Buğday ununun radyo frekansı ile ısınma homojenliğinin artırılmasına yönelik deneysel yaklaşım geliştirilmesi ve sayısal olarak incelenmesi
Development of an experimental approach to enhance the radio frequency heating uniformity of wheat flour and numerical investigation
Yazar: WELAT MİRAN
Danışman: PROF. DR. TUNÇ KORAY PALAZOĞLU
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Buğday unu = Wheat flour ; Doğrulama = Verification ; Homojenleştirme = Homogenization ; Modelleme = Modelling ; Radyo frekanslı tanıma = Radio frequency identification

Özet:
Dielektrik ısıtma mekanizmasıyla ısıtma sağlayan radyo frekansı (RF) sistemlerin hızlı, seçici ve hacimsel ısıtma özelliklerinin yanı sıra büyük hacimli gıdalara penetre olabilmesi, birçok gıda prosesinde başarıyla kullanılabilmesini sağlamaktadır. Bu özellikleri sayesinde gıdanın kalitesini koruduğu ve kimyasal yöntemlere kıyasla çevre dostu bir sistem olduğu belirtilmektedir. Ancak RF sistemlerin gıda endüstrisinde kullanımını sınırlayan en önemli faktör, RF ısıtmada karşılaşılan en önemli sorun olan homojen olmayan ısıtma olarak gösterilmektedir. Bu çalışmada RF ısıtmanın homojen olmayan ısıtma problemine çözüm geliştirmek için yeni bir deneysel yaklaşım geliştirilmiştir. Bu kapsamda düşük nemli gıdalar için model gıda olarak kabul edilen buğday unu kullanılmıştır. Geliştirilen yaklaşımda, buğday ununun çevresinde dielektrik sabiti yüksek bir ortamın bulundurulması durumunda buğday unun ısınma davranışı incelenmiştir. Buğday unu (yaklaşık 800 kg/m3) strafor bir kutuya blok olacak şekilde yerleştirilmiş ve buğday ununun tüm yüzeylerinde strafor ile ısı yalıtımı sağlanmıştır. Bu sayede buğday unun sadece elektrik alan etkisiyle ısınma davranışı incelenmiştir. Çalışma kapsamında buğday unun RF sistemde (27.12 MHz) ısıtma prosesi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. RF ısıtma işlemi COMSOL Multiphysics (V.5.4. Comsol AB, Stockholm, Sweden) yazılımı kullanılarak modellenmiştir. Model ile deney arasındaki uyum, karekök ortalama hata değeriyle karşılaştırılmış ve model, deneysel olarak doğrulanmıştır. Ayrıca çalışmada gıdanın ısınma homojenliğini sayısal olarak değerlendirebilmek için homojenlik indeksi değeri iki farklı yaklaşım ile hesaplanmıştır. Çalışmada geliştirilen yaklaşım ile buğday ununda sıcaklığı takip edilen dört nokta arasındaki sıcaklık farkı 27 °C'lerden 5°C'nin altına indirilmesi sağlanmıştır. Çalışmada ortaya atılan yaklaşım ile RF sistemde gıdanın ısınma homojenliği artırılmıştır. Ayrıca, model verileri ile elektrik alan yönelimleri ortaya konmuştur. Deney ve model sonuçları ile ortaya konulan bilgiler, radyo frekansının gıda endüstrisinde kullanımını artırılmasına katkı sunması beklenmektedir.

Abstract:
Radio frequency systems provide heating with a dielectric heating mechanism. They can penetrate large volumes of food, in addition to the fast, selective, and volumetric heating properties of radio frequency (RF) systems it ensured that can be used successfully in many food processes. Thanks to these features, it is stated that it preserves the quality of the food and is an environmentally friendly system compared to chemical methods. However, the most important factor limiting the use of RF systems in the food industry is shown as non-uniformity heating, which is the most important problem encountered in RF heating. In this study, a new experimental approach has been developed to solve the non-uniformity heating problem of RF heating. In this context, wheat flour, which is accepted as a model food for low moisture foods, was used. In the developed approach, the heating behavior of wheat flour was investigated in the 
presence of an environment with a high dielectric constant around the wheat flour. Wheat flour (approximately 800 kg/m3) was placed in a polystyrene box as a block and all surfaces of wheat flour provided heat insulated with polystyrene. In this way, the heating behavior of wheat flour only with the effect of the electric field was investigated. Within the scope of the study, the heating process of wheat flour in the RF system (27.12 MHz) was investigated experimentally and numerically. The RF heating process was modeled using COMSOL Multiphysics (V.5.4. Comsol AB, Stockholm, Sweden) software. The agreement between the model and the experiment was compared with the root mean square error value and 
the model has been validated experimentally. In addition, in the study, the uniformity index value was calculated with two different approaches, in order to evaluate the heating uniformity of the food numerically. The approach developed in the study, the temperature difference between the four points whose temperature is monitored in wheat flour was reduced from 27 °C to below 5°C. The approach put forward in the study, the heating uniformity of the food was increased in the 
RF system. In addition electric field orientations are put forward with the model data. It is expected that the information put forward by the results of the experiment and model will contribute to increasing the use of radio frequency in the food industry.