Mikrodalga uygulama ile ısıl işlem sırasında sıvı ürünlerin sıcaklık değişimi ve sıcaklığın tekdüzeliği üzerine ürün dönme hızı ve viskozitesinin etkisi
Effects of rotation rate and viscosity on temperature increase and uniformity during microwave thermal processing of liquids
Yazar: HÜSEYİN TOPÇAM
Danışman: PROF. DR. FERRUH ERDOĞDU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Sıvı ürünlerin endüstriyel olarak ısıl işleminde genellikle konveksiyon ve kondüksiyon ile ısı transferine dayalı geleneksel sistemler kullanılmaktadır. Bu sistemlerle yapılan ısıl işlemlerde sterilizasyon ya da pastörizasyon değerine ulaşılması için gerekli proses süresince ürün içerisinde fazla işlem görmüş bölgeler oluşmaktadır. Bunun engellenmesi için endüstriyel üretimde mikrodalga kullanımına yönelim vardır. Ancak, mikrodalga sistemlerde, proses süresinde kısalma ve hacimsel ısınma gibi avantajlar olsa da ürün içerisinde meydana gelen tekdüze olmayan elektromanyetik alan dağılımı sebebiyle tekdüze olmayan bir sıcaklık dağılımı ortaya çıkmaktadır. Bunun engellenmesi için bu çalışmada, kesikli-sistem mikrodalgada elektromanyetik alan ve sıcaklık dağılımının belirlenmesi için bir matematik model geliştirilmiş, oluşturulan model iki farklı visikoziteye sahip olan su ve % 0,5 CMC çözeltisi için deneysel olarak doğrulanmış ve sonrasında model endüstriyel sürekli-akış mikrodalga sistem tasarımında kullanılmıştır. Tasarlanan sistemde ürün olarak tüm-sıvı yumurta kullanılmış ve ürüne verilen yatay dönme hareketi sayesinde ürün içerisindeki sıcaklık dağılımının tekdüze hale getirilmesi hedeflenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda 4000 W mikrodalga gücünde çalışan ve ürün akış hızı 0,5 m/s olan sistemde dönme hızının ürün içerisindeki sıcaklık dağılımına etkisinin olumlu ve etkili olduğu belirlenmiştir. Sonrasında bu sistem geometrisi, mikrodalga enerjisinin daha verimli kullanılabilmesi için optimize edilmiş ve optimize edilen sistemde de ürün çıkış sıcaklık profilinin farklı dönme hızlarında daha tekdüze olabilmesi için sistem gücü ve sisteme ürün giriş hızı optimize edilerek endüstriye ilham vermesi ve üniversite-sanayi iş birliğini artırması umut edilen bir sistem tasarlanmıştır ve 8 rpm dönme frekansında çalışan bu sistemde, sistem çıkışında 0,6°C sıcaklık farkı elde edilmiştir.

Abstract:
For thermal processing of liquid products, conventional methods, based on conductive and convective heat transfer, have been used. With these systems, it is common to face over-processing while trying to obtain the required lethality values. For this reason, use of innovative systems like continuous microwave systems are getting popular for industrial processes. Even though microwave systems have advantages like shorter process time and volumetric heating, it has also disadvantages like formation of non-uniform temperature distribution inside product due to the non-uniform electromagnetic field. In this study, a lab-scale microwave system was used to develop a mathematical model, and this model was experimentally validated using 2 liquids with different viscosities (water and 0.5 % CMC solution). After experimental validation, this model was used to design a continuous microwave system where liquid egg was the processed product. In this system, with the applied rotation, temperature distribution was aimed to be uniform. The effect of rotation rate on temperature uniformity in this system with 4000 W microwave power and 0.05 m/s inlet velocity was found to improve the uniformity. Then, geometry of this system was optimized for maximum energy absorption and used for optimization of microwave power and inlet velocity with the objective of achieving temperature uniformity at the exit of the system. As a result of the optimization studies, the 8 rpm rotation rate was determined to reduce the temperature difference at the exit of the system below 0.6 °C. The results of this study are planned to share with the stakeholders to develop further academy-industry partnered projects.