Farklı yöntemlerle uygulanan elektriksel ön işlemlerin ozmotik kurutma sırasında gerçekleşen kütle transferine etkisinin deneysel ve kuramsal olarak incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of the effect of electrical pretreatments applied by different methods on mass transfer occurred during osmotic dehydration
Yazar: SALİH EROĞLU
Danışman: DOÇ. DR. FİLİZ İÇİER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Bu tezde, direkt temaslı (TEİ) ve çözelti içinde (ÇEİ) elektriksel ön işlemlerin ozmotik kurutma süresini azaltabilecek ve birim su kaybı başına toplam enerji tüketimi daha düşük kurutma işlemine olanak verebilecek alternatif ön işlemler olarak uygulanabilirliğinin belirlenmesi amaçlanmıştır.
Elma dilimlerine (50×25×3.5 mm) ozmotik kurutma öncesi 3 farklı voltaj gradyanı (12, 24 ve 36 V/cm) ve 3 farklı sürede (15, 25 ve 35 s) olmak üzere 9 farklı koşulda elektriksel ön işlem 2 farklı yöntemle uygulanmıştır. Ardından, elma dilimleri % 40 (w/w) glikoz–fruktoz çözeltisi içerisinde 40 °C'de 160 dak ozmotik kurutmaya tabi tutulmuştur. Ozmotik kurutma sırasındaki kütle transferi özelliklerindeki değişim (% TKM, % ağırlık kaybı, % katı kazanımı, % su kaybı) ve ozmotik kurutma sonunda elma dilimlerindeki su aktivitesi değerleri incelenmiştir. Ön işlem koşullarının efektif difüzyon katsayıları üzerine etkileri belirlenmiş, elde edilen efektif difüzyon katsayıları ozmotik kurutmanın modelleme ve simülasyonunda kullanılmıştır. Ozmotik kurutmada elma dilimleri içerisindeki konuma bağlı olarak katı madde ve su içeriği dağılımı teorik olarak tahmin edilmiştir. Ön işlemlerin ve ozmotik kurutma aşamalarının enerji ve ekserji analizi yapılarak, işlemlerin verimliliği tartışılmıştır.
Ön işlem uygulanan elma dilimlerinin % 30 TKM'ye daha hızlı ulaştığı başka bir deyişle ön işlemlerin kütle transfer hızını arttırdığı belirlenmiştir. Ön işlem uygulanan örneklerde kontrol grubuna göre daha düşük katı kazanımı tespit edilmiştir. Her iki ön işlemde de, 36 V/cm voltaj gradyanının ozmotik kurutmada su kaybını arttırdığı ve hücre geçirgenliği üzerine daha etkili olduğu belirlenmiştir. Elektriksel ön işlem uygulanan örnekler için, su efektif difüzyon katsayılarının 1.223*10-10 m2/s ile 1.969*10-10 m2/s arasında, katı efektif difüzyon katsayılarının ise 1.124*10-10 m2/s ile 2.470*10-10 m2/s arasında değiştiği saptanmıştır. Model öngörüleri ile deneysel veriler arasındaki uyumun iyi olduğu ve elde edilen sonuçların birbirine benzer olduğu tespit edilmiştir (p>0.05). Tüm işlem koşulları için, ekserji verimliliklerinin (% 98.70–6.01) enerji verimliliğinden (% 99.39–12.03) daha düşük olduğu belirlenmiştir.
Tez sonuçları değerlendirildiğinde, elektriksel ön işlemlerin ozmotik kurutma işleminin kütle transfer hızını ve enerji verimliliğini arttırdığı sonucuna ulaşılmıştır. Bununla birlikte, ÇEİ işlemi, düşük voltaj gradyanında TEİ'den daha yüksek enerji ve ekserji verimliliği sağlamaktadır. Elektriksel yöntemlerin ozmotik kurutma öncesi ticari ölçekte uygulanma potansiyelinin olduğu düşünülmektedir.
Anahtar sözcükler: elektriksel, ozmotik, modelleme, simülasyon, ekserji, kütle transferi, enerji

Abstract:
In this thesis, it is aimed to determine the applicability of electrical treatments by direct contact (TEİ) and in solution (ÇEİ) as alternative pretreatments for the purposes of decreasing osmotic dehydration time and obtaining the dehdyration process having lesser energy consumption per unit water loss. 
Before osmotic drying, electrical pretreatments by two different application methods at 9 different conditions consisting of 3 different voltage gradients (12, 24 and 36 V / cm) and 3 different times (15, 25 and 35 s) were applied on apple slices (50×25×3.5 mm). Then, apple slices were osmotically dehydrated in glucose–fructose solution at  40 °C for 160 min. The change in mass transfer properties (% total dry matter (TDM), % weight reduction (WR), % solid gain (SG), % water loss (WL)) during osmotic dehydration and the water activity values at the end of osmotic dehydration of apple slices were investigated. The effects of pretreatment conditions on effective diffusion coefficients were determined, and these values obtained were used in the modeling and simulation of osmotic dehydration. The distribution of solid and water content in the apple slices depending on position were predicted  theoretically. The energy and exergy analyses of the pretreatments and the osmotic dehydration steps were performed, and the efficiency of the process are discussed.
It was determined that pre-treated apple slices reached to 30 % TDM faster, in other words the pretreatments applied increased the dehydration rate during osmotic dehydration. It was determined that SG in pretreated samples was lower than the control group. In both pretreatments, it was obtained that the voltage gradient of 36 V/cm increased WL in osmotic dehydration and it was more effective on the cell permeability. For electrical pretreated samples, the diffusion coefficients varied between Dew values of 1.223*10–10 and 1.969*10-10 m2/s for water and Des values of 1.124*10-10 with  2.470*10-10 m2/s for solid. It was found that the experimental results and model predictions were in good agreement and results obtained were similar (p>0.05). For all process conditions, it was determined that exergy efficiency (% 98.70–6.01) was lower than energy efficiency (% 99.39–12.03).
When all the results were analyzed, the electrical pretreatment increased the mass transfer rate and the energy efficiency of osmotic dehydration process. In addition, ÇEİ process provided higher energy and exergy efficiency than TEİ process in low voltage gradient.  It is thought that there is an highly potential for the application of electrical pretreatments prior to the osmotic dehydration in industrial scale.
Keywords: electrical, osmotic, modeling, simulation, exergy, mass transfer, energy