢturmaktadır.
Ürün nem içeriği ortam havası koĢulları ile dengeye ulaĢtığında kurutma modelleri için gerekli olan çoğu faydalı özelliklerin elde edilmesi mümkün olmaktadır.
Temelde sorpsiyon izotermleri kurutma sırasında ürünün kurutma havası özelliklerine bağlı olarak ulaĢabileceği minimum nem içeriği değerini ifade eden eğrilerdir.
Sorpsiyon izotermleri tarımsal ürünlerin uygun depolama ve paketleme koĢullarının belirlenmesinde de kullanılmaktadır.
Herhangi bir ortamdaki su, bulunduğu Ģartlara bağlı olarak az veya çok sıvı fazladan geçme eğilimi taĢır. Bu bazı su moleküllerinin kendini çevreleyen havaya su buharı halinde karıĢması demektir. Su ister katı, ister sıvı ve isterse buhar fazında bulunsun, bulunduğu koĢullara bağlı olarak belli bir “buhar basıncı” gösterir. Buzun ve sıvı haldeki suyun buhar basıncına “su buharı basıncı” denir. Buna karĢın, havadaki su buharı basıncına, havanın toplam basıncı içindeki miktarını vurgulamak için “su buharı kısmi basıncı” denir. Sitoplâzmadaki serbest suyun, havaya su buharı molekülleri
5
halinde karıĢması olayına suyun buharlaĢması denir. Buna göre serbest su veya herhangi bir üründe bulunan su, buharlaĢarak miktarı azalır, yani kuruma olur. Suyun tanımlanan bu anlamda buharlaĢmasının itici gücü, üründeki suyun buhar basıncıyla, kendisini çevreleyen havanın su buharı kısmi basıncı arasındaki farkıdır. Bu fark ne kadar büyükse, suyun buharlaĢması o kadar hızlı ve fazla olur. Böylece havanın su buhar basıncına eriĢip dengeye ulaĢır. Bu durumda hava, aynı zamanda, bulunduğu sıcaklık derecesinde su buharına doymuĢ hale gelmiĢtir ve bu nedenle suyun buharlaĢması durur.
Suyun buhar basıncı üzerine birçok faktörler etki eder. Bunların baĢında sıcaklık gelir. Sıcaklık arttıkça suyun buhar basıncı yükselmektedir. Bütün bunlar saf su içindir. ġayet su içinde erimiĢ madde varsa veya su bir maddeye bağlı ise suyun buhar basıncı düĢer. Raoult yasasına göre, suda erimiĢ maddeler suyun kaynama ve donma noktasını değiĢtirdiği gibi onun buhar basıncını da düĢürürler. Raoult yasası, “Eğer, uçabilir nitelikte veya elektrolit nitelikte olmayan maddeler aynı molar ağırlıkta olmak üzere, belli ağırlıktaki bir çözücüde çözülürse, aynı koĢullardaki saf su çözücünün donma noktasını düĢürürler, kaynama derecesini artırırlar, buhar basıncını düĢürürler. Bu değiĢiklikler “çözünen maddeye bağlı olmayıp, sadece molaritye bağlıdır” Ģeklindedir.
Buhar basıncına etki eden faktörlerden biri de, kurutma teknolojisi açısından çok önemli olan kapilar kuvvetin etkisidir. Daha ince bir kapilar borudaki suyun buhar basıncı, daha kalın kapiler borudakinden daha yüksektir. Böylece kapiler çapı küçüldükçe içindeki suyun, su buhar basıncını yükseltme etkisi artmaktadır. Kurutmada ürünlerdeki su, hücreler arasında oluĢmuĢ bir kapilar sistemle yüzeye ulaĢarak buradan uzaklaĢtığından, bu kapilardaki suyun buhar basıncı aynı sıcaklıktaki serbest suyun buhar basıncından daha yüksektir. Bir kap içindeki su buharlaĢarak kendini çevreleyen atmosferle dengeye eriĢtiği gibi herhangi bir ıslak madde de aynı davranıĢı gösterir. Nitekim bir gıda maddesi, bulunduğu sıcaklıkta, kendisini çevreleyen atmosferle nem açısından bir dengeye ulaĢır. Belli bir sıcaklık derecesinde, farklı bağıl nem içeriği ile çevre havasını oluĢturan atmosferinin bağıl nemi arasındaki iliĢki ġekil 1.1. „de görülmektedir. Bu iliĢkiye izotermi denir.
6
ġekil 1.1. Sorpsiyon izotermi
ġekil 1.1 deki A bölgesinde su tamamen bağlı durumdadır. Bu bölgede kimyasal ve biyolojik tepkimeler görülmez ve buradaki bağlı su monomoleküler bir katman oluĢturur. C bölgesindeki su serbest su olup, ürünlerin bozulmasına sebep olan tepkimelere neden olmaktadır. Bu bölgedeki su kapilerlerde ve stoplazmanın kofullarında bulunur. B bölgesinde ise kısmen bağlı olarak bulunan su, orta nemli gıdalar denen grubu oluĢturur.
Maddelerin içerdiği nem miktarı ortamda bulunan su buharı miktarına göre değiĢiklik göstermektedir. Ortamın nemi arttırıldığında ve azaltıldığında maddedeki nem değiĢimi farklı karakteristiklere sahip olmaktadır. Maddenin içinde bulunduğu havanın nem miktarının sabit sıcaklıkta değiĢtirilmesi ile maddenin içerdiği nem miktarı değiĢimi gösteren eğriler sorbsiyon izotermleri olarak adlandırılırlar. Sabit sıcaklıkta ortamın neminin arttırılması ile meydana gelen, medenin içerdiği miktardaki değiĢim adsorbsiyon olarak adlandırılmaktadır. Genelde çoğu madde için bu izoterm eğrileri birbirinden farklılık göstermektedir (ÇalıĢkan, 2002). Adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermleri Ģekilde görüldüğü gibi desorpsiyon izoterminin, adsorpsiyon izotermi ile aynı yolu izlemeyerek bombe yaptığı görülür, bu olaya histeresis denir.
7
1.1.2. Kurutmanın safhaları
Kurutma amacıyla yeterli ısının bulunduğu bir ortama konan nemli bir maddenin koruma sürecinde genel olarak üç dönem vardır. Bunlar ısınma dönemi, sabit kuruma hızı ve azalan kuruma hızı dönemleridir.
