Yeni tip püskürtmeli kurutucuda ısı ve kütle transferinin incelenmesi
Investigation of heat and mass transfer in new type spray dryer
Yazar: SİNEM IŞIK
Danışman: PROF. DR. CENGİZ YILDIZ
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kurutma, ürünün içeriğinde bulunan nemi uzaklaştırma işlemidir. Gıdaların kalitesini bozmadan raf ömrünü uzatmak için kullanılan en eski ve ucuz yöntemlerden birisidir. Kurutulmuş ürünün ağırlığı azaldığından dolayı, taşınabilme ve paketleme kolaylığı sağlamaktadır. Kurutma işlemi gıda, kimya, ilaç ve tarım gibi sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kurutma işlemi için mikrodalga, vakum, dondurarak, hibrit ve püskürtmeli kurutma gibi birçok kurutma yöntemi kullanılmaktadır.
Gıda sanayisinde toz ürün elde etmek için en yaygın kullanılan yöntemlerden biri püskürterek kurutmadır. Püskürtmeli kurutma yöntemi daha çok ısıya duyarlı malzemelerin kurutulması için kullanılmaktadır. Püskürterek kurutma işleminde ürün, sıcak hava bulunan kurutma bölmesine atomizer aracılığıyla parçalanarak püskürtülmektedir. Böylelikle, atomizerden püskürtülen ürün geniş bir yüzey kazanmış olur. Bu işlemde, atomize edilerek oluşturulan parçacık sıcak hava ile temas eder. Bu şekilde geniş bir yüzeye yayılan ürünün kuruması daha hızlı ve sıcak hava ile daha az temas ile gerçekleşir. Püskürtmeli kurutma işlemi, sıvı ürünün püskürtülmesi, püskürtülen damlacıkların sıcak hava ile temas ettirilmesi ve sıcak hava ile kuruyan toz taneciklerinin gaz akışından ayrılarak toplanması aşamalarından oluşmaktadır. Püskürterek kurutma işleminde ısı ve kütle transferi, kurutma odasında birbirleriyle temas etmeleri sağlanan damlacıklar ve sıcak hava arasında gerçekleşir. 
Bu çalışmada, sıvı ürünleri kuruturken duvarlara yapışmayı azaltmak, enerji kaybını düşürmek ve ürün miktarını artırmak amacıyla kurutma odasına pervane yerleştirilerek yeni tip püskürtmeli kurutucu geliştirilmiştir. Yeni geliştirilen püskürtmeli kurutucu ve standart püskürtmeli kurutucuda süt, domates ve elma suları kurutulmuştur. Deneyler, üç nozul çapı (0.5 mm, 1.5 mm ve 2.5 mm) ve üç giriş havası sıcaklığı (140 °C, 170 °C ve 200 °C) kullanılarak yapıldı. Standart ve geliştirilmiş püskürtmeli kurutucularda, sıvı numunelerin kurutulması sırasında kurutma ve ürün odası içerisindeki hava sıcaklıkları, odaların cam sıcaklıklarının diferansiyel değişimi ile çıkış havasının sıcaklığı, nem içeriği ve hızı belirlenmiştir. 
Standart ve yeni geliştirilmiş püskürtmeli kurutucuların farklı parametrelerdeki kurutucu termal verimlilikleri, elde edilen toz ürün miktarları, tozların nem içerikleri, parçacık morfolojisi, parçacık boyutları ve SEM (taramalı elektron mikroskobu) görüntüleri incelenmiştir. Geliştirilmiş püskürtmeli kurutucuda kurutma odasına yerleştirilen pervanelerin, kurutma havasının akış yönünü değiştirdiği, spiral bir akış oluşturduğu ve kurutma duvarlarının sıcaklığını azalttığı görülmüştür. Bu manipülasyon kurutmada ısıl verimin ve ürün veriminin artmasına yol açmıştır. Ayrıca, geliştirilmiş püskürtmeli kurutucuda toz parçacıklarının kurutma duvarına ve birbirlerine yapışması önemli oranda azaltılmıştır. 
