Mikrodalga Teknolojisi

l. MİKRODALGA TEKNİĞİ

1.1. Mikrodalga Tekniğinin Gelişimi ve Temel Özellikleri

İkinci dünya savaşı sırasında radar kullanımının yaygınlaşması, mikrodalga teknolojisinin hızla gelişmesini sağlamıştır. Çok geçmeden gıda maddelerinin ısıtılmasını da içeren ilk mikrodalga ısıtma uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Bu gelişme, evlerde kullanılan mikrodalga fırınların geniş ölçekli kullanımına yol açmıştır.

Elektromanyetik spektrumda (Şekil 1.) değişik isimlerle incelenen ışınlar temelde dalgalar halinde yayılan ışınlardır ve elde ediliş yöntemleri, ışının etki özelliği, fiziksel özelliklerine göre birbirinden ayrılmaktadır. Elektromanyetik ışınların dalga boyları ve frekanslarıyla tanımlandığı ve enerjinin dalga frekansı ile doğru, dalga boyu ile ters orantılı olduğu bilinmektedir. İnfrared ışınları ile radyo dalgaları arasında yer alan dalgalara mikrodalgalar adı verilmektedir .

Mikrodalgalar, elektrik ve manyetik alandan oluşan, magnetron ve klistronlarca yayılan yüksek frekanslı, çok kısa dalga boylu elektromanyetik dalgalardır. Elektromanyetik spektrumdaki mikrodalga bölgesine ait frekans aralığı 300 MHz -300 GHz arasında, buna karşılık gelen dalga boyu aralığı ise l cm – 1 m arasında değişmektedir.

Şekil 1. Elektromanyetik Spektrum

Mikrodalga frekansları üç bant içermektedir: Ultra Yüksek Frekans, Süper Yüksek Frekans ve Aşırı Yüksek Frekans .

Bir mikrodalga ışınımının frekansı ne kadar yüksek olursa, o ışınımın oluşturulabilmesi için harcanması gereken enerji miktarı da o kadar yüksek olmaktadır.

1.2. Mikrodalga Uygulayarak Isıtma Prensibi

1.2.1. Temel kavramlar

Mikrodalgalar, iyonik parçaların göçü ve/veya dipolar parçaların rotasyonu ile moleküler harekete sebep olurlar. Bir malzemeyi mikrodalga ile ısıtma işlemi, malzemenin Dissipation (harcama, tüketme) faktörüne büyük oranda bağlıdır. Bu faktör malzemenin dielektirik sabitine, dielektirik kaybının oranı olarak ifade edilir. Dielektrik sabiti, malzemenin mikrodalga enerjisinin içerisinden geçmesi esnasında alıkoyma yeteneğinin bir ölçüsüdür. Kayıp faktörü ise malzemenin enerjiyi tüketmesinin bir ölçüsüdür. Diğer bir değişle, “kayıp faktörü” giren mikrodalga enerjisinin malzeme içinde ısı olarak tükenmesiyle kaybolma miktarını vermektedir. Bu nedenle yüksek kayıp faktörlü bir malzeme mikrodalga enerjisi ile kolaylıkla ısıtılabilmektedir.

Mikrodalga ısıtma sistemi dört temel bileşen ile yapılmakladır. Bunlar güç uygulayıcı, magnetron, hedef malzemenin ısıtılması için aplikator (örn. fırın) ve jenaratörden gelen mikrodalgaları aplikatöre ileten dalga rehberidir.

Bir kaynaktan çıkan mikrodalga, dalga hareketi sonucunda tüm yönlere dağılmaktadır. Bu dalgaların taşıdığı enerjinin miktarı, kaynakta yüklenen enerjinin miktarı ile orantılıdır. Mikrodalga enerjisi, bir güç kaynağınca yüksek voltajlara çevrilmiş elektrik enerjisinden kaynaklanmaktadır. Bu yüksek voltajdaki enerji, mikrodalga güç tüpüne veya jeneratörüne uygulanmaktadır. En yaygın güç tüpü magnetrondur ve enerjisini fırın, dalga kılavuzu veya ısıtılacak maddeyi içeren başka bir cihaza yaymaktadır. Klasik mikrodalga fırınlarda kullanılan magnetronlar kilowatt mertebesinde enerji üretirken, endüstride kullanılan magnetronlar megawatt mertebesinde enerji üretebilirler .

Magnetron bir anot ve doğrudan ısıtılmış bir katoda sahip bir dioddur. Katot ısıtıldıkça, elektronlar serbest kalır ve anoda doğru çekilirler. Anot, her biri ayarlı devrelerden oluşan çift sayıda boşluktan meydana gelmiştir. Her boşluk bir kapasitör gibi çalışır. Bu yüzden anot, belirli frekanslarda osilasyon yapan devre serilerinden oluşmuştur.

Şekil 2. Magnetron [2]

Çok güçlü bir manyetik alan eksenel yönde anot içersinde indüklenir. Bu olay katottan anoda hareket eden elektronların yollarının bükülmesine neden olur. Saptırılmış elektronlar boşlukların içerisinden geçerken küçük miktarda yükü bu devrelere indükleyerek boşlukta osilasyona sebep olurlar. Doğru faz ilişkisinin kurulabilmesi için, alternatif boşluklar iki ince tel şeritle bağlantılanır. Osilasyon işlemi belli bir genlik sağlanıncaya kadar devam eder. Daha sonra anottan bir anten aracılığıyla uzaklaştırılır. Geri kalan enerji ise ısıtmada kullanılır .

Mikrodalga; infrared ve görünür ışık gibi yansımakta, iletilmekte ve absorbe edilmektedir. Mikrodalga fırın, içinde enerji dalgalarının duvarlarından yansıdığı bir sistem olarak tasarımlanmış metalik bir kutudur. Mikrodalgalar cam, seramik, plastik ve kağıt gibi bir çok maddenin içinden geçebilme özelliğine sahiptirler.