Kurumakta olan bir maddenin nemliliğinde olan değiĢim ġekil 1.2‟ de verilmiĢtir. ġekillerdeki AB ile gösterilen ısınma döneminde, ürünün sıcaklığı kurutma havasının sıcaklığı ile dengeye ulaĢıncaya kadar sürer. Ürün dilim kalınlığı azaldıkça, ısınma dönemi süresince oluĢan nem kaybı dikkate alınmayacak ölçüde azalır.
Sabit kuruma hızı devresi, ġekil 1.2‟ de BC çizgisiyle birleĢtirilmiĢtir. Burada ürünün üzeri ince bir su tabakası ile kaplı olduğundan, önce bu su tabakası buharlaĢmaya baĢlar. Aslında bu durgun bir su yüzeyinden olan serbest buharlaĢmaya benzer. BaĢlangıçta çok hızlı olan bu buharlaĢma, bir süre sonra yüzeyin hemen üzerinde olan buhar tabakası nedeniyle yavaĢlar. Kurumanın devam etmesi için, bu buhar filminin, bir hava akımı ile dağıtılıp taĢınması gerekir. ġekil 1.2‟ deki C noktası, ürünün yüzeyindeki serbestçe buharlaĢabilen nem sona erdiği zaman, sabit hızda kuruma sona erer ki bu noktadaki nem “kritik nem” olarak bilinir. C noktasının görülebilmesi için ürünün baĢlangıç nemi, kritik nem değerinden daha yüksek olmalıdır. Meyvelerde ve sebzelerde sabit kuruma hızı devresi, genellikle çok kısa sürer.
8
ġekil 1.2‟ deki CDE eğrisi, sabit kuruma devresinden sonra baĢlayan azalan hızda kuruma devresini göstermektedir. Bu devrede buharlaĢma ürünün içinde baĢlar. Su yüzeye difüzyon ile ulaĢır. Yüzeye yakın bölümler, hem doğrudan doğruya yüzeye ve hem de kapilerlere nem verdiklerinden, iç katmanlara göre daha çok su kaybeder. Bunun sonucu olarak ürünün dıĢ yüzeyinde kabuk bağlama, buruĢma, çatlama ve yarılmalar görülür. Bu devrede kuruma süresi azaldıkça, birim zamanında buharlaĢan nem miktarı azalmaktadır. Bu nedenle bu devreye azalan hızda kuruma devresi denir ve nem uzaklaĢması sona erene kadar (E) devam eder. Birinci azalan hız devresinde, hem yüzeyden serbest buharlaĢma ve hem de iç kısımlardaki buharlaĢan suyun hareketi etkili olmaktadır. Bu bölüm bir geçiĢ aĢamasıdır (CD arası). Hava hızı, sıcaklık ve nem bu bölümde etkili olmaktadır. Ġkinci bölümde kuruma hızı, bütünüyle içsel nem hareketine bağlı olarak oluĢur. DE ile gösterilen bu bölüm denge nemine ulaĢıncaya kadar devam eder (Sarsılmaz, 1998).
1.2. Mikrodalga Isıtma 1.2.1. Mikrodalga
Mikrodalga, nükleer veya iyonize olmayan bir ıĢın Ģekli olup, TV ve FM radyo dalgaları gibi elektromanyetik dalgalar Ģeklinde yayılan bir enerjidir. Ortamdan gıdaya aktarılacak veya gıdadan ortama aktarılacak ısı bilindiği üzere kondüksiyon, konveksiyon ve radyasyon olmak üzere 3 farklı mekanizma ile gerçekleĢebilir. Elektromanyetik dalgalar ile aktarılan enerjiye radyasyon denmektedir. Elektromanyetik dalgalar salınım halinde birbirine ve yayılma yönüne dik elektrik ve manyetik alandan oluĢmaktadır. Elektromanyetik radyasyon, dalga boyu 10-12
m den daha az kozmik ıĢınlarla 10 km den daha büyük elektriksel güç dalgalarını da içerisine alan çok geniĢ bir aralığı kapsamaktadır. Elektromanyetik spektrumda ayrıca gama ısınları, X-ısınları, mor ötesi ıĢınları, görünür ıĢık, kızıl ötesi ıĢınları, mikrodalgalar ve radyo dalgaları yer alır.
9
Elektromanyetik yelpaze içinde değiĢik isimlerle incelenen ıĢınlar temelde dalgalar halinde yayılan ıĢınlardır ve elde ediliĢ yöntemleri, ıĢının etki özelliği, geleneksel ve fizyolojik özelliklerine göre birbirinden ayrılırlar. Elekromanyetik ıĢınların dalga boyları ve frekanslarıyla tanımlandığı ve enerjinin dalga frekansı ile doğru, dalga boyu ile ters orantılı olduğu bilinmektedir. ġekil 1.3‟de gösterildiği gibi kızıl ötesi ıĢınlar ile radyo dalgaları arasında yer alan dalgalara mikrodalgalar adı verilmektedir. Mikrodalgalar, dalga boyları 1mm ile 1m ve frekansları 300MHz ile 300GHz arasında değiĢen elektromanyetik dalgalardır (Decareau, 1985). Diğer elektromanyetik dalgalarda olduğu gibi dalga ve parçacık özelliğine sahiptirler.
ġekil 1.3. Elektromanyetik Spektrum (Erdem, 2007).
Mikrodalgalarla enerji transferi, klasik ısıtmada oldugu gibi, kondüksiyon ya da konveksiyon yolu ile degil, dielektrik ısıtma yolu ile meydana getirilir. Gıda sanayiinde kullanılan mikrodalga ıĢınlar, ev tipi fırınlarda 2450 MHz, sanayide 915 MHz frekanslı ıĢınlardır.
