Gönderen Konu: Mikrodalga Isıtma  (Okunma sayısı 13678 defa)

Çevrimdışı Efe Canturk

  • Acemi Üye
  • **
  • İleti: 92
    • Profili Görüntüle
Mikrodalga Isıtma
« : 05 Aralık 2007, 01:32:28 »
Özet:
Mikrodalga, frekans spektrumu 1 Gigahertz(109 Hertz) ile 300 Gigahertz arasında değişen elekromanyetik dalgaları tanımlamak için kullanılan bir terimdir. Yaklaşık yarım yüzyıldır süregelen araştırmalar sonucunda, mikrodalga kullanımı insan hayatına teknolojik ekipmanlar sayesinde yaygın bir biçimde girmiştir. Bu ekipmanlardan televizyon, radyo, telsiz, telefon ve uyduyu haberleşme alanında, radarı askeri ve sivil güvenlik alnında, teleskopu astronomi alanında, osiloskopu tıpta, mikrodalga fırını gıda teknololojisi alanında ve birçok gelişmiş aleti bilimsel araştırmalarda insanlık kullanmaktadır.
Laboratuar ortamında yapılan deneyde mikrodalganın gıda teknololojisindeki kullanımı üzerine çalışılmıştır. Geleneksel ısıtma ile mikrodalga ısıtmanın verim, süre ve homojen dağılım açılarından karşılaştırılması, reçel üretiminin mikrodalga ile yapılması bu deneyde amaçlanmıştır. Sonuçta mikrodalga ısıtmanın daha verimli bir şekilde, kısa sürede homojen bir ısıtma sağladığı gözlemlenmiştir. Üretilen reçelin ise tat ve kıvam açılarından geleneksel yöntemler kadar başarılı olduğu, üretim süresinin ise daha kısa olduğu saptanmıştır.

Giriş ve Literatür Araştırması:
Elektromanyetik yelpaze içinde değişik isimlerle incelenen ışınlar temelde dalgalar halinde yayılan ışınlardır ve elde ediliş yöntemleri, ışının etki özelliği, geleneksel ve fizyolojik özelliklerine göre birbirinden ayrılırlar. Elekromanyetik ışınların dalga boyları ve frekanslarıyla tanımlandığı ve enerjinin dalga frekansı ile doğru, dalga boyu ile ters orantılı olduğu bilinmektedir. Şekil 1’de gösterildiği gibi kızıl ötesi ışınlar ile radyo dalgaları arasında yer alan dalgalara mikrodalgalar adı verilmektedir.

1022 1017 1016 1015 1013 1010 10
c ve g ışınları Mor ötesi ışınlar Görünür ışık Kızıl ötesi ışık MIKRODALGA Radyo
Şekil1: Elektromanyetik yelpaze