Bir maddenin mikrodalga enerjisi kullanılarak ısıtılması, o maddenin üzerine gelen mikrodalga ışınımını absorbe etmesine ve bünyesine aldığı bu enerjinin yardımıyla, molekülleri arasında meydana gelen titreşim ve sürtünmeler sonucunda sıcaklığının artması prensibine dayanmaktadır. Absorbe edilen elektromagnetik enerji moleküler faaliyetler sonucunda ısı enerjisine dönüştürülmektedir; ancak, elektromagnetik enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşebilmektedir. Dönüştürülemeyen enerji nedeniyle bir kayıp faktörü tanımlanmıştır. Mikrodalga enerjisini absorblama yeteneğine sahip olan maddelerin, enerjiyi depolama özelliği dielektrik özelliktir.

Bir maddenin mikrodalga ile etkileşime geçip ısı üreten kısımları polar molekülleridir. Gıdaların en temel bileşenlerinden biri olan su da polar bir bileşiktir ve mikrodalga elektrik alanının varlığında, su moleküllerinin hareket yetenekleri hızla artmakta ve açığa çıkan kinetik enerji tüm kütlenin ısınmasını sağlamaktadır .

1.2.2. Dielektrik Kaybı

Mikrodalga enerjisi ile ısıtılan bir cismin ısınma modeli, kısmen o cismin dağıtım (dissipation) faktörüne bağlı olacaktır (tand). Dağıtım faktörü, maddenin dielektrik kaybının ya da kayıp faktörünün (e”) dielektrik sabitine (e’) oranıdır; tan=e”/e’. Dielektrik sabiti, cismin mikrodalga enerjisini tutabilme kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Bu büyüklük, enerjinin ne kadarının numune tarafından adsorblanıp ısıya dönüştüğünü ve ne kadarının hava-numune ara yüzeyinde yansıdığını göstermekledir. Kayıp faktörü ise cismin bu enerjiyi dağıtabilme kabiliyetini ifade etmektedir. Kayıp kelimesi cisme girip ısı olarak dağılan kayıp mikrodalga enerjiyi göstermek amacıyla kullanılmaktadır ve maddenin gelen enerjinin ne kadarını ısıya çevirebildiğinin bir ölçüsüdür.

Değişik malzemeler için dağıtım faktörlerini ve dielektrik katsayılarını içeren tablolar mevcuttur.

1.3. Mikrodalga Uygulayarak Isıtmayı Etkileyen Faktörler

Mikrodalga fırınların tasarımları deneysel formüllere dayanılarak yapılır. Genelde mikrodalga, hatta elektromanyetik alanlarla ilgili her türlü hesaplama Maxwell eşitliklerine uyacaktır. Bu eşitlikler manyetik alanın zamana ve mekana göre nasıl hareket ettiklerini açıklar. Burada karşımıza çıkan sorun sistem kompleksleştikçe (düzgün olmayan şekiller, farklı dielektrik katsayıları, boşluklar…) analitik metotlarla çözüme ulaşmak mümkün olmamaktadır. Bunun yerine sayısal yöntemlerle hesaplama yapan bilgisayar simülasyonları geliştirilmiştir.

Gıda maddelerinin mikrodalga enerji ile ısıtılması, ısıtma ekipmanının ve ısıtılacak gıda maddesinin birçok özelliği tarafından etkilenmektedir. Bu etkiler gıdaların mikrodalga enerji ile ısıtılmasında dikkate alınmalıdır .

1.3.1. Frekans

Değişik şekillerde, çok geniş bir spektrumda elde edilebilen mikrodalgalarda kullanılan frekansları ve dalga boyları endüstriyel, bilimsel ve tıbbi amaçlar için sınırlandırılmıştır. Gıda sanayiinde işleme pişirme için, I.T.U. (Uluslararası Haberleşme Birliği) tarafından düzenlenen mikrodalga kullanım frekansları, 2450±50 MHz ve 915± 15 MHz olarak öngörülmektedir. Bu frekanslardaki dalga boyları havada sırası ile 33 ve 12,2 cm’ dir.

1.3.2. Mikrodalga gücü ve ısıtma hızı

Bir çok endüstriyel mikrodalga sistemi 5-100 kW arasında değişen mikrodalga gücünde çalışmaktadır. Güç akışının verilen kütle için yüksek olması, sıcaklığın hızla artmasına neden olmaktadır. Bu gibi sistemlerde mikrodalga ısıtmanın hızı güç akışının değişimi ile kontrol edilmektedir. Ancak pişirme, fırınlama ve diğer bazı gıda işlemlerinde başlangıçta yükselen ısı etkisiyle bazı reaksiyonların hızlanması sonucu oldukça kompleks fizikokimyasal olaylar ortaya çıkmaktadır. Bu reaksiyonlar normal koşullarda uygun sırada ve sürede meydana gelirler. Ancak mikrodalganın hızlı ısıtması sonucu bu reaksiyonların oluşması için yeterli süre bulunmayabilmektedir. ,

Mikrodalga gücü dolayısıyla ısıtmanın hızlı olmasıyla yaratılan bir diğer problem homojen olmayan sıcaklık dağılımıdır. Bunun nedeni kısmen çabuk ısınan kısımlardan daha yavaş ısınan kısımlara ısı transferinin düşük hızda gerçekleşmesi, kısmen de ısıtılan materyalin şekli, örneğin köşeli bir gıda olmasıdır.

1.3.3. Gıdanın kütlesi

Genel olarak materyalin kütlesi büyüdükçe, sabit güçteki bir mikrodalga ekipmanında ısıtmak için gerekli süre artmaktadır. Ancak ısıtmanın etkinliği genellikle kütledeki artışla artmaktadır . Örnek olarak bir patatesi pişirmek için gerekli süre dört dakika, iki patates için yedi dakika, üç patates için on dakika olmaktadır.