10
1.2.2. Mikrodalga ısıtma mekaniği
Mikrodalga ile ısıtma sistemlerinde elektromanyetik enerji direkt madde içerisinde ısıya dönüĢür. Bu nedenle mikrodalga ile ısıtma sistemlerinde ısı konvansiyonel sistemlerin tam tersine maddenin içinden dıĢarıya doğru taĢınır. Bu tip ısıtma sistemlerinde su moleküllerinin uygulanan alternatif alanı takip edememesi ve büyük kayıp açılarına sahip maddelerde (dielektrik madde) iletim kayıplarının oluĢması ile ısı açığa çıkar. Kayıp açıları sıcaklık ve maddenin nem içeriğine bağlı olarak değiĢtiğinden mikrodalga ile ısıtma bir bakıma kendini regüle eden bir sistem gibi çalıĢır. Bu sistem, konvansiyonel ısıtma sistemleri ile karĢılaĢtırıldığında büyük kayıp açısına sahip maddelerde ısıtma veya kurutma süresinin çok daha kısa olduğu ve daha homojen dağılımlı bir ısıtma ve/veya kurutma sağlandığı görülür. Mikrodalga enerjisinin dielektrik madde ile olan iliĢkisi çok karmaĢık olup bu iliĢkide fiziksel özellikler çok önemli rol oynar. Madde üzerinde ısıya dönüĢen enerji yine madde içinde oluĢan elektromanyetik alan büyüklükleri kullanılarak hesaplanır. Bilindiği gibi elektromanyetik alan maddeyi de içeren mikrodalga cihaz içerisine oluĢur ve bu madde ile yüklü yapıya genel olarak aplikatör adı verilir. Maddenin özelliklerinden dolayı elektromanyetik dalga dielektrik yapıya daldıkça gücü zayıflar. Bu nedenle iĢlenecek maddenin kalınlığı ile uygulanacak mikrodalga frekansı arasında önemli bir iliĢki vardır. Buradan da anlaĢılacağı gibi mikrodalga aplikatörün içerisinde oluĢan elektromanyetik alan dağılımı en önemli parametrelerden biridir. Bundan baĢka ısı, kütle taĢınımı ve toplam basınç arasındaki iliĢki mikrodalga ile ısıtmanın ve hacimsel ısıtmanın en temel teorisini oluĢturur.
Belli bir hacme sahip maddede lokal elektrik alan E(x,y,z,t), geçici rejim skalar sıcaklık alan T(x,y,z,t) ve dönüĢüm veya transformasyon R(x,y,z,t) ile tanımlanabilir. Burada R değiĢkeni buharlaĢma, renk değiĢimi veya kimyasal reaksiyonları temsil edebilir. Bütün bu fonksiyonlar konum, zaman ve birbirlerine bir takım sistemleri ile bağlıdır. Maxwell denklemlerinin çözümünden elektrik alan bileĢenleri bulunur. Maxwell denklemleri enerji dengesine iki Ģekilde bağlıdır. Birincisi elektromanyetik alanların oluĢturduğu güç; ikincisi ise bu gücün etkisi ile madde içerisindeki sıcaklığın ve nem içeriğinin değiĢmesi sonucu permitivitenin, dolayısıyla elektrik alanın değiĢimidir. R sadece lokal
11
bir ısı kaynağı ile uyarılan veya sadece elektromanyetik alanların sonucu oluĢan veya bu iki sistemin kombinasyonu ile oluĢan bir ısıl iĢlem olabilir. Durum ne olursa olsun elektriksel özellikler sıcaklığı ve nem içeriğine bağlı olarak değiĢir ve bu olay denklem sistemleri ile gösterilebilir.
Mikrodalganın ısıtma etkisi dielektrik bir biyolojik malzeme tarafından yutulması ve enerjisinin bu madde tarafından emilmesi sonucu sıcaklığının artması Ģeklinde açıklanabilir. Mikrodalga alanındaki ısı üretimini açıklayan iki önemli mekanizma vardır. Bunlar iyonik polarizasyon ve dipol dönmesidir.
1.2.2.1. Dipol Dönmesi
Gıdalar baĢta su olmak üzere çeĢitli polar moleküller içermektedir. Bu moleküller gıda içerisinde geliĢigüzel bir Ģekilde bulunurlar. Elektrik alanı uygulandığında gıda içerisindeki elektriksel olarak asimetrik ve polar moleküller frekansa bağlı olarak polaritesi hızla değiĢen elektrik alanı nedeniyle dönme eğilimi (dipol dönmesi) göstermektedir. 2450 MHz de çalısan ev tipi mikrodalga fırınlar da elektrik alanın yönü saniyede 2.45 milyar kez değiĢmektedir. Hızla değiĢen elektrik alanının polaritesine uyum sağlamak için dönen polar moleküllerin, birbirleri ile ve ortamdaki diğer moleküllerle sürtünmelerinden dolayı ısı açığa çıkmaktadır. (Uslu ve Certel, 2006).
ġekil 1.4 a. GeliĢigüzel hareket eden polar moleküller b. Elektromanyetik alanla hizaya sokulan moleküller (Toraman ve Depçi, 2007).
12
ġekil 1.5. Mikrodalganın su molekülüne etkisi
ġekil 1.5‟ de görülen oklar, radyo dalgasının yönünü ve kuvvetini temsil ediyor. Dalganın yönü değiĢtikçe, 2 hidrojen ve 1 oksijen atomundan oluĢan su molekülü de yön değiĢtiriyor. Bir maddenin atom veya moleküllerinin hareket etmesi ısı oluĢmasını sağlıyor.
1.2.2.2. Ġyonik polarizasyon
Gıda içerisindeki çözülmüĢ tuzların iyonik bileĢenleri, üzerlerindeki elektriksel yük nedeniyle uygulanan elektrik alanının polaritesine zıt istikamette hızlanarak hareket etmeye baĢlamaktadır. Ġyonların birbirleriyle çarpıĢması hareket eden iyonların kinetik enerjilerinin termal enerjiye dönüĢmesine neden olmaktadır (Uslu ve Certel, 2006).
13
1.2.2.3. Madde üzerinde ısıya dönüĢen elektromanyetik enerji
Elektromanyetik teorinin temeli olan Maxwell‟in elde ettiği denklemler; zamanla değiĢen bir manyetik alanın bir elektrik alan oluĢturması gibi, zamanla değiĢen bir elekrik alanın da bir manyetik alan oluĢturacağını söyler. Buradan Maxwell teorisi ile elektrik ve manyetik alanlar arasındaki çok önemli bağlantı gerçekleĢtirildi. Maxwell‟in teorik olarak ispatladığı dalgaların varlığını H.R. Hertz 1887 yılında bir indüksiyon bobini kullanarak ilk olarak üretip ve onları algılayarak deneysel olarak kanıtladı. Elektromanyetik dalgalar ivmelendirilmiĢ elektrik yükleri tarafından oluĢturulurlar. Yayınlanan bu tür dalgalar birbirlerine ve dalganın yayılma doğrultusuna dik olan ve titreĢen elektrik ve manyetik alanlardan ibarettir. Bu nedenle elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır.