Her iki tip kurutucuda da nem içerikleri %0.2-5 arasında olan süt, domates ve elma suyu tozları elde edilmiştir. Geliştirilmiş kurutucuda elde edilen tozların nem içerikleri standart kurutucudakilerden daha düşük olmuştur. Standart ve geliştirilmiş püskürtmeli kurutucuda süt kurutulmasında taşıyıcıya gerek duyulmamıştır. Ancak, verimli bir kurutma için domates suyu kurutulmasında %25 oranında maltodekstrin kullanılmıştır. Elma suyu için ise %25, %60 ve %80 oranlarında maltodekstrin kullanılmış ve verimli bir ürün eldesi için %80 oranının uygun olduğu görülmüştür.
Yeni geliştirilen kurutucu ile sıvı numunelerin kurutulmasıyla elde edilen toz ürünler miktar olarak daha fazla olmuştur. Ayrıca, geliştirilmiş kurutucuda elde edilen toz ürünlerin tane yapısının daha düzgün ve homojen bir yapıda olduğu ve birleşme olmadığı görülmüştür.

Abstract:
Drying is the process of removing the moisture present in the product. It is one of the oldest and cheapest methods used to extend the shelf-life of foods without deteriorating the quality thereof. As the weight of the dried product is reduced, it provides ease of transport and packaging. The process of drying is widely used in sectors such as food, chemistry, medicine and agriculture. During this process, heat and mass transfer occur simultaneously. Many drying methods are used for drying, such as microwave, vacuum, freeze, hybrid and spray drying. 
One of the most commonly used methods to obtain powder products in the food industry is spray drying. The spray drying method is mostly used for drying of the heat sensitive materials. In the spray drying process, the product is sprayed into the drying chamber with hot air by being disintegrated by means of an atomizer. Thus, the product sprayed from the atomizer will have a large surface. In this process, the atomized particle comes into contact with hot air. The product that is spread on a large surface this way, is dried faster and with less contact with hot air. The spray drying process comprises the steps of spraying the liquid product, contacting the sprayed droplets with the hot air and collecting the hot air-dried powder particles separated from the gas stream. In the spray drying process, heat and mass transfer takes place between the droplets and the hot air, which are allowed to contact each other in the drying chamber.
In this study, a new type of spray dryer was developed by placing a propeller in the drying chamber in order to reduce adhesion to the walls, decrease energy loss and increase the amount of product while drying liquid products. Milk, tomato and apple juices were dried in the newly developed spray dryer and a standard spray dryer. Experiments were carried out by using three nozzle diameter (0.5 mm, 1.5 mm and 2.5 mm) and three inlet air temperature (140 °C, 170 °C and 200 °C) throughout the study. In standard and improved spray dryers, while drying the liquid samples, the temperature of the air in the product chamber, the differential temperature of the chamber glass, the temperature, moisture content and velocity of the outlet air were determined.
Dryer thermal efficiencies of the standard and newly developed spray dryers, the amount of powder products obtained, the moisture content of the powders, particle morphology, particle sizes and SEM (Scanning Electron Microscope) images were investigated. It has been found that the propellers placed in the drying chamber in the improved spray dryer change the flow direction of the drying air, create a spiral flow and reduce the temperature of the drying walls. This manipulation has lead to increased thermal efficiency and product yield in drying. Furthermore, the adhesion of the powdered particles to the drying wall and to each other in the improved spray dryer was significantly reduced.
Milk, tomato and apple juice powders with moisture content of 0.2-5% were obtained in both types of dryer. The moisture content of the powders obtained in the improved dryer was lower than that in the standard dryer. No carrier was required to dry milk in standard and improved spray dryer. However, 25% of maltodextrin was used in the drying of tomato juice for efficient drying. For apple juice, 25%, 60% and 80% maltodextrin was used and 80% was found to be suitable for efficient product acquisition.
The amount of powder products obtained by drying the liquid samples with the newly developed dryer was greater in quantity. In addition, it was observed that the grain structure of the powder products obtained in the improved drier was more uniform and homogenous and did not combine.