Isıtılacak toplam kütle göz önüne alındığında, istenen ısıtmayı sağlayabilmek için kütle ile mikrodalga gücünün miktarı arasında direkt bir ilişki vardır. Toplam kütle küçük ise kesikli bir sistem işlem için daha uygundur. Ancak kütle büyüdükçe bantlı sistemlerin kullanımı daha verimlidir. Bu gibi sistemlerde ısıyı homojen bir şekilde sağlamak da mümkün olmaktadır.

1.3.4. Gıdanın su içeriği

Su genellikle mikrodalga enerjinin absorblanmasında önemli bir etkendir. Yüksek su içeriği, gıdanın yüksek dielektrik kayıp faktörüne sahip olması, dolayısıyla daha iyi ısınma sağlar. Ancak düşük su içeren gıdalar da mikrodalga ortamında iyi ısıtılabilirler, bu işlem spesifik ısıdaki azalma sayesinde olmaktadır.

Mikrodalga ısıtma sırasında materyalin kurumasıyla daha nemli bölgelerin mikrodalga enerjiyi absorblamaları daha kolay olmaktadır. Bu olay, özellikle kurutma işleminde önemli bir avantajdır.

Genel olarak, gıdanın nem içeriği yüksekse dielektrik sabiti yüksek olur. Dielektrik kayıp faktörü, nem içeriği %20 – 30 oluncaya kadar artış gösterir ve bazı durumlarda bu nem içeriğinden sonra azalma olabilir. Karışımın dielektrik sabiti (e’) karışımı oluşturan bileşenlerin dielektrik sabitleri arasında yer almaktadır .

1.3.5. Yoğunluk

Yoğunluk direkt olarak dielektrik sabitini etkilemektedir. Havanın dielektrik sabiti 1.0’ dır ve endüstriyel ısıtma frekanslarında tamamen geçirgendir. Böylece yapısında boşluklar olan ve hava içeren bir materyalin dielektrik sabiti azalmaktadır. Bununla birlikte materyalin yoğunluğunun artmasıyla dielektrik sabiti hemen hemen lineer olarak artmaktadır.

1.3.6. Sıcaklık

Mikrodalga ısıtmada materyalin sıcaklığı birçok yönden etkilidir .

– Dielektrik kayıp faktörü sıcaklıkla materyale de bağlı olarak artar veya azalır. Isıtma işlemi süresince materyalin sıcaklık ve nem içeriğinde değişimler olduğundan, buna bağlı olarak dielektrik özelliklerinde de önemli değişimler ortaya çıkar.

– Mikrodalga ısıtma sırasında üründe meydana gelen faz değişimi dikkate alınmalıdır.

– Gıda materyalinin başlangıç ısısı kontrol edildiği sürece mikrodalganın gücü veya ısıtma süresi homojen bir son sıcaklık için ayarlanabilmektedir.

1.3.7. Fiziksel geometri

Ürünün fiziksel geometrisi de mikrodalga ısıtma üzerine etki etmektedir. Eğer ısıtılacak materyalin boyutu mikrodalga enerjinin dalga boyu veya daha önemlisi penetrasyon derinliğine göre fazlaysa tekdüze bir ısıtma yapabilmek çok zor olacaktır.

Diğer taraftan ısıtılacak gıdanın şekli ne kadar düzenli ise ısı dağılımı o kadar düzenli olmaktadır. Keskin köşe ve açılar mikrodalga ısıtmada aşırı ısınan bölgelerdir. Bu nedenle küresel şekilli gıdalar küp şekillerden daha homojen ısınmaktadır.

1.3.8. İletkenlik

Mikrodalga sistemlerinde genellikle dipolar dönme, ısının oluşmasında etken mekanizma olurken, gıda maddelerinin ısınmasında çoğunlukla iyonik kondüksiyon esas rol oynamaktadır. Gıda maddelerine çoğunlukla tuz eklenmesi gıdanın mikrodalga ısıtılmasında etkili olup ısıtma oranını artırmaktadır. Gıdanın içeriğinde böyle bir değişiklik ısıtmada mikrodalga sistemlerin kullanılması durumunda dikkatle yapılmalıdır. Tuz katılması mikrodalga penetrasyon derinliğini doğrudan etkilemekte ve yüzeyde aşırı ısınmalara neden olabilmektedir .

1.3.9. Spesifik Isı

Mikrodalga ısıtmada gıdanın spesifik ısısı genellikle ihmal edilen bir parametredir, ancak ısıtma işleminin uzun sürmesi durumunda dikkate alınması gereken bir etken olmaktadır. Spesifik ısı özellikle mikrodalga alanında ısıtmada düşük dielektrik kaybı olan materyallerin ısıtılmasında önemli rol oynamaktadır.

Özellikle çok bileşenli gıda ürünlerinin mikrodalga sistemlerde başarıyla ısıtılabilmesi için spesifik ısının etkisi de mutlaka göz önüne alınmalıdır.[1]

2. MİKRODALGA HAKKINDA DEĞERLENDİRMELER

2.1. Mikrodalga Fırınların Avantajları

1. Kurutma geleneksel yöntemlere göre hızlıdır. Mikrodalga kurutmanın en önemli özelliği ısı üretiminin moleküler düzeyde başlaması ve bu sayede hem zamandan hem de enerjiden çok büyük oranda tasarruf sağlamasıdır.