ġekil 1.6 Elektrik alan ve manyetik alan yatay ve dikey polarizasyonu
Mikrodalga fırın içinde elektromanyetik dalgalarla ısıtılan gıda maddeleri için Maxwell denklemleri kullanılmaktadır. ) H ( t xE (Faraday Yasası) (1.1)
14 E ) E ( t xH eff o ıı o (Ampere Yasası) (1.2) 0 ) E
.( (Gauss Yasası) BoĢlukta değeri sıfırdır. (1.3) 0
H
. (1.4)
E: elektrik alan vektörü H: manyetik alan vektörü ε: permivite
eff ıı ı
j (1.5)
Permitivite kompleks bir sayı olup, gerçek kısmına dielektrik sabiti (ε‟) ve sanal kısmına ise dielektrik kayıp faktörü (ε‟‟) denmektedir. Dielektrik sabiti (ε‟), biyolojik malzemenin mikrodalga enerjisinin iç kısımdan geçmesi sırasında bu enerjinin biyolojik malzeme tarafından absorbe etme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Kayıp faktörü ise giren mikrodalga enerjinin biyolojik malzeme içerisinde ısı olarak tüketilmesiyle kayıp olma miktarını vermektedir. Kayıp kelimesi biyolojik malzemeye nüfuz edip ısı olarak dağılan kayıp mikrodalga enerjiyi göstermek amacıyla kullanılmaktadır ve biyolojik malzemenin, gelen enerjinin ne kadarını ısıya çevirebildiğinin göstergesidir (Toraman ve Depçi, 2007; Datta, 2001). Dielektrik sabiti biyolojik malzemenin elektromanyetik enerjiyi depolama kabiliyetidir. Dielektrik kayıp (ε‟‟) dipol dönmesi ve iyonik hareket nedeniyle oluĢan kayıpların toplamına eĢittir. ε‟‟eff enerji kaybı yada ısı üretimi ifade
eden biyolojik malzemelerin efektif dielektrik kaybıdır. εo boĢluğun permivitesi
(8,86.10-12F/m), ѡ mikrodalganın açısal hızıdır (Datta, 2001).
Mikrodalga ısıtmadan dolayı bir biyolojik malzemede depolanan termal enerji miktarı Ģu fatörlere bağlıdır.
Elektrik alan gerilimi
Mikrodalganın ıĢınım frekansı
15
Malzemeleri mikrodalga ile etkileĢimleri bakımından üç kategoriye ayırmak mümkündür (Toraman ve Depçi, 2007):
Mikrodalganın herhangi bir kayba uğramadan geçtiği geçirimli düĢük kayıplı biyolojik malzemeler (biyolojik malzeme ısınmaz)
Herhangi bir nüfuz olmadan yansıtan biyolojik malzemeler (biyolojik malzeme ısınmaz)
Dielektrik kayıp faktörü değerine bağlı olarak mikrodalgayı absorbe eden (soğuran) yüksek kayıplı biyolojik malzemeler (biyolojik malzeme ısınır)
ġekil 1.7 Biyolojik malzeme ile mikrodalganın etkileĢimi a. geçirimli b. iletken c. soğurucu
d. karma
Bir biyolojik malzemenin farklı dielektrik özellikte iki veya daha çok faz içermesi durumunda, mikrodalga enerjinin geçirimli fazdan geçerken soğurucu fazı seçimli olarak ısıtabildiği dördüncü bir kategori (karma) oluĢmaktadır.
Mikrodalga ile ısıtma tekniğinde enerji, boĢluk veya herhangi bir ortamda elektromanyetik dalgalar yoluyla taĢınır. Poynting teoremine göre, belli kapalı bir S yüzeyinden akan toplam enerji Poynting vektörünün integrasyonundan hesaplanabilir (Artan, 2003).
16 S d . ) H x E ( P (1.6)
Etkin kompleks dielektrik sabiti ıı ı ııeff, iletkenlikten dolayı oluĢan kayıplar
dahil bütün dielektrik kayıplar ııeff ile gösterilmek üzere tanımlanır. Bu durumda,
E ). H x
( ifadesi Maxwell akım yasası olarak kullanılarak( xH J j o ııE, ) E J düzenlenir. E . * E j * E . E E ). H x ( o ı ıı o (1.7)
ve Maxwell üçüncü yasası x için kullanılıp H* ile noktasal çarpımı alınır, E
* H . H j H ). xH ( o ı (1.8)
Bulunan bu ifadeden (1.9) ifadesi çıkartılır.
* E . E * E . E j * H . H j E *). H x ( * H ). E x ( oı oı oııeff (1.9)
Elde edilen bu ifade V hacminde integre edilir ve diverjans teoremi kullanılırsa,
dV * E . E dV *) E . E H . * H ( j S d . *) H x E ( dV *) H x E ( oııeff V V ı o ı o ı V S (1.10)
Ġfadesi elde edilir. Ortalama güç tanımı:
s ı ort . S d *) H x E ( el Re 2 1 Q (1.11) V eff ıı ort . dV ) E . * E ( 2 1 Q o (1.12)
17
Olarak ifade edilir. Elektrik alanın sabit kabul edilebileceği özel durumlarda ortalama güç ifadesi (1.12) ve 2 E * E . E eĢitliği kullanılarak m ax 2 eff ıı ort . E Q o (1.13)
hesaplanır. Burada Q. ort harcanan ortalama güç (enerji depolama) olup, birimi W/m3‟
dür. Bu ifade sadece elektrik kayıplara sahip maddeler için geçerlidir. Eğer madde magnetik kayıplara da sahip ise magnetik geçirgenlik kompleks bir büyüklük Ģeklinde ifade edilerek, eff ıı / j * (1.14)
(1.9) eĢitliğinin sağ tarafına manyetik kayıplara karĢılık gelen ıeffH.H* terimi eklenmelidir. Burada ı geçirgenlik, ııeff ise etkin magnetik kayıp faktörüdür. Bu
magnetik kayıp faktörüdür. Bu magnetik kayıp teriminin eklenmesi ile (1.13) ifadesi
m ax 2 ff e ıı o m ax 2 eff ıı ort . H E Q o (1.15)
Ģeklini alır. Bu ifade hem elektriksel hem de magnetik kayıpları içerir.