Şekil-1’ de gösterildiği gibi genel olarak kızıl ötesi ışınlarla radyo dalgaları arasında yer alan, 3-30000 MHz frekanslı dalgalara mikrodalgalar adı verilmektedir.
Mikrodalgalar, radyo ve televizyon yayınlarında kullanılan dalgalara yakın olduğundan, kullanım sırasında ortaya çıkabilecek etkileşimleri önlemek için sadece, ulusal veya uluslar arası telekomünikasyon komisyonlarınca onaylanmış frekanslardan ısıtma amacıyla yararlanılır. Genel olarak ISM (Industrial, Scientific, Medical) bantlar olarak bilinen bu ışınlar 896, 915, 2450, 5800 ve 24125 MHz frekanslı ışınlardır. Gıda sanayiinde kullanılan mikrodalga ışınlar, ev tipi fırınlarda 2450 MHz, sanayide 915 MHz frekanslı ışınlardır.
Mikrodalga üretimi için magnetron adı verilen elektronik cihazlar kullanılır. Mikrodalgalar temas ettikleri madde ile etkileşime girerler. Örneğin, absorbe edilir, yansıtılır veya hiçbir değişikliğe uğramadan yoluna devam ederler. Mikrodalgalar gıda maddeleri tarafından absorbe edildiği zaman elektromanyetik enerji, ısı enerjisine dönüşmek suretiyle azalır. Bu özellik “kayıp faktörü” olarak ifade edilir. Gıda maddesinin elektrik enerjisini depolama özelliği ise “dielektrik sabit” ile tanımlanır. Mikrodalga uygulamasında etki kalınlığı kullanılan ışının dalga boyu ve maddenin dielektrik özelliklerine bağlıdır. Genel olarak dalga boyu uzadıkça etki kalınlığı artar. 915 MHz’de ışınların etki kalınlığı yaklaşık olarak 30 cm, 2450 MHz’de 10 cm’dir. Mikrodalgaları absorbe eden gıda maddelerinde ısınma moleküler sürtünme sonucu oluşur. Magnetron ile üretilen mikrodalga ışının pozitif ve negatif merkezlerinin yön değiştirmelerine paralel olarak, üründe bulunan polar moleküller yön değiştirirler. Saniyede milyonlarca kez oluşan bu hareket sonucu moleküler sürtünme ısısı açığa çıkar ve madde ısınır. Mikrodalgaların etki edebildiği kalınlıktaki tüm molekülleri aynı anda hareketi ısınmanın ani ve homojen olmasını sağlar. Mikrodalga ile ısınma mikrodalganın gücü, gıda maddesinin özgül ısısı, şekle, yüzey alanı ve sıcaklığına bağlı olarak değişir.
Geleneksel ısıtma metotlarında ısı, gıda maddesine kondüksyon, konveksyon ve/veya radyasyon ile transfer olur. Tersine mikrodalga ısıtmada ısı direkt olarak gıda maddesinin içine girer. Bu yüzden mikrodalga ısıtmada geleneksel ısıtmaya göre daha hızlı bir ısı artışı gözlenmektedir.
Mikrodalga ısıtma sisteminin geleneksel ısıtma sistemlerine göre çok pahalı olması nedeniyle Türk gıda işletmeleri genelde bu yöntemi kullanmamaktadırlar (Ekler: Şekil 4). Ancak mikrodalga ısıtma ile pişirme, haşlama, kurutma, pastörizasyon, buz çözme, sterilizasyon ve temperleme gibi işlemler yüksek verimle kısa zamanda yapılabilmektedir. Pişirme işlemi kısa zamanda, gıda maddesinin her noktasında homojen bir ısı dağılımı oluşturularak yapılan bir işlemdir. Işlemin süresi pişirilecek gıdanın su içeriğine, yoğunluğuna, dielektrik kayıp faktörüne, kütlesine bağlıdır. Kurutma: Gıda maddesinin su içeriğinin uçurulması için uygulanır. Makarna üretiminde kullanılır ancak pahalı bir yöntemdir. Pastörizasyon ve sterilizasyon: Paket içinde hazırlanan ve klasik sterilizasyon işlemleri için uygun olmayan gıda maddeleri için kullanılır. Mikrodalga işlemi küf, maya ve ısıya dayanıklı mikroorganizmalara karşı etkilidir. Buz çözme: Donmuş ürününün kullanım derecesine getirmek için kullanılan işlemdir. Ayrıca ürünler paketlerinden çıkarılmadan mikrodalga fırında ısıtma işlemine tabi tutulabilirler. Temperleme: Donmuş ürünlerin sıcaklığını, suyun donma derecesinin biraz altına kadar çıkarma işlemidir.
Mikrodalga fırında ısıtma yapılmak istendiğinde, megatron tarafından gönderilen dalgaları yansıtan malzeme(metal) kullanılmamalıdır. Yansıyan dalgalar elektrik arkı oluşturabilmekte ve patlamaya sebep verebilmektedir. Mikrodalga ısıtmada küçük örneklerin ısıtılması sırasında esmerleşme olmaması bir problemdir. Bu sorunu çözmek için bazı fırınlara esmerleşme elementleri eklenmiştir. Fazla pişirme ise mikrodalga kullanımında yapılan çok genel bir hatadır. Bu yüzden ısıtma zamanlaması iyi yapılmalıdır. Zira yüksek enerji seviyelerindeki ısıtma küçük miktarları çok kısa sürede pişirebilir. Hızlı pişirme yüzünden bazı dokuların kırılması sağlanamaz; bu ise, örneğin ette sert yapı oluşumunu sağlar. Mikrodalganın avantajı olan hızlı ısıtma, bir seferde fırına çok fazla gıda yerleştirilmesi yüzünden kaybolmaktadır.

Materyal ve Metot:
Materyal:
• Mikrodalga fırın
• Cam ve plastik beherler
• Termometre
• Patates (1 adet soyulmamış, 2 adet küp şeklinde kesilmiş)
• Elma
• Şeker
• Limon
• Bıçak
• Cam kaplar
• Terazi
• Kronometre
• Refraktometre