2. Temizdir,

3. Mikrodalga fırınlar, geleneksel sistemlere göre daha az yer kaplar, kullanımı ve bakımı kolaydır,

4. Kurutma çevrimi hızlı olduğundan tarımsal ürünlerinin depolamasında çok fazla depo alanı gerekmez,

5. Gıda daralması ve kayıplar azdır,

6. Özel ambalajlar kullanıldığı takdirde, ambalajlı gıdalara kurutma işlemi uygulanabilir,

7. Mikrodalga kurutma, istenen sonuca ulaşabilmesi için diğer ısı transfer kaynaklarıyla kombine olarak kullanılabilir. (Örneğin dondurulmuş tarımsal ürünlerin mikrodalga tavlamasından yüzey soğutulması veya geleneksel yöntemlerle mikrodalga kurutma sonrasında kahverengileşmesinin sağlanması),

8. Mikrodalga kurutma, gıdayı çevreleyen hava ve fırın ısınmadığından kurutma daha etkindir, zaman ve enerji kaybı olmamaktadır,

9. Mikrodalga enerjisinin ısıya dönüşüm verimi oldukça yüksektir. Geleneksel kurutmalarda % 7 – 14 arası değişen ısı verimi mikrodalga ekipmanlarda % 40’a kadar çıkmaktadır,

10. Mikrodalgalar içten kurutma sağladığı için, sıcaklık dağılımı daha üniform gerçekleşebilir ve yüzeyin aşırı ısınması engellenir. Diğer taraftan mikrodalgaların absorbsiyonu elektromanyetik özelliklere bağlı olduğundan, bazı gıda komponetleri diğerlerine göre daha hızlı pişer. Bu çok bileşenli gıdalarda farklı sıcaklık profillerini engeller ve farklı tabaklar için kullanımda kolaylık sağlar,

11. Mikrodalga teknolojisi birçok yeni ürün geliştirilmesinde olanak sağlamasıdır,

12. Pazar imkânı geniştir.

2.2. Mikrodalga Fırınların Dezavantajları

1. Mikrodalga Kurutmanın masrafları yüksektir; magnetronlar geleneksel kurutma elemanlarına göre pahalıdır, bu yüzden sanayide kullanımı yavaş gelişmektedir.

2. Mikrodalgaların absorblanması elektromanyetik özelliklere bağlı olduğundan, Ürün çok bileşenli gıdalarda sıcaklık profili büyük oranda farklı olabilir. Ürün karakteristikleri, şekil ve boyutta olarak düzensiz pişirme meydana gelebilir. Keskin köşe ve kıyılarda aşırı pişme ortaya çıkar ve geniş parçalı gıda maddelerin merkezinde pişme tam gerçekleşmeyebilir.

3. İnsan sağlığı açısından radyasyon sızıntısının önlenmesi gerektiğinden tamamen kapalı bir sistem olması zorunludur.

4. Mikrodalgalar gıda maddelerini kızartamaz, kahverengileştiremez ve gıda yüzeyini çatlatamaz.

5. Mikrodalga fırınlar, geleneksel fırınlara göre farklı emniyet tedbirleri gerektirir

6. Mikrodalgaların teknolojileri daha karmaşıktır, bu da eğitimsiz insanlar için bakımda zorluk oluşturur,

7. Tekrar ısıtılması, gereken ve mikrobiyolojik yönden hassas ürünlerde (et, süt ürünleri gibi) İşlem süresinin kısa olması nedeniyle yeterli ve güvenli mikrobiyal inaktivasyon sağlamak zor olabilmektedir. Mikrodalga ısıl işlemde sıcak ve soğuk noktaların belli olmaması ve saptanmasının zor olması mikrobiyolojik kontrolü zorlaştırmaktadır.

8. Kullanılan kapların, ambalaj malzemelerinin mikrodalga ortamına uygun olması gerekmektedir. İletken maddeler mikrodalga etkisi ile ark oluşmasına neden olmakta ürün ve ekipmana hasar verebilmektedir. Cam, porselen, plastik, kâğıt mikrodalga için uygun malzemeler olarak bilinmektedir. [3]

3. MİKRODALGA FIRINLAR

3.1. Mikrodalga Fırının Çalışma Prensibi

Mikrodalga, fırın içindeki magnetron adı verilen vakum tüpünden üretilir. Magnetron 60 Hz’lik elektrik enerjisini mikrodalgaya dönüştürür. Üretilen mikrodalgalar foton olarak adlandırılan ışın tanecikleri halinde yayılır. Mikrodalga fotonları düşük düzeyde enerjiye sahiptir. Su gibi artı yüklü ve eksi yüklü uçları olan moleküller polar moleküller olarak adlandırılır. Üretilen mikrodalgalar besinlere ulaştığında besinde bulunan su molekülleri mikrodalga fotonlarının enerjisini soğurarak artı ve eksi uçları arasında titreşmeye başlarlar. Bu titreşmeler sonucu etraflarındaki moleküller ile oluşan sürtünmeden dolayı açığa çıkan ısı besinlerin pişmesini ve kurumasını sağlar.

Mikrodalga ile pişirme geleneksel pişirme yöntemlerinden hem daha hızlıdır hem de daha ekonomiktir. Çünkü, pişirme sürecinde yalnızca besin pişer, fırın ve ortamın ısınması için enerji ve zaman harcanmaz. Mikrodalga fırınlar kullandıkları elektrik enerjisinin %50’sini besinlerin ısıtılması için kullanırken bu oran konvansiyonel fırınlarda %10’lara kadar düşmektedir.

Mikrodalga fırınlar yiyeceklerin ısıtılması ve pişirilmesinde kullanılmak üzere mikro dalgaları kullanan çeşitli elektronik ve mekanik parçalardan oluşan bir elektrikli cihazdır.

Bu cihazın içerisinde zamanlayıcı(elektromekanik veya elektronik), güç yönetim birimi, koruma elemanları vb elektriksel elemanlar vardır.

İçerisinde ev gerilimini yüksek gerilime dönüştüren bir trafo vardır. Bu yüksek voltaj magnetron denilen elemanla mikrodalgaya dönüştürülür.