Mikrodalga ile ısıtma tekniğinde kullanılan parametrelerden biri olan penetrasyon derinliği , iletilen elektromanyetik alan genliğinin, madde yüzeyinden madde üzerindeki değerinin 1/e sine düĢtüğü yere kadar olan uzaklığı belirtir. Penetrasyon derinliği ile madde permitivitesi arasındaki bağıntı (1.16) eĢitliği ile verilir.
2 / 1 2 / 1 2 ı eff ıı ı ı 1 1 2 2 1 (1.16)
18
ı ıı
için denklem 1.17 gibi basitleĢtirilmiĢtir (Meredith, 1998).
ıı ı o
2 (1.17)
Bu eĢitlikten de görüldüğü gibi penetrasyon derinliği frekans küçüldükçe artmakta, büyüdükçe azalmaktadır. Bu nedenle kayıplı madde içerisinde elektromagnetik dalga ilerledikçe alan ve güç yoğunluğu gittikçe zayıflayacağından mikrodalga tekniği ile iĢlenecek maddelerin kalınlıkları büyük önem taĢır. Genellikle ince maddelerin mikrodalga frekanslarında ısıtılması kalın maddelerin ise daha düĢük radyo frekanslarında ısıtılması daha uygundur.
Penetrasyon derinliği, gücün yüzeyindeki değerinin 1/e (0.37) ye düĢtüğü derinlik olarak bilinir. 1959 Cenevre Uluslar arası sözleĢmeye göre tıbbi bilimsel ve endüstriyel çalıĢmalar için ayrılmıĢ mikrodalga bantları sınırlıdır. Bu bantlar Çizelge 1.1‟ de verilmiĢtir (Aktan, 1989).
Çizelge 1.1 Mikrodalga bant aralıkları
Band Frekans merkezi Dalga boyu
890-940 MHz 915 MHz 32.8 cm
2400-2500 MHz 2450 MHz 12.2 cm
5715-5875 MHz 5800 MHz 5.2 cm
19
1.2.2.4. Isı transferi
Kurutmanın esası olan ısı ve kütle transferi için gıda ile kurutucu hava arasında sırasıyla sıcaklık ve konsantrasyon (su ve/veya subuharı) farkı olması gerekir ve bu olgular kurutmanın itici güçleri olarak adlandırılırlar. Isı ve kütle transfer oranı, sıcaklık ve konsantrasyon farkı ile doğru orantılıdır ve orantı katsayıları sırasıyla kondüktif veya konvektif ısı transfer katsayısı ile difüzyonal kütle transfer katsayısı (difüzivite) olarak tanımlanır. Isı ve kütle transferi, sıcaklık ve konsantrasyonun yüksek oldugu yönden düĢük olduğu yöne doğru gerçekleĢir. En basit Ģekliyle ısı transferi kondüksiyonda Fourier yasası ve konveksiyonda Newton'un soğuma yasası, kütle transferi ise Fick difüzyon yasası ile ifade edilir ve gıdadaki suyun yüzeye difüzyon ile taĢındığı ve buharlaĢmanın sadece gıda yüzeyinde gerçekleĢtiği kabul edilir (Çınar, 2006).
Mikrodalga enerjisi biyolojik malzeme tarafından yutuldukça biyolojik malzeme içerisindeki sıcaklık artar. Bu artıĢ oranı bir takım parametrelere bağlıdır. ma kg kütleye
sahip bir maddenin sıcaklığını t saniyede TooC den ToC ye yükseltmek için gerekli güç:
t Q Q. h t ) T T ( c ma p o (1.18)
ifadesi ile verilir. Burada Qh uygulanan harici ısıyı, cp (J/kgoC) sabit basınç altında
özgül ısıyı gösterir. Madde üzerindeki mikrodalga enerjisinin oluĢturduğu gücün belirli bir sürede meydana getireceği sıcaklık artıĢını bulmak için (1.13) eĢitliği (1.18) ifadesindeki . Q yerine konur. t T T o p m ax 2 eff ıı c . E o (oC s-1) (1.19)
Burada (kg/m3) maddenin yoğunluğudur. Bu ifadende görüldüğü gibi belirli bir frekansta sıcaklık artıĢı efektif permivite ve elektrik alan Ģiddetine bağlıdır ancak burada
eff ıı
20
1.2.2.5. Geçici rejim ısıl modeli
Yığın maddelerde ısı Fourier enerji dengesi ile belirlenir. Mikrodalga ısıtma, lokal ısıya dönüĢen enerji terimi eklendiğinde konumda ikinci, zamanda birinci dereceden bağlı olmak üzere ) t , z , y , x ( Q ) T k .( t T cp gen (1.20)
Bu eĢitlikte Qgen=0 alınırsa konvansiyonel sistemlerde kullanılan eĢitlik elde edilir.
EĢitliğin sol tarafındaki ilk terim iç ısıl enerjideki değiĢim oranını, ikinci terim ise k (W/moC) ısıl iletkenliği göstermek üzere Fourier ısı iletim transferini temsil eder. Denkelem 1.20 ile geleneksel enerji dengesi ısıtma süresinin, atom ve moleküllerin ısıl reaksiyon zamanları ile karĢılaĢtırıldığında daha uzun olduğu varsayımına dayanır. Bu mikrodalga ve radyo frekansı ıstmada genellikle karĢılaĢılan bir durumdur. Maddenin ısıl iletkenliğinin izotropik olduğu durumlarda (1.20) eĢitliğinin sol tarafındaki ikinci terim k 2T ye indirgenir. Bu denklemin sağındaki kaynak terimi maddede harcanan tüm enerjileri içerir (Artan, 2003).