Metot:
Mikrodalga fırınlarının verimliliğinin belirlenmesi
• 500 ml su bir behere transfer edilmiştir.
• Suyun sıcaklığı ölçülüp kaydedilmiştir.
• Beher mikrodalga fırına konulmuş ve fırın tam kapasite çalıştırılmıştır.
• Iki dakikalık ısıtma sonunda beher fırından çıkarılmış ve hemen suyun sıcaklığı ölçülmüştür.
• Gözlenen sıcaklık artışı değerinden su tarafından absorbe edilen güç hesaplanmıştır.
• Fırın tarafından sağlanan güç bulunarak mikrodalga fırının güç verimi hesaplanmıştır.
Mikrodalga ile ısıtılan gıdalardaki sıcaklık değişkenlerinin incelenmesi
• Cam beher su ile doldurularak mikrodalga fırının merkezine yerleştirilmiş ve beş dakika ısıtılmıştır.
• Isıtma süresi sonunda beher fırından çıkarılmış ve hemen 700-550-400-200 ml seviyelerinden sıcaklık ölçümü yapılmıştır.
• Patates örneği yıkanıp kurutulduktan sonra kabuğu birkaç yerden delinmiş ve kağıt havluya sarılarak mikrodalga fırına yerleştirilmiştir.
• 10 dakika sürekli ısıtma sonunda patates örneğinin (kabuk altından, kabuk-merkez arasından, merkezden olmak üzere) üç farklı bölgesinden sıcaklık ölçümü yapılmıştır.
• Farklı derinliklerdeki ve şekiller arası sıcaklık farklılıkları yorumlanmıştır.
Farklı ısıtma yöntemlerinde ısı etkinliği
• Iki büyük patates alınarak bunlardan kenarları 4-5 cm olan birer küp kesilmiştir.
• Bu patates küplerinden bir tanesi, içinde 500 ml su bulunan bir beher içine koyulmuş ve elektrikli ısıtıcıda 10 dakika ısıtma uygulanmıştır.
• Diğer patates küpü de içinde 500 ml su bulunan bir beher içine koyulmuş ve mikrodalga ısıtıcıda 10 dakika ısıtma işlemi uygulanmıştır.
• Her iki yöntemle ısıtılan patateslerin yüzey ve merkez sıcaklıkları ısıtma süresi sonunda ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır.


Elma reçeli üretimi
• Elmaların kabukları soyulup çekirdekleri çıkarılmış ve tüm kusurlu kısımları uzaklaştırılmıştır.
• Elmalar küçük parçalar halinde dilimlenmiştir
• 250 gram elma önceden darası alınmış plastik kaba aktarılmıştır.
• Üzerine 275 gram toz şeker karıştırılmadan ilave edilmiştir.
• 10 dakika mikrodalga fırında ısıtma sonunda plastik kap fırından alınmış ve 10 ml limon suyu karıştırılarak ilave edilmiştir.
• Ürün 250C’ye kadar soğutulmuştur.
• Soğutma sonunda reçel ağırlığı belirlenerek su kaybı ve verimi hesaplanmıştır.
• Refraktometre ile kuru madde içeriğine bakılmıştır.
• Elde edilen reçel geleneksel yöntemlerle yapılan reçel ile karşılaştırılmıştır.

Sonuçlar:
• Mikrodalga fırınlarının verimliliğinin belirlenmesi
Beher içinde bulunan 500 ml suyun sıcaklığı 210C olarak ölçülmüştür. Mikrodalga fırında 2 dakikalık ısıtma sonrası ölçülen suyun sıcaklığı ise 590C bulunmuştur. Mikrodalga fırının gücü ise 1400W olarak bilinmektedir.
Mikrodalga fırının verimliliği E=A/r formülü ile hesaplanır. Bu formülde E fırının verimliliğini, A kW cinsinden ısıtılan materyal tarafından absorbe edilen gücü ve r ise kW cinsinden ısı kaynağı tarafından sağlanan gücü temsil etmektedir.
Isıtılan materyal tarafından absorbe edilen güç ise P=(m*T)/(14.4*t) formülü ile hesaplanır. Burada, m kg cinsinden su miktarını, T 0C cinsinden sıcaklık artışını, t ise dk cinsinden ısıtma süresini belirtmektedir.

Tablo1: Deney verileri
m(kg) T1(oC) T2(oC) T(oC) t(dk) r (W)
0,5 21 59 38 2 1400

Bu verilere göre ısıtılan materyal tarafından absorbe edilen güç;
P=(0.5*38)/(14.4*2)=0.65972kW olarak bulunur.
Bu değer kullanılarak fırının verimi ise;
E=0.65972/1.4=0.47123 è %47 bulunur.


• Mikrodalga ile ısıtılan gıdalardaki sıcaklık değişkenlerinin incelenmesi
Beher içinde bulunan suyun mikrodalga fırında 5 dakika ısıtılmasından sonra 700, 550, 400 ve 200 ml seviyelerinde ki sıcaklıkları ölçülmüş ve Tablo2’deki değerler bulunmuştur.
Tablo2: Farklı beher derinliklerindeki suyun sıcaklık değişimleri
Seviye(ml) Sıcaklık(oC)
700 83
550 84
400 79
200 76

Kabuğu soyulmamış patates örneğinin mikrodalga fırında10 dakika ısıtılmasından sonra örneğin 3 farklı derinliğinden sıcaklık ölçümü yapılmış ve tablo3’deki değerler bulunmuştur.