Şekil 3. Mikrodalga Fırının Çalışması 1

Magnetron tüpü iki mıknatıs arasıda bulunan bir sargı ve bu sargını ortasın bulunan bir iletkenden oluşur sargıdan geçen 3000 voltluk elektrik güçlü bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan mıknatıslar sayesinde ortadaki ısınmış olan flamandan elektron kopartır elektronlar ortadaki mıknatıslar sayesinde yönelirler bu şekilde antene verilir antende bu elektronları iletir. Ve dalga kılavuzu sayesinde karıştırıcıdan geçerek fırın içerisine verilir

Elektrik enerjisini mikrodalga enerjisine dönüştürmesi ise bir magnetron ile olur. Magnetron 2450 MHz frekansında mikrodalgalar üretir. Bu mikrodalgalar, dalga kılavuzu vasıtasıyla fırının içine ulaşırlar. Bu noktada mikrodalgaların birkaç karakteristik özelliğinden bahsedelim.

– Mikrodalgalar, tıpkı güneş ışığının camdan nasıl geçiyor sa cam, porselen, kağıt ve plastik gibi çoğu maddelerin içinden geçebilirler.

– Mikrodalgalar, duvara çarpan bir topun geri dönmesi gibi, metallerden yansıyıp geri dönerler.

– Mikrodalgalar maddelerin içine nüfuz ederler ve özellikle yiyecekler tarafından emilirler. [4]

Şekil 4. Mikrodalga Fırının Çalışması 2

Mikrodalgalar pişirmek ve kurutmak istediğimiz yiyecek tarafından emilirler. Saniyede 2,45 milyar kez titreşen mikrodalgalar yiyeceğin içine girdiklerinde, su moleküllerinde bir titreşim oluştururlar. Mikrodalgaların polaritesi (kutupsallık) her değiştiğinde (+) ve (-) yüklerle yüklü su molekülleri bir ileri bir geri saniyede 4,9 milyar kez titreşirler. Bu yüksek hızdaki titreşmeden dolayı birbirine sürtünen su molekülleri ısı enerjisini açığa çıkarırlar. Bu ısıyla ise yiyecek pişmiş olur. İçinde daha fazla su molekülü olan yiyecekler daha hızlı pişerler.

Moleküller titreşir

Birbirine sürtünür

Isınırlar

Şekil 5. Moleküllerdeki Değişim

Klasik fırınlarda olduğu gibi mikrodalga fırınlarda ortam ve yiyecek kapları ısınmazlar. Yalnızca yiyecekler ısınır ve pişerler. Pişirme süresi ise çok dahakısadır.[5]

3.2. Mikrodalga Fırın Kullanımında Dikkat Edilecek Hususlar

Mikrodalgalar iyonize olmayan radyasyon olmalarına rağmen, insan vücudunda dokulardaki su moleküllerini harekete geçirerek zarar verebilir. Bu nedenle, kullanım sırasında birtakım önlemler alınmalıdır;

1-) Fırın çalışırken kapağına dokunulmamalıdır.

2-) Kapak menteşeleri ve kapaktaki koruyucu cam, darbelerden korunmalıdır.

3-) Fırın çalışırken kapak açılmamalıdır. Aksi halde vücuttaki hassas dokular ve gözler sızıntıdan zarar görebilir.

4-) Fırın kapağı ve çerçevesi arasında gıda parçalarının kalması engellenmelidir.

5-) Fırında gıda maddesi yokken fırın çalıştırılmamalıdır. Aksi halde fırın duvarları zarar görebilir.

6-) Fırın kullanılmadığı zaman fişten çekilmeli ve kullanımdan sonra bir bardak su konarak fırın içinde dalga birikimi önlenmelidir.

7-) Pişirme kapları fırından çıkarılırken ısı geçirmeyen eldivenler kullanılmalı, eğer pişirme kabı kapaklı ise, kapak açıldığında buhardan uzak durulmalıdır. [1]

4. MİKRODALGA İŞLEMİNİN GIDA ENDÜSTRİSİNDEKİ UYGULAMALARI

Mikrodalga ısıtmanın hayvansal ürünlerin işlenmesinde en çok kullanıldığı alanlar; temperleme, buz çözme, pişirme, pastörizasyon ve sterilizasyondur. Bitkisel ürünlerde ise mikrodalganın yaygın kullanım alanları haşlama, kurutma ve pişirme işlemleridir.

Mikrodalga ile ilgili birçok kaynakta mikrodalga uygulamasının bitkisel ürünlerde hayvansal ürünlerden daha başarılı sonuçlar verdiği ve yaygın kullanım alanları olduğu belirtilmektedir. Gıda endüstrisinde ilk mikrodalga uygulaması 1950’li yıllarda sanayide patates cipslerinin son kurutması olduğundan bitkisel ürünlerde mikrodalga kullanımı mikrodalga tarihi kadar eskidir .

Tablo 1. Gıda işlemede mikrodalga uygulamaları

İşlem Gıda Ürünleri

Temperleme Donmuş gıdalar, et, balık, meyve, tereyağı, trigiliseridler,

Doku kültür hücreleri

Kurutma Makarna, çerez gıdalar, soğan, pirinç kekleri, algler,

Meyve suyu

Pişirme Domuz pastırması, etli börek, patates, domuz eti, tavuk,

ringa balığı, fileto, patates cipsi, patates püresi, sucuk

sosis, hububat, et sosu

Pastörizasyon Taze makarna, ekmek, yemekler, soyulmuş patates,

jambon-ön ısıtılmış gıda, meşrubat, süt, yengeç

Sterilizasyon Yemekler, ekmek, pizza, soyulmuş patates, yoğurt

Eritme Donyağı, dondurma, çikolata

Kavurma/kızartma Kahve, kakao tanesi, fındık, ceviz, algler, sığır eti

Denatürasyon Sucuk sosis emülsiyonları

Fırınlama Ekmek, kurabiye, patates, kekler

4.1. Temperleme

4.2. Buz çözme

4.3. Pişirme

4.4. Pastörizasyon ve sterilizasyon

4.5. Haşlama

4.6. Kurutma

Sanayide en fazla süre ve enerji gerektiren ısıl işlemlerden birisi kurutma işlemidir. Geleneksel kurutma yöntemlerinde karşılaşılan en büyük sorun yüzey sertleşmesi sonucu ısı ve kütle geçişinin yavaşlamasıdır. Mikrodalga kurutma işleminde;

• Sadece maddedeki su ısıtıldığından son sıcaklık kendiliğinden kontrol edilmekte ve kalan su tamamen uzaklaştırılmaktadır.

