Hacettepe Üniversitesi
Gıda Mühendisliği Bölümü

GM 362 Gıda Makine ve Ekipmanları 2 0 2 kredi

1.hafta

Yrd.Doç.Dr. Ali TOPCU

Yararlanılan Kaynaklar

Gıda Endüstrisi Makineleri

İlbilge Saldamlı, Engin Saldamlı, 2.baskı, Savaş Kitapevi, Ankara, 2004, 547 sayfa.

Gıda Makine ve Ekipmanları dersinde,

1.hafta: Gıdaların temel özellikleri ve üretiminde kullanılan ilkeler

2. hafta: Hammadde hazırlık makineleri (tartma ve ölçme aletleri, taşıma ve iletim düzenleri)

3. hafta: Hammadde hazırlık makineleri (gıda ön işlem ve temizlik makineleri), üretim makineleri (sınıflama ve ayırma makineleri)

4. hafta: Üretim makineleri (karıştırma ve karışımlama makineleri, boyut küçültme makineleri)

5. hafta: Isıl işlem makine ve ekipmanları

6. hafta: Evaporatorler, dearatörler, deodorizatörler

7. hafta: Kondensörler, haşlama, kızartma, pişirme ve kavurma makine ve ekipmanları

8. hafta: Işınlama, ohmik ısıtma, yüksek basınç, titreşimli elektrik alanı makine ve ekipmanları, kurutma işlemi ve dehidratörler

9. hafta: Ambalaj ve ambalajlama makineleri (gıda ambalajında malzemeden istenilen özellikler, sert ve esnek ambalajlar)

10. hafta: Ambalaj ve ambalajlama makineleri (yıkama, doldurma ve kapama  makinaları), aseptik ambalajlama, gıdaların kontrolü ve modifiye atmosferde ambalajlama, ambalajlamada bar kod sistemi

11. hafta: Sistem temizliği (temizlik maddeleri, temizlik işlemi, otomatik temizleme sistemleri)

12. hafta: Otomasyon ( otomasyon gereksinimi, kontrol sistemleri)

13. hafta: Fabrika kuruluş teknikleri (etüt ve çalışmalar, yerleşim planının yapılması)

Bu derste,

Gıda Endüstrisi ve Gıda Bilimi

Gıdaların temel özellikleri ve üretiminde kullanılan ilkeler

Faz geçişi, yoğunluk ve özgül ağırlık

Akış tipleri, viskozite, yüzey aktiflik

Emülsiyon, sıvı dispersiyonlar

Reoloji ve tekstür

Kütle aktarımı, kütle denkliği gibi konular anlatılacaktır.

Açlık ve Kıtlık

Dünya tarihinde açlık ve kıtlık her zaman olmuştur.

Son yüzyılda dünya nüfusunun hızla artması nedeniyle tarım sektöründeki üretim, ihtiyacı karşılayamaz duruma gelmiştir.

Ciddi bir gıda kıtlığı sorunu ile karşı karşıya gelinmiştir.

Dünya Gıda Sorununun Çözümünde,

Tarımsal üretimin arttırılması gerekmektedir.

Tarımsal ürünlerin üretimi ve tüketimi sırasında ortaya çıkan ürün kayıpları en aza indirilmelidir.

Dünyada işlenebilir düşük verimli toprakların yüksek verimli düzeye çıkarılması gerekmektedir.

Deniz kaynaklı yeni gıdaların işlenmesi sağlanmalıdır.

Gıda üretiminde çağdaş teknoloji kullanılmalıdır.

Gelişmiş ülkelerin geri kalmış ve açlık sorunu ile karşı karşıya olan ülkelere yardım etmesi ve gıda kaynaklarının adil olarak paylaşılması gereklidir.

Gıda Bilimi

Hammaddenin yetiştirilmesinden başlayarak tüketime kadar geçen tüm aşamaları kapsar.

Gıdaların özellikleri ve bunların üretim ve sağlıkla olan ilişkilerini ele alır.

Ancak gıdaların özellikleri yağış toprak cinsi ve işlenmesi, gübreleme, ilaçlama yöntemi, bitki ve hayvan karakteristikleri gibi birçok faktöre bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle gıda biliminin tanımı daha kapsamlı olmalıdır.

Gıda Bilimindeki Gelişmeler

Fabrikasyon gıda üretimi artmıştır.

Yeni gıda kaynakları bulunmuştur.

Gıdaların muhafazasında yeni teknikler geliştirilmiştir.

Meyve ve sebzelerden aroma maddeleri ve enzimlerin elde edilmesi sağlanmıştır.

