Yüksek viskoziteli akışkan gıdaların ısıtılması için sürekli mikrodalga sistemi tasarımı ve modellenmesi

Abstract

Günümüzde artan tüketici bilinci ile yüksek besin içeriği ve kalite özelliklerine sahip gıdalara olan talebin gün geçtikçe artış göstermesi, üreticileri bu ihtiyaca cevap vermeye sevk etmektedir. Akışkan gıdaların sürekli sistemlerde geleneksel yöntemlerle ısıtılması sırasında meydana gelen olumsuzluklar (homojen olmayan sıcaklık dağılımı, doğal tat ve rengin değişmesi, besin değerinin azalması) sürekli akış mikrodalga ısıtma üniteleri ile hacimsel ve homojen ısıtma sağlanarak ortadan kaldırılabilmektedir. Mevcut sürekli akış mikrodalga sistemlerde düşük viskoziteli akışkan gıdalar için homojen sıcaklık dağılımı kolaylıkla sağlanabilirken, yüksek viskoziteli akışkan gıdalarda sıcaklık dağılımının homojen olmadığı görülmektedir. Bu nedenle, bu tezde yüksek viskoziteli akışkan gıdaların da homojen olarak ısıtılabileceği bir sürekli akış mikrodalga sistem tasarımı (915 MHZ ve maksimum gücü 5 kW) gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, ürünün mikrodalga kavite içerisinde farklı elektrik alan bölgelerinden geçmesini sağlayacak helikal boru konfigürasyonu önerilmiştir. Bu sistemde deneysel ve COMSOL Multiphysics yazılımı ile sayısal olarak Newtonumsu (saf su) ve Newtonumsu olmayan (%0,5 ve %1 w/w CMC çözeltisi) model akışkanlar farklı akış hızlarında (1, 2, 3 L/min) 4 kW güç uygulanarak ısıtılmış ve boru çıkışındaki sıcaklık dağılımları belirlenmiştir. Isıtma denemeleri ve modelleme çalışmaları aynı