• Sıcaklık içeriden dışarıya doğru azaldığından içerideki su daha kolay uzaklaştırılmaktadır.

• Kondüksiyondan bağımsız bir ısı iletimi olduğundan kuruyan bölge ısı iletimini etkilememektedir.

• Yüzey sertleşmesi olmadığından kütle aktarımı yavaşlamamakta ve sabit debide kuruma periyodu uzun olmaktadır.

Bunlardan da anlaşılacağı gibi mikrodalga ile kurutma işlemi geleneksel kurutma yöntemlerinden, ürün kalitesi ve maliyet açısından üstündür .

Mikrodalga ile kurutma işlemi, kuruma hızının yavaşladığı son kurutma aşamasında daha etkilidir. Bu nedenle, geleneksel yöntemlerle birlikte kullanılmakta, böylece kuruma süresini kısaltmakta ve enerji tasarrufu sağlamaktadır .

Mikrodalga ile kurutma yaygın olarak makarna, havuç, bezelye, soğan, tahıl ürünleri ve mantarların kurutulmasında meyve özütü ve meyve konsantresi üretiminde uygulanmaktadır .

Mikrodalga ortamında dondurarak kurutma ve vakum altında kurutma işlemleri de, son ürün kalitesi, uçucu madde ve ısıya duyarlı maddelerin korunması açısından oldukça yararlı olduğu belirtilmiştir. Bununla ilgili endüstriyel uygulamaların ilki 1977 yılında üretilen Gigavak 50 mikrodalga-vakum kurutma sistemidir. Bazı kurutucularda buhar ve elektrik için ortalama spesifik enerji tüketimi Tablo 2’te verilmiştir .

Tablo 2. Gıda endüstrisinde kullanılan bazı kurutucuların ortalama spesifik enerji tüketiminin karşılaştırılması .

Kurutucu tipi Tüketim 453,6 kg/h buharlaşma

Buhar (kg) Elektrik (KWh) Yatırım

Püskürtmeli kurutucu 771-907 95 100

Sütun gövdeli kurutucular 635-771 65 90

Vakumlu kurutucular 272-408 36 170

Mikrodalga vakum kurutucular 136-181 110 140

Dondurarak kurutucular 227-318 230 900

Gıda ve gıda ingrediyetlerinin mikrodalgada kurutulması yüksek nem içeriğinde (%20 nemin üzerinde) nispeten ekonomik değildir. Yüksek nem içeriğindeki ürünlerden suyun uzaklaştırılmasında geleneksel ısıtma yöntemleri mikrodalgadan daha etkilidir. Su yüksek dielektrik sabite ve yüksek özgül ısıya sahip olduğundan dolayı mikrodalgayı kolayca absorblar. Eğer karışımın su içeriği fazla ise kurutmada sıcaklığı önemli miktarda artırmak için fazlaca mikrodalga enerjiye ihtiyaç vardır. Mikrodalga geleneksel işlemlerle karşılaştırıldığında özel ürünlerde veya temel proseslerde daha etkili hale gelebilmektedir .

Jelatin işlemede ters osmoz ve sürekli mikrodalga kombinasyonu kullanımıyla işlem sayısı azaltılabilir; konsantre etme, mikrodalga kurutma, ince öğütme ve paketleme. Son ürün geleneksel işlemde ekstrüde edilmiş ürün kadar yoğun değildir. İşlem nispeten daha basit ve birçok ara işlemin kaldırılmasını sağladığı için maliyet tasarrufu çok etkilidir .

Mikrodalganın diğer muhtelif uygulama alanı kapsüllenmiş aromaların kurutulmasıdır. Püskürtmeli kurutucuda kapsüllenmiş aromalar, kapsüllerdeki yağlarla birlikte hava keseciklerine yakalanmaya meylederler. Oksijenin bu yağ damlalarıyla yakınlığı oksidasyon potansiyelini artırır. Kapsüllü aromaları mikrodalga vakum kurutucularda kurutmak bu problemi çözmek ve daha kararlı aromalar üretmek mümkündür. Değerlendirmelerde bu potansiyel uygulamalarda mikrodalga kurutmanın rolünü tespit etmek istenmektedir .

Makarna kurutulması nispeten az miktarda mikrodalga enerjiye ihtiyaç duyularak maksimum verim alınan mükemmel bir proses örneğidir. Bu işlem üç aşamada gerçekleştirilir, ilk olarak yeni ekstrüderden çıkmış makarnaya geleneksel sıcak hava kurutması uygulanır. Bunu takiben mikrodalga sıcak hava uygulaması yapılır. Son aşama sıcaklık dengeleme aşmasıdır. Taze makarna geleneksel kurutucuya %30 nemde girer ve 35 dakikada %18 neme ulaşır. Daha sonra ürün mikrodalga kurutucuya gelir. 915 MHz’ de sıcak hava ile %13-13,5 neme 12 dakikada ulaşır. Bu işlemin temel avantajları zaman, yer ve iş kazancıdır .

Diğer bir kurutma işlemi hamurdan ekmek kırıntısı üretme sistemidir. Taze hamur ekstrüderden sonra 80 kW, 2450 MHz2 deki mikrodalga sıcak hava tüneline gelir. Burada fırınlanır ve kurutulur. Böylece içinde ekmek kırıntıları bulunan son ürün soğutulur .

Bazı çerez parçaları 240 kW, 915 MHz’ de fırınlama ve kurutma birimlerinde üretilir. Meyve suyu konsantrelerinde mikrodalga vakum kurutmasının başarılı bir şekilde kullanıldığı görülmüştür .