Mikrobiyolojik, kimyasal ve fiziksel bozulmayı önlemek ve besin kaybını minimize etmek amacıyla balık gibi gıdaların yerinde işlenmesi, depolanması ve taşınması sağlanmıştır.

Gıda konusunda yetişmiş insan sayısının artması sağlanmıştır.

Gıda endüstrisi kapsamındaki endüstri dalları

Süt ve Süt Ürünleri Endüstrisi

Hububat ve Hububat Ürünleri Endüstrisi

Et ve Et Ürünleri Endüstrisi

Yumurta Endüstrisi

Bitkisel ve Hayvansal Yağ Endüstrisi

Meyve-Sebze Ürünleri Endüstrisi

Alkollü İçkiler Endüstrisi

Deniz Ürünleri Endüstrisi

Şeker ve Şekerli Ürünler Endüstrisi

Gıda endüstrisinde başlıca birim işlemler

Gıdaların temel özellikleri ve üretimde kullanılan ilkeler

Sıvı, Katı ve Gazların Bazı Özellikleri

Sıvı, gaz ve katıların (toz ve granül olanlar dahil) akışkan formda olanları mühendislikte topluca “akışkan” olarak adlandırılır ve bunlar bir basınç uygulandığında kesiksiz bir biçimde akarlar.

Faz Geçişi

Katı fazdan sıvı faza geçiş ve bunun  tersi genellikle “faz geçişi” olarak bilinir.

Faz geçişleri genellikle faz geçiş sıcaklığında gerçekleşen izotermal bir olay olup, gizli ısının absorpsiyonu veya serbest hale geçmesi yolu ile oluşur.

Suyun evaporasyonda su buharına dönüşü, yine suyun donma, dondurarak kurutma ve dondurarak konsantre edilmesi sırasında buza geçişi ve yağların kristalize olması gibi işlemler bu konudaki belirgin örneklerdir.

Bir diğer faz geçişi, camsı geçiş’tir. Herhangi bir madde camsı faza geçtiğinde kristal hale gelmemekte ancak düzensiz bir sıvı hal durumu kazanmaktadır. Buna örnek olarak katı yağların kristalizasyonu verilebilir.

Yoğunluk

Bir maddenin yoğunluğu, o madde kütlesinin hacmine bölümüne eşittir ve birimi kg/m3’dür.

Yoğunluk sabit olmayıp, basınç ve sıcaklıkla değişir.

Gıdaların yoğunluğu ile ilgili bilgiler seperasyon tekniklerinin kullanıldığı işlemler için büyük önem taşır.

Yoğunlukta farklılık, boyut küçültme ve karıştırma işlemlerinde de önemli etkiye sahiptir.

Sıvıların yoğunluğu, sıvı kitlesinin belirli sıcaklıkta doğrudan sıvının hacmine bölünmesi ile elde edilir

Katı ve tozlar için iki tür yoğunluk kavramı vardır. Bunlardan birincisi taneciğin bireysel yoğunluğudur. Diğeri ise tüm kitlenin yoğunluğu olup bu kitlede yer alan her parçacığın etrafındaki havayı hacimsal olarak içermektedir. Buna kitlesel yoğunluk denir.

Bir maddenin kitlesel (bulk) yoğunluğu onun geometrisine, boyutlarına ve yüzey özelliklerine bağlıdır.

Özgül Ağırlık

Sıvıların özgül ağırlığı sıvı kütlesinin (ve/veya yoğunluğunun) aynı hacimdeki saf suyun kütlesine (ve/veya yoğunluğuna) bölünmesi ile elde edilmektedir.

Akışkan Tipleri

• Akışkan, belli basınç ve sıcaklıkta belli yoğunluktadır.

• Yoğunluk, basınç ve sıcaklığa bağlı ise de bunların değişmesi yoğunluğu az, bazen de çok değiştirir.

• Yoğunluk az değişiyor ise böyle akışkana “sıkıştırılamayan” akışkan denir.

• Gazlar ise “sıkıştırılabilen” akışkanlardır.

Viskozite

Viskozite bir sıvının akışa karşı gösterdiği  direnç olarak tanımlanır. Bir başka deyişle akışkanın (sıvı veya gaz) molekülleri arasındaki çekim kuvvetidir. Akışa karşı gösterilen dirence kesme gerilimi de denir.

Viskozitenin büyümesi akışkanlığı azaltırken, küçülmesi akışkanlığı artırmaktadır.