1.2.3. Mikrodalga fırın
Yiyecekleri ısıtırken mikrodalga fırınlar kullanılmaktadır. Mikrodalgalar, aslında radyo dalgalarıdır. Mikrodalga fırınlarda yaklaĢık 2.5 GHz sıklıklı radyo dalgaları kullanılıyor. Bu sıklık aralığındaki radyo dalgalarının ilginç iki özelliği var. Bunlar su, yağ ve Ģeker tarafından soğurulurlar. Soğurulan mikrodalgalar, ısı üreten bir atomik harekete neden olurlar. Diğer yandan da, bir çok plastik türü, cam ya da seramiklerin bu aralıktaki mikrodalgaları soğurması söz konusu değilken, metaller de bu dalgaları tümüyle yansıtır. Bu yüzden mikrodalga fırınlardaki ısıtma iĢlemi sırasında, plastik, cam ya da seramik kapların kullanılması önerilmektedir. Mikrodalga fırınlardaki ısıtma
21
iĢlemi sırasında, yiyecek üzerine düĢürülen radyo dalgaları, yiyeceğin içine girerek, yiyeceğin yapısında bulunana su ve yağ moleküllerini uyarır. Yani dıĢarıdan uygulanan bir ısı iletimi söz konusu değildir. Isınma moleküllerin aynı ve hep birlikte uyarılmasından doğar.
Mikrodalga uygulamasında etki kalınlığı kullanılan ıĢının dalga boyu ve maddenin dielektrik özelliklerine bağlıdır. Genel olarak dalga boyu uzadıkça etki kalınlığı artar. 915 MHz‟de ıĢınların etki kalınlığı yaklaĢık olarak 33,3 cm, 2450 MHz‟de 12,2 cm‟dir (Meredith, 1988).
Mikrodalga fırın, mikrodalga üreten bir magnetron, üretilen mikrodalgaların fırın içinde yayılmasını sağlayan bir dalgayayıcı ve fırın boĢluğundan oluĢur. Yayılan mikrodalganın fırın içinde düzgün dağılımını sağlamak için ya döner tabla ya da dalga yayıcıdan hemen sonra yerleĢtirilen bir pervane kullanılır. Ayrıca ısınan besinin yaydığı sıcaklık sonucu ısınan havanın fırın içinde birikmesini önlemek için bir havalandırma sistemi bulunur.
Mikrodalga, fırın içindeki magnetron adı verilen vakum tüpünden üretilir. Magnetron 60 Hz‟lik elektrik enerjisini mikrodalgaya dönüĢtürür. Üretilen mikrodalgalar foton olarak adlandırılan ıĢın tanecikleri halinde yayılır.
Fırının kapağında camın içerisinde ağ Ģeklinde örülmüĢ iletken vardır bu örgünün arasındaki boĢluklar mikrodalganın dalga boyundan daha küçük olmalıdır
1971 yılında USA'de Food and Drug Administration (FDA) mikrodalga fırınların sızıntı radyasyonları için bir limit değer açıkladı. FDA'ya göre bu limit mikrodalga fırının yüzeyinden 2 inch'lik mesafede 5 miliwatt/cm2
dir (Platts, 1988). Bu FDA limiti, mikrodalgaların insan için zararlı olan limitinin altında tesis edilmiĢtir.
22
1.2.3.1. Mikrodalga üreteci (magnetron)
Magnetron elektriksel gerilimi mikrodalgada radyasyona çeviren diyot tipli bir elektronik tüptür. 1921‟de Albert Wallece Huli tarafından ilk defa yapıldığından beri günümüze kadar temelde bir değiĢikliğe uğramamıĢtır. Küçüklük ve ucuzlukları yüzünden magnetronlar cisimleri ısıtmak için ticari fırınların hepsinde ve endüstriyel fırınların büyük bir bölümünde kullanılan mikrodalga kaynağıdırlar. Günümüzde ticari fırınlarda kullanılan çok oyuklu Magnetron ilk defa 1940‟ da J.T. Randall ve H.A.H. Boot tarafından tasarlanmıĢtır. Bu magnetronlar 2450Hz frekansında çalıĢmakta olup, yapısı ve çalıĢma prensibi aĢağıda açıklanmıĢtır.
Genelde magnetronlar ekseninde silindirik içi boĢ bir anotla birlikte katot bulunan dairesel simetrik tüplerdir. Metalik silindir ve içindeki kanatçıklar, bir sıra trapezoid Ģekilli boĢluk, katodu oluĢturur (ġekil 1.9). Oyuklardan birinin içine giren anten mikrodalga enerjisini magnetrondan alarak sabitlemiĢ bir dalga kılavuzuna gönderir. Magnetron elektronların katottan anoda doğru akıĢını kontrol ederek çalıĢır. Bu iĢlem merkezinde bulunan katot filamanının dıĢarıdan düĢük gerilimi elektrik üreticiyle ısıtılması ve çalıĢma sıcaklığına ulaĢması ile baĢlar. Sıcaklık artıĢı katottaki moleküler aktivite ile hızlanır ve elektronlar kaymaya baĢar. Isıtma anotla beraber uygulanan potansiyel elektronları katottan radyal olarak anoda doğru hareketlendirir. Doğal veya elektromıknatıslar tarafından üretilen ve eksene paralel, elektronların yoluna dik olarak etkileyen manyetik alan elektronları katodun etrafına sanki dairesel bir yörüngede harekete zorlar. Anotta bulunan oyuklar elektronların periyodik olarak sıralanmasıyla hazırlanmalarına ve yavaĢlamalarına neden olarak bir elektron bulutunun oluĢmasına olanak verirler. Elektron bulutunun sürekli dönme hareketi her oyukta artı yükleri meydana getirir. Anodun oyuklarında sırası ile olan Ģarj ve deĢarj olayı bir alternatif akım oluĢmasına yol açar. Bu sayede oluĢan elektromanyetik dalga anten aracılığı ile dıĢarıya verilir. Magnetronun üretmiĢ olduğu yüksek enerji bu anten yardımıyla dağıtıcılara aktarılır ve dağıtıcılar bu dalgaları fırın boĢluğuna taĢırlar Magnetronlar %60-65 verimle çalıĢırlar. ÇıkıĢ gücü katottaki doğru akım ve doğal veya elektromanyetik alanla kontrol edilir ve anot sıcaklığına bağlıdır, anot ve katottaki ısıya dönüĢen enerji kanatlarla ve fanla alınır.
23
ġekil 1.8 Magnetron Salınım Mekanizması (ÇalıĢkan, 2002).
24
ġekil 1.10 Mikrodalga fırın magnetronu
1.2.4. Mikrodalgada materyalin ısınmasına etki eden faktörler 1.2.4.1. Gıdanın su içeriği
Su genellikle mikrodalga enerjinin absorblanmasında önemli bir etkendir. Yüksek su içeriği, gıdanın yüksek dielektrik kayıp faktörüne sahip olması, dolayısıyla daha iyi ısınma sağlar. Ancak düĢük su içeren gıdalar da mikrodalga ortamında iyi ısıtılabilirler. Bu iĢlem spesifik ısıdaki azalma sayesinde olmaktadır. Mikrodalga ısıtma sırasında materyalin kurumasıyla daha nemli bölgelerin mikrodalga enerjiyi absorblamaları daha kolay olmaktadır. (Kaya ve Akkaya, 2003).
1.2.4.2. Yoğunluk
Yoğunluk direkt olarak dielektrik sabitini etkilemektedir. Havanın dielektrik sabiti 1.0‟ dır ve endüstriyel ısıtma frekanslarında tamamen geçirgendir. Böylece yapısında boĢluklar olan ve hava içeren bir materyalin dielektrik sabiti azalmaktadır. Bununla
25
birlikte materyalin yoğunluğunun artmasıyla dielektrik sabiti lineer olarak artmaktadır.
1.2.4.3. Sıcaklık
Mikrodalga ısıtmada materyalin sıcaklığı birçok yönden etkilidir. Dielektrik kayıp faktörü sıcaklıkla materyale de bağlı olarak artar veya azalır. Isıtma iĢlemi süresince materyalin sıcaklık ve nem içeriğinde değiĢimler olduğundan, buna bağlı olarak dielektrik özelliklerinde de önemli değiĢimler ortaya çıkar. Mikrodalga ısıtmada bu değiĢimlerin bilinmesi, sistem dizaynı için önem taĢımaktadır. Mikrodalga ısıtma sırasında üründe meydana gelen faz değiĢimi dikkate alınmalıdır. Örneğin dondurulmuĢ materyalin ısıtma özellikleri üzerine etkisi, su ve buzun dielektrik özelliklerinin farklı olmasından dolayı önemlidir. Su mikrodalga alanında oldukça absorbe edicidir ve iyi ısınır, buz ise geçirgendir ve ısıtılması çok zordur ve zaman alır. Gıda materyalinin baĢlangıç ısısı kontrol edildiği sürece mikrodalganın gücü veya ısıtma süresi homojen bir son sıcaklık için ayarlanabilmektedir.
1.2.4.4. Fiziksel geometri
Ürünün fiziksel geometrisi de mikrodalga ısıtma üzerine etki etmektedir. Eğer ısıtılacak materyalin boyutu mikrodalga enerjinin dalga boyu veya daha önemlisi penetrasyon derinliğine göre fazlaysa tekdüze bir ısıtma yapabilmek çok zor olacaktır. Diğer taraftan ısıtılacak gıdanın Ģekli ne kadar düzenli ise ısı dağılımı o kadar düzenli olmaktadır. Keskin köĢe ve açılar mikrodalga ısıtmada aĢırı ısınan bölgelerdir. Bu nedenle küresel Ģekilli gıdalar küp Ģekillerden daha homojen ısınmaktadır. Eğer gıda materyalinin Ģekli düzensiz ise gıdanın tümü ısınana kadar özellikle ince olan kısımlarda yanmalar yada aĢırı ısınmalar ortaya çıkabilmektedir. Gıda maddesinin geometrisi mikrodalga ısıtmada önemli bir faktör olduğundan dolayı mikrodalga ısıtma için ideal Ģekil küredir (Kaya ve Akkaya, 2003).
26
1.2.4.5. Permitivite ve kayıp faktörü
Materyallerin dielektrik özellikleri yani elektromanyetik dalgalara karĢı nasıl cevap vereceği permitivite ile ifade edilmektedir.
ε = ε‟ - j ε‟‟ (1.21)
Permitivite kompleks bir sayı olup, gerçek kısmına dielektrik sabiti (ε‟) ve sanal kısmına ise dielektrik kayıp faktörü (ε‟‟) denmektedir. Elektrik alanına tabi tutulan bir gıda birbirine paralel bağlı kapasitör ve rezistans gibi düĢünülebilir. Dielektrik sabiti (ε‟), gıdanın kapasitörlük özelliğini yani materyalin elektrik enerjisinin ne kadarını depolayabileceğini gösterir. Dielektrik kayıp faktörü (ε‟‟) ise gıdanın rezistanslık özelliğini yani enerjinin ne kadarını absorbe edip ısıya dönüĢtürebileceğini gösterir. Dielektrik kayıp (ε‟‟) dipol dönmesi ve iyonik hareket nedeniyle oluĢan kayıpların toplamına eĢittir (Uslu ve Certel, 2006).
1.2.5. Mikrodalga ısıtmanın avantajları ve dezavantajları
Mikrodalga ile ürünlerin ısıtılmasının mikrodalga enerji kullanımından dolayı bir takım avantaj ve dezavantajları vardır. Avantajlarını aĢağıdaki gibi sıralayabiliriz (Eren, 2005)
Isıtma geleneksel yöntemlere göre hızlıdır. Mikrodalga ısıtmanın en önemli özelliği ise üretiminin moleküler düzeyde baĢlaması ve bu sayede hem zamandan, hem de enerjiden çok büyük oranda tasarruf sağlamasıdır (Karaaslan ve Tunçer, 2008).
Temizdir,
Mikrodalga fırınlar, geleneksel sistemlere göre daha az yer kaplar, kullanımı ve bakımı kolaydır,
27
Isıtma çevrimi hızlı olduğundan gıda maddelerinin depolanmasında çok fazla depo alanı gerekmez,
Gıda büzülmesi ve kayıpları daha azdır,
Özel ambalajlar kullanıldığı takdirde gıdalara ısıtma iĢlemi uygulanabilir, Mikrodalga ısıtma, istenen sonuca ulaĢılabilmesi için diğer ısı transfer yöntemleriyle kombine olarak uygulanabilir,
Mikrodalga ısıtmada, gıdayı çevreleyen hava ve fırın ısınmadığından ısıtma daha etkindir, zaman ve enerji tasarrufu sağlar (Karaaslan ve Tunçer, 2008). Mikrodalga enerjisinin ısıya dönüĢüm verimi oldukça yüksektir. Geleneksel ısıtıcılarda %7–14 arası değiĢen ısı verimi mikrodalga ekipmanlarında %40 ‟a kadar çıkmaktadır,
Mikrodalgalar içten ısıtma sağladığı için, üründeki sıcaklık dağılımı daha üniformdır ve ürün yüzeyinin aĢırı ısınması engellenir,
Mikrodalga teknolojisi birçok yeni ürün geliĢtirilmesinde olanakları sağlamıĢtır, Pazar imkânı geniĢtir
Kaliteli ürün eldesi (Karaaslan ve Tunçer, 2008).
Mikrodalga ısıtmanın, yukarıda sıraladığımız avantajlarının yanında bir takım dezavantajları da vardır. Bunlar (Eren, 2005):
Sabit yatırım masrafları yüksektir, magnetronlar geleneksel ısıtma elemanlarına göre pahalıdır, bu yüzden sanayide kullanımı yavaĢ geliĢmektedir,
Mikrodalgaların ürün tarafından absorbe edilmesi elektromanyetik özelliklere bağlı olduğundan, çok bileĢenli gıdalarda sıcaklık profili büyük oranda farklı olabilir. Ürün karakteristikleri, Ģekil ve boyuta bağlı olarak düzensiz piĢme meydana gelebilir. Keskin köĢe ve kıyılarda aĢırı piĢme ortaya çıkar ve geniĢ parçalı gıda maddelerinin merkezinde piĢme tam gerçekleĢmeyebilir,
Ġnsan sağlığı açısından radyasyon sızıntısının önlenmesi gerektiğinden tamamen kapalı bir sistem olması zorunludur,
Mikrodalga fırınlar, geleneksel fırınlara göre farklı emniyet tedbirleri gerektirir, Mikrodalgaların teknolojileri daha karmaĢıktır, bu da eğitimsiz insanlar için kullanımı tehlike oluĢturur,
28
Tekrar ısıtılması gereken ve mikrobiyolojik yönden hassas ürünlerde (et ve süt ürünleri gibi), iĢlem süresinin çok kısa olması nedeniyle yeterli ve güvenli bir Ģekilde mikroorganizmaların etkisiz hale getirilmesi zor olabilmektedir. Mikrodalga ısıl iĢlemde sıcak ve soğuk noktaların belli olmaması ve saptanmasının zor olması mikrobiyolojik kontrolü zorlaĢtırmaktadır,
Kullanılan kapların, ambalaj biyolojik malzemelerinin mikrodalga ortamına uygun olması gerekmektedir. Ġletken maddeler mikrodalga etkisi ile ark oluĢturmakta, ürüne ve kurutma ekipmanına hasar verebilmektedir. Cam, porselen, plastik, kâğıt mikrodalga için uygun biyolojik malzemeler olarak bilinmektedir.
1.2.6. Mikrodalga sistemlerinin uygulama alanları
Gıda alanında kullanım alanları 1. Hamur halindeki gıdalar 2. Taneli gıdalar
3. UfalanmıĢ gıdalar 4. Yaprak halindeki gıdalar 5. Sulu gıdalar
ĠĢlemler :
1. Gıda maddelerinin kurutulması 2. Sterilizasyon (pastörizasyon) 3. Yemek piĢirme
4. DonmuĢ gıdaların buzunun çözülmesi 5. Unlu gıdaların piĢirilmesi v.b.
Metalürji alanında kullanım alanları 1.Kalıplar
2.Kokiller 3. Kurutma
29 ĠĢlemler :
1. Elyaf kurutulması
2. Kereste içindeki kurtların yok edilmesi 3. Orman ürünlerinin kurutulması
4. Kömürün iyileĢtirilmesi
Kimya alanında kullanım alanları 1. Tuzlar
2. Sair kimyasal bileĢimler 3. Kuru vb. biyolojik malzemeler 4. Boyalar 5. Seramik ve porselen 6. Mermer 7. Polimermer 8. Deri 9. Elyaf 10. BoyanmıĢ çile 11. BoyanmıĢ kumaĢ
12. Selüloz mamuller ve sairleri 13. a-Kurutma
b-Kaynatma c-BuharlaĢtırma d - SinterleĢtirme ĠĢlemler :
1. Kimyasal reaksiyonların hızlandırılması 2. Tekstilde boyanmıĢ çilelerin kurutulması 3. Yağlı ısıtma sistemleri
4. Selülozik atıkların iĢlenmesi
5. Kağıt ve karton üretiminde kurutma iĢlemleri
6. Seramik ve porselen kurutma ve sinterleme iĢlemleri 7. AhĢapta oluĢan mantarların yok edilmesi
30
8. Plastik ve kauçuk kurutulması vulkanizasyon
Mikrodalganın ısı enerjisine dönüĢümünü etkileyen çeĢitli faktörler vardır (YaĢar, 1999). Bunlar; Frekans, Mikrodalga gücü ve ısıtma hızı, Ürün miktarı, Nem miktarı, Yoğunluk, Ürün sıcaklığı, Fiziksel geometri, Elektrik iletkenliği, Öz ısıdır. 1.3. Vakum Kurutma
Vakumlu kurutma yapan kurutucular yüksek sıcaklık Ģartlarından olumsuz olarak etkilenerek yapısı bozulan ürünlerin, daha düĢük sıcaklıklarda hızla kurumasını sağlamak amacıyla geliĢtirilmiĢlerdir. Katı ürünlerin kurutulmasında da kullanılmakla birlikte, özellikle sıvı veya püre formundaki ürünlerin kurutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu kurutucularda kurutma vakum ortamında gerçekleĢir. Vakum hücresinin içindeki hava bir vakum pompası veya buhar enjektörü yardımıyla emilerek belirli basınca sahip bir vakum ortamı yaratılır. Ürün konveksiyon, kondüksiyon veya radyasyon yollarından biri veya birkaçı yardımıyla ısıtılarak nemin buharlaĢması sağlanır. BuharlaĢan nem, vakum pompalı tiplerde bir yoğuĢturucuda sıvı hale dönüĢtürüldükten sonra vakum hücresi dıĢına çıkarılır. Buhar enjektörlü vakum kurutucularda ise yoğuĢturucuya gerek yoktur. Vakum hücresinin içinde çok az miktarda hava bulunması, kolayca okside olabilen ürünlerin kurutulmaları sırasında ortaya çıkan oksidasyon tehlikesini de ortadan kaldırmaktadır. Bu tip kurutucular, ayrıca yüksek sıcaklıkta hızlı kuruma nedeniyle yüzeyi çabuk kuruyarak sertleĢen ve bu