Gıda alanında mikrodalga teknolojisi bazı proses teknikleri etrafında merkezlenmiştir. Mikrodalga teknolojisi makarna, soğan ve sarımsak ve diğer gıdaların kurutulması ve kısmen gıda karışım proseslerinde kullanılmaktadır. Evlerde mikrodalgaların kullanımı genelde hızlı ve hazır gıdalarda, nadiren de sıfırdan başlanmış yemeklerde yaygındır. Mikrodalga pişirmede, ürünün daha iyi kızarması için paketleme konusunda yoğun çalışmalar yürütülmektedir .

Mikrodalga enerjisi kullanılarak hazırlanmış örneklerin kabarcık kapasitesi, rengi, pH ve titre edilebilir asitliği gibi elde edilen kalite değerleri geleneksel yöntemlerle üretilmiş gari için tavsiye edilen değerlerle olumlu olarak karşılaştırılır. Bu standart kalite değerlerini elde edebilmek için minimum 12 dakika pişirme süresi tavsiye edilmektedir. Fakat hala ilave bir kurutma gerekmektedir. Jelatinizasyon ve kurutma için yaklaşık 20 dakika yeterlidir. Bir dizi fırının temel dezavantajı ürünün karıştırılamamasıdır. Aksi takdirde kek sertleşir. Daha sonraki araştırmaları gerektiren sürekli karıştırma mekanizmasının gelişmesi kek oluşumunu engellemektedir. Fakat yinede bu teknik kassava işlemede yararlı bir alternatif teknoloji sağlamaktadır .

Akışkan yatakta, dilimlenmiş elmaların mikrodalga son kurutması üzerine yapılan çalışmada şu sonuçlar elde edilmiştir: Mikrodalga ve akışkan yatak metodu, kurutma sırasında örnek partikülleri arasında homojen bir sıcaklık dağılımı ve son üründe tek düze bir renk oluşumu sağlar. Su içeriğinin, nemli elmalardan düşük nemdeki kurutulmuş elmalara azaltılması için gerekli kurutma süresi çok kısalmıştır. Mikrodalga akışkan yatak ile kurutulmuş ürünler sıcak hava ile akışkan yatakta kurutulmuş ürünler veya geleneksel yöntemlerle kurutulmuş ürünlerle karşılaştırıldığında daha az renk değişikliğine uğramıştır. Bu yöntemle kurutulmuş ürünler daha iyi bir su alabilme özelliği kazanmıştır. Ürün yoğunluğunda da gelişme olmuştur .

4.6.1. Mikrodalga kurutma ekipmanı ve gıda endüstrisinde uygulaması

Gıdalar doğal bileşimleriyle mikrodalgalarda çok hızlı ısıtılabilirler. Sonuçta bu hızlı ısıtma mikrodalgaları gıdaları işleme operasyonları ve prosesleri için cazip hale getirmektedir. Genellikle bütün endüstriyel mikrodalga uygulamaları için ekipmanın içerdiği temel parçalar; Mikrodalga jeneratörü, uygulayıcı ve kontrol ve güvenlik mekanizmasıdır. Endüstride gıda ve gıda ingrediyentlerinin kurutulması için kullanılan çeşitli mikrodalga tipleri şunlardır; Basınç artırıcı kurutucular, mikrodalga vakum kurutucular ve mikrodalga dondurarak kurutucular .

4.6.1.1. Basınç artırıcı kurutucular

Basınç artırıcı kurutucular, mikrodalga ile bağlantılı olan geleneksel kurutucu işleminden ibarettir. Bu kurutucuların soğan ve salça kurutulması için kullanılan tipleri bulunmaktadır. Salça işlemede kullanılan kurutucu geleneksel sıcak hava ön kurutucu ile birlikte mikrodalga sıcak hava kurutucudan ibarettir. Son bölüm denge bölümüdür. Hangi kurutucular için hangi ürün örnekleri kullanılacağı Tablo 6’ da verilmiştir. Bu tabloda bu kurutucuların geleneksel sistemlerin yerine kullanılmasının avantajları da bulunmaktadır .

4.6.1.2. Mikrodalga vakum kurutucular

Mikrodalga vakum kurutucularda ısıya duyarlı ürünlerin kurutulmasında kullanılır.

4.6.1.3. Mikrodalga dondurarak kurutucular

Çalışmalar sonucunda malzemelerin kurutulmasında kullanılan geleneksel dondurarak kurutucular mikrodalga uygulama ile birleştirilmiştir.

Tablo 3. Gıda ve gıda ingrediyentleri endüstrisinde mikrodalga kurutma işlemlerinin özeti

Kurutucu tipi

Ürün

Geleneksel sistemlere göre avantajı

Basınç artırıcı

(Mikrodalga sıcak hava)

Mikrodalga vakum

Mikrodalga dondurarak

Makarna

Yumurta sarısı tozu

Bebeklere süt tozu

Soğanlar

Salça

Çikolata tozu

Pirinç keki

Çerezler

Deniz yosunu

Pastırma parçaları

Meyve suyu tozu

Tahıl: buğday, soya

fasulyesi, pirinç, çavdar

Pamuk tohumu

Maya

Fıstıklar

Pecan

Mısır

Meyve

Domatesler

Biberler

Baharatlar

Hazırlanmış proteinler

Et extraktı

Plan extraktı

Çabuk çözünen

sebze tozlan

Kahve

Biftek dilimleri

Sebze parçaları

Meyve

Mantarlar

Piliç

Karides, İstakoz,

Dilimlenmiş balık

Zemindeki boşluklar 2/3 ile 4/5 arasında azaltılır;

örneğin makarna ekipmanında 36m – 82m

Temizleme zamanı azalır: örn, 24s – 6s (makarna)

Ürün kalitesi artar:örn,nişastalılarda yumuşaklığı

alır (makarna), yüzeydeki kırılma ve sertleşme engellenir (makarna), gelişkin renk