Çeşitli sıvıların viskozitesi ısıtma, soğutma, konsantre hale getirme gibi işlemlerde değişiktir ve bu durum akışkan halindeki bu gıdaların pompalanması sırasında pompanın gereksinim duyacağı güç açısından önem taşır.

Akışkan tipleri Sıvıları hareket ettiren güce kesme gücü denmektedir.

Hız değişkenliği ise kesme hızı olarak bilinir.

Eğer kesme kuvveti, kesme hızına karşı grafiğe alınırsa çoğu basit sıvıların ve gazların doğrusal bir ilişki gösterdikleri gözlenir ve bu ilişkideki sıvılara da Newtonian sıvılar denir. Örneğin, su, sıvı yağlar, gazlar, şeker ve tuz ile hazırlanan çözeltiler

İlişkinin doğrusal olmadığı akışkanlar ise Non-newtonian olarak adlandırılmaktadır. Örneğin, emülsiyonlar, süspansiyonlar, nişasta, pektin, gam ve protein içeren konsantre çözeltiler gibi.

Non-newtonian akışkanlar

Kesme hızını azaltıcı (Pseudoplastik) sıvılar: Bu sıvılarda kesme hızı arttığında viskozite fonksiyonel olarak düşmektedir. Örneğin emülsiyonlar, süspansiyon özelliği gösteren meyve suları ve püreleri

Genleşen veya genişleyen (Dilatant) sıvılar: Kesme hızı arttığında viskozitesi de fonksiyonel olarak artan sıvılardır. Örneğin sıvı çikolata ve mısır unu süspansiyonu

Bingham veya Casson plastik sıvılar: Bu sıvılarda kritik kesme kuvvetine ulaşılıncaya kadar sıvıda akış görülmez, daha sonra da kesme hızı doğrusal veya doğrusal olmayan özellikte olabilir. Örneğin domates ketçabı

Thixotropik sıvılar: Sürekli kesme kuvveti etkisiyle viskozitesi düşen sıvılardır. Örneğin kremalar

Rheopektik sıvılar: Bu sıvılar da sürekli kesme kuvveti uygulandığında viskozite artmakta ve yapı gelişmektedir. Örneğin çırpılmış krema

Viskoelastik materyaller: Hem viskoz özellik taşır, hem de elastik özellik gösterirler. Kesme direnci kaldırıldığında materyal tümüyle eski haline dönemez ve oluşan deformasyon kalıcı olur. Örneğin hamur, peynir ve jöleli gıdalar

Dinamik ve Kinematik Viskozite

Dinamik Viskozite: Kesme direnci (shear stress) / kesme hızı (shear rate) olarak ifade edilir.

Kinematik Viskozite: Dinamik viskozite /   yoğunluk olarak ifade edilmektedir. Kinematik viskozite, belli bir akışkanın alanı belli olan bir delikten yoğunluğa bağlı olarak akması, bir başka deyişle mutlak viskozitenin yoğunluğa oranıdır.

Yüzey Aktiflik

Bir çok gıda, yapısındaki fazları bağlayan iki veya daha fazla birbirine karışmayan öge içerebilir. Fazlardan biri dispers faz (küçük damlacık ve partikül içeren faz) olarak isimlendirilirken, diğeri kontinü faz (partikülün içinde dağıldığı sıvı faz) olarak bilinir.

Bu sistemlerin tek karakteristiği kontinü faz ile ilişkide olan dispers fazın geniş bir yüzey alana sahip olmasıdır.

Yüzey alanını artırabilmek için sisteme yüksek enerji vermek gerekir. Örneğin yüksek devirli homojenizatör veya mikser gibi aygıtlarda, mevcut partiküller küçültülerek pek çok sayıda yeni bir yüzey alan oluşumu gerçekleştirilir.

Emülgatörler

Akışkanların yüzey gerilimini düşüren ajanlar olarak bilinen kimyasallara genellikle “sürfektan”, “yüzey aktif madde” veya “emülgatör ajan” gibi isimler verilir.

Doğal olarak gıdalarda bulunan sürfektanlar  alkoller, fosfolipidler ve proteinlerdir.

Yapay emülsifiyan ajanlar polar ve non-polar   (apolar) olarak sınıflandırılabilir.

Yapay emülsifiyan ajanlarda suya, çoğunlukla polar uçların bağlandığı gruplar ilgi duyduğundan, bu nedenle o/w emülsiyonu oluştururlar.

Apolar emülsifiyan ajanlar, yağ tarafından adsorbe edilirler ve w/o emülsiyonu oluştururlar.

Emülsifiyan ajanlar hidrofilik-lipofilik denge değerlerine (HLD) göre karakterize edilirler.

HLD değeri düşük olan ajanlar (9’dan az) lipofilikdir ve w/o emülsiyonunda kullanılırlar;

HLD değeri 8-11 arasında olanlar orta düzeydedir ve nemlendirici olarak kullanılırlar.

HLD değeri 11-20 arasında olanlar hidrofiliktirler ve tüm o/w emülsiyonları, deterjanlar ve çözücülerde kullanılırlar.

Emülsiyon tipleri

Gıda endüstrisinde iki tip sıvı-sıvı emülsiyonu ile çalışılır.

1.   Su içinde yağ (o/w), örneğin süt,salata sosları

2.   Yağ içinde su (w/o), örneğin margarin, tereyağ

  Ancak bunlar nispeten basit sistemler olup dondurma, sosis eti karışımı ve kekler gibi ürünler daha karmaşık emülsiyon sistemleri de vardır.

Emülsiyon Oluşumu

Emülsiyon oluşturmak için üç önemli öge bir araya getirilir. Bunlar sırasıyla yağ-su, emülgatör ve mekanik enerjidir (karıştırma, boyut küçültme vb).

Bir fazın içinde dağılan damlacıkları oluşturmak kolay olduğu halde onları stabil emülsiyon haline getirecek olan “partikül ölçüsüne” getirmek oldukça güçtür.

Emülgatörlerin görevi yalnızca emülsiyon oluşturmak değil aynı zamanda emülsiyon stabilitesinin sürekliliğini de sağlamak olmalıdır.

Sıvı Dispersiyonlar

Çeşitli tip sıvı dispersiyonlar vardır. Bunlardan en önemlisi sıvı içinde katı partiküllerin dağıldığı dispersiyonlardır.

Bazı gıdalar, süt ve hazır çorba, meyve-sebze suları gibi ürünler süspansiyon karakterlidirler.

Dispers Sistem Olarak Gıda

Çoğu gıda dispers bir yapı taşır. Örneğin bira köpüğü, süt yağı gibi.

Tüm gıdaların içinde pek azı homojen yapıdadır. Örneğin, yemeklik yağlar ve bazı içecekler gibi.

Reoloji ve Tekstür

Reoloji bilimi, bir maddenin üzerine yapılan basıncın yarattığı deformasyonu inceleyen bir bilimdir.

Madde üzerine yapılan gerilim kuvveti deformasyon arttığında deformasyonun hızı ve tipi, reolojik özelliğini belirlemektedir.

Gıdalarda duyusal olarak algılanan reolojik nitelikler

İlk ısırmada katı ürünün sertliği, yumuşaklığı ve/veya gevrekliği algılanır.

Çiğneme sırasında, çiğnenebilirliği, yapışkanlığı, gamsı olup olmadığı belirlenebilmekte ve ayrıca ürünün rutubeti, kumsuluğu, yağlılığı, boyutu ve hatta geometrisi anlaşılabilmektedir.

Yine çiğneme sırasında gıdanın parçalanma durumu, meydana gelen parçacıkların büyüklüğü ve biçimi, ağzın içini kaplayış şekli anlaşılmakta ve tüm duyumlar bundan sonra tamamlanmaktadır.

Kütle Aktarımı

Çeşitli gıdaların üretimindeki pek çok basamakta kütle aktarımının örneklerini görmek mümkündür. Örneğin, solvent ekstraksiyonunda, distilasyonda, membran tekniklerinde ve evaporasyonda kütle aktarımı anahtar faktördür.

Evaporasyon, dehidrasyon, pişirme ve kavurmada, kızartma ve liyofilizasyonda yapıdaki gazlar ve su buharı, kütle transferi ilkeleri çerçevesinde yapıdan uzaklaşırlar.

Sürücü güç konsantrasyon farkıdır.

Kütle Denkliği

Kütle denklikleri “durağan hal” koşullarında analiz edilir, böylece depolanan materyal ve kayıplar sıfır olur.

Kütle denkliği çeşitli işlem akışında materyalin miktarını hesap etmede, işlemin tasarımında, reçete formülasyonlarını oluşturmada, karışımlama’dan sonraki bileşimi belirlemede, işlem verimini hesaplamada ve ayırma etkinliğini ortaya koymada önemli role sahiptir.

Gelecek derste,

Hammadde hazırlık makineleri (tartma ve ölçme aletleri, taşıma ve iletim düzenleri) anlatılacaktır.

…