Dondurarak kurutma sistemi tasarımı ve tıbbi aromatik ürünlerin kurutma parametrelerinin araştırılması
Design of drying drying system and investigation of drying parameters of medical aromatic products
Yazar: TUĞBA KOVACI
Danışman: PROF. DR. ARZU ŞENCAN ŞAHİN
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Dondurarak kurutma = Freeze drying

Özet:
Dondurularak kurutma işlemi, dondurulmuş ürünün dehidrasyon süblimasyonuna dayanır. Düşük sıcaklıklar ve işlem için gerekli olan basınç ve uzun kuruma süresi nedeniyle, dondurarak kurutma teknolojisi hassas ürünlerin işlemine uygundur. Dondurarak kurutmadaki uzun kuruma süreleri, yüksek enerji tüketimi ve yüksek maliyetlere yol açmaktadır. 

Bu çalışmada, nane yaprakları üç farklı sıcaklık (40, 50, 60oC) ve üç farklı basınçta (30, 50, 80 kPa) dondurularak kurutulmuştur. Kurutulan nane yapraklarının kuruma davranışları incelenmiştir. Ekserji analizi ile ekserji kayıplarını en aza indirmeyi ve ekserji verimliliğini en üst seviyeye çıkarmayı sağlayan çalışma koşulları belirlenmiştir. Enerji ve ekserji analizi yanısıra ürün görseli de değerlendirildiğinde, deneme yapılan değerler arasında nanenin dondurarak kurutulmasında 30 kPa kabin basıncı ve 50oC kurutma sıcaklığının en ideal çalışma şartları olduğu belirlenmiştir. İdeal kurutma şartlarında elde edilen sonuçlarla en iyi uyum sağlayan matematiksel modelin Wang and Singh modeli olduğu belirlenmiştir. 

Nane yaprakları için ısı ve kütle transfer analizleri yapılmıştır. Kurutulmuş nanenin ısı transfer katsayısı ortalama 0.33 W/m2K olarak belirlenmiştir. Ürünün kütle transfer hızı ise 3.33x10-10 ile 2.27x10-9 m/s arasında değişmiştir. Isı transfer katsayısı ve kütle transfer hızı sıcaklık artışıyla artmış, kabin basıncındaki artışla azalmıştır.  Ayrıca, kurutma sıcaklığının nem difüzyonunu hızlandırdığı görülmüştür. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, dondurarak kurutma sisteminin optimizasyonunu ve çalışma parametrelerinin iyileştirmesine yardımcı olacak bilgiler sağlayacaktır.

Abstract:
Freeze drying process is based on dehydration sublimation of frozen product. Because of the low temperatures and pressure and long drying period required for the process, freeze drying technology is feasible to the process of sensitive products. Long drying times in freeze drying lead to high energy consumption and high capital costs. 

In this study, mint leaves were freeze dried at three different temperatures (40, 50, 60oC) and three different pressures (30, 50, 80 kPa). The drying behavior of dried mint leaves was investigated. With exergy analysis of the process specified the operating conditions that allow minimizing the exergy losses and maximizing the exergy efficiency. In addition to energy and exergy analysis, when the product appearance is evaluated, 30 kPa cabin pressure and 50oC drying temperature are found to be the most ideal conditions for freeze drying of mint. Wang and Singh model was found to be the most suitable mathematical model in the ideal drying conditions.

Heat and mass transfer analyzes were performed for mint leaves. The heat transfer coefficient of dried mint was determined as 0.33 W/m2K. The mass transfer rate of the product ranged from 3.33x10-10 to 2.27x10-9 m/s. Both heat transfer coefficients and mass transfer rate increased with temperature increase and decreased with increase in cabin pressure. It was also found that the drying temperature accelerates the moisture diffusion. These results will provide information to help improve the system the optimization of a freeze-dryer and the operating parameters.