Kuruma zamanı azalır: örn, 8s – l,5s (makarna), orijinal zamanın üçte biri (yumurta şansı tozu), 8h – 6m (süttozu)

Göz yaşarmasında azalma: örn, % 90 (soğanlar)

Son kurutmada enerji tasarrufu: örn, % 30 (soğanlar), %20-25 (makarna)

Ürünlerin nem seviyesinin denetimi

Daha yüksek verim

Zamanlamada çok yönlülük

Düşük ekipman maliyeti

Sürekli sitem, çalışma maliyetlerinde, enerjide ve işlemede tasarruf

Ürünlerin yenilenmesinde çabukluk ve kolaylık

Dondurulmuş – kurutulmuş veya püskürtmeyle kurutulmuş ürünlere karşı ürünlerin maliyet/kg değerlerinde tasarruf

Üstün lezzet

Kurutma zamanları çok azalır: örn, portakal suyu tozunda 40 dk; soya fasulyesinde 2 saatten 0,5 saate

Şartlandıncı gerekmez, ancak sıcak hava kurutucularda gerekir (soya fasulyesi)

Alevlenme (tahıllar) ve toz patlamalarından uzak

Ürün kalitesinde gelişme: örn, tahıl tohumlarında yüksek filizlenme oranı; tohumlar tek parça halinde kalır

Toz taşıyan hava akımı bulunmaz, temizdir

Artan verim: % 48 daha fazla

Üretimde daha fazla esneklik

Daha çok yönlülük; aynı ekipmanla farklı ürünler

Sessiz

Daha hızlı: örn, kurutma zamanı 12 saatten 6 saate ve altına iner (kahve)

Geleneksel dondurma – kurutmaya göre düşük maliyet: örn, mikrodalga/radyant enerji kullanımıyla % 47 daha az

Düşük enerji maliyeti: örn, % 25 daha az

İki kattan daha fazla üretim

Daha düşük sermaye ve işletme masrafları

SONUÇ

Mikrodalga ile ısıtma teknolojisi, başlangıcından günümüze kadar sürekli ilerleme göstermektedir. Birçok sanayi kolunda olduğu gibi gıda sanayiinde de sağladığı kolaylıklardan dolayı kullanımı hızla artmaktadır. Fakat maliyetinin fazla olması nedeniyle sanayiye göre günlük kullanımda daha fazla bir artış göstermektedir. Özellikle son yıllarda fabrikasyon ve tüketime hazır gıda ürünlerindeki talep artışı, geleneksel metotlara göre daha hızlı ve ekonomik olan mikrodalga teknolojisinin kullanımını yaygınlaştırmıştır. Bununla birlikte mikrodalga kullanımının yaygınlaşması mikrodalga ısıl işleme uygun özel kaplar ve ambalaj malzemeleri teknolojisinde de gelişmeler olmasını sağlamıştır

Mikrodalga fırın satışları son 8-10 yıldır Amerika’da ve son yıllarda da diğer milletlerde artmıştır. Mikrodalga fırınlarda hazırlanmak üzere tasarlanmış ve ambalajlanmış gıdalar büyük bir pazar payına sahiptir. Bu pazar payında, porsiyon olarak paketlenmiş gıdaların mikrodalga ile pastörizasyonu ve sterilizasyonu istenen etkiyi gösterirse önemli bir artış beklenmektedir. Bu iki proses mikrodalganın neden büyük pazar payına sahip olduğunu izah etmektedir. Sterilizasyonun mikrodalgada yapılabilmesi geleneksel ekipmanların pazar payını derin bir şekilde etkilemesi beklenmektedir.

Mikrodalgaya dayalı işlemlerin kabulü gelecekteki gıda fabrikalarının tasarımını etkileyecektir. Yer kazancı sadece işlem zamanının kısaltılmasıyla mümkün olmamaktadır. Küçük alan gereksinimi, gayrimenkul fiyatları hesaba katıldığında proses ekonomisinde büyük bir etkiye sahip olacaktır. İşçi gereksinimi de azalmıştır. Makarna kurutucuları yer ihtiyaçlarını 3-4 kat, üretimi azaltmaksızın küçültmüşlerdir. Mikrodalgada ekmek pişirilmesi, pazara yakın küçük fırınların kurulması ve taşıma ücretlerinde önemli bir azalma olması anlamına gelmektedir.

Mevcut prosesler mikrodalga ekipmanlarının ilave edilmesiyle geliştirilebilir. Prosese bağlı olarak mikrodalga ısıtma, ön ısıtma basamağı olarak uygulanabilir, mevcut ekipmanın içine yerleştirilebilir, aynı anda iki veya daha fazla enerji formunu uygulayabilmek amacıyla veya üretim miktarının artırılması için geleneksel ekipmanın sonuna ilave edilebilir. Böylece mikrodalga enerjisinden daha fazla yararlanılarak, daha çabuk ve ekonomik ürünler üretmek mümkün olacaktır. Mikrodalga teknolojisindeki gelişmelere hem ürün hem ekipman olarak her gün bir yenisi eklenmektedir. [1]

KAYNAKLAR

http://www.nettebilgi.com/detail.php?id=651 [17.11.2007 ]
http://tr.wikipedia.org/wiki/Magnetron [ 17.11.2007 ]
http://www.konyatarim.com/index.asp?id=1708 [ 15.11.2007 ]
http://www.soylenasil.com/bilim/mikrofirin3.htm [ 13.11.2007]
http://www.fatihkoleji.com/LISELER/fatihkoleji_genc_dergi_ogrenci_micro.php [ 18.11.2007]
http://www.marslogistics.com/logilife/Dergi/Sayi13/nasilcalisir.asp[ 12.11.2007]

http://www.rpaulsingh.com/animated%20figures/fig4_44.htm [ 10.11.2007]

…

Etiketler