Tablo3: 10 dakika ısıtılan patates örneğinin sıcaklık değişimleri
Derinlik Sıcaklık(oC)
Kabuk altı 89
Kabuk –merkez arası 97
Merkez 97,7


Şekil2: Seviye-sıcaklık grafiği
Şekil3: Seviye-sıcaklık grafiği

Yukarıdaki grafiklerden de anlaşılacağı gibi ısıtılan ürünlerin merkezleri diğer bölgelere oranla daha sıcaktır. Ayrıca pişirilen patatesin yapısının ve tadının istenilen özelliklerde olduğu saptanmıştır.
• Farklı ısıtma yöntemlerinde ısı etkinliği
Küp şeklinde hazırlanmış iki adet patates örneğinin 500ml su içinde ayrı ayrı 10 dakika elektrikli ısıtıcı ve mikrodalga fırında ısıtılmasıyla elde edilen sıcaklık değerleri tablo4’de gösterilmiştir.
Tablo4: Isıtıcı tipleri-sıcaklık tablosu
Elektrikli Isıtıcı Mikrodalga Fırın
Yüzey sıcaklığı 27,2oC 86oC
Merkez sıcaklığı 27,7oC 94oC
Tablodan anlaşılacağı gibi mikrodalga fırının ısıtma etkisi aynı süre için elektrikli ısıtıcıya göre daha fazladır. Aynı zamanda merkez sıcaklığının her iki ısıtma yönteminde yüzey sıcaklığından yüksek olduğu aşikardır.

Elma reçeli üretimi
250 gram elma+275 gram şeker+10 gram limon suyu= 535 gram hammadde kullanılarak reçel üretimi yapılmıştır. Üretilen reçel miktarı ise 423.15 gram olarak belirlenmiştir. Bu verilere göre;
Su kaybı è535-423.15=111.85 gram,
Işlem verimi è(423.15/535)= 0.7909345794 è %79.09 olarak bulunmuştur.
Ayrıca refraktometre kullanılarak reçelin kuru madde oranına bakılmış ve 76obrix bulunmuştur.
Üretilen reçelin duyusal özelliklerinin(tat, koku, kıvam, aroma) geleneksel yöntemle üretilenler kadar kaliteli olduğu gözlemlenmiştir.

Tartışma:
Yapılan deney sonucu bulunan 0.47 değeri mikrodalga fırının verimliliği için ideal bir verimdir. Bulunan mikrodalga verimi elektrikli ısıtıcıların verimi ile karşılaştırıldığında oldukça yüksek bir değer olarak gözlemlenmektedir. Verimin yüksek olması işletmeye, proses süresi ve proseste harcanan enerji açılarından avantaj kazandırmaktadır. Kısaca mikrodalga işleminin daha ekonomik olduğu belirlenmiştir.
Mikrodalga ile ısıtılan suyun sıcaklığı derinlik arttıkça azalmıştır. Ancak ölçüm sırasında yapılan bekleme ve hatalar yüzünden 700ml seviyesinin sıcaklılığının 550ml seviyesindeki sıcaklıktan düşük olmasına sebep vermiştir. Yüzey sıcaklığının yüksek olması ise magnetrondan gelen enerjinin direkt olarak su tarafından (cam engeli ile karşılaşmadan) absorbe edilmesiyle açıklanmıştır. Ayrıca patestes deneyinde merkez sıcaklığının daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Isının homojen dağıldığıda belirlenmiştir.
Mikrodalga ve geleneksel yöntemle ısıtmalar deneyinde ise mikrodalga ısıtmanın verimliliğinin yüksek olduğu ve daha homojen bir ısıtma sağlandığı kesin bir şekilde ortaya çıkmıştır. Ayrıca her iki yöntemdede merkez sıcaklıklarının daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.
Mikrodalga ısıtma ile üretilen reçelin geleneksel yöntemle üretilen reçelden farklı bir özelliği saptanmamıştır. Kıvamı dengelemek ve mikrobiyal yükü azaltmak için limon suyu ilave edilmiştir. Meydana gelen su kaybı yüzünden kuru madde miktarı yüksek çıkmıştır.
« Son Düzenleme: 06 Aralık 2014, 13:34:51 Gönderen: admin »

Mühendis Forum

Mikrodalga Isıtma
« : 05 Aralık 2007, 01:32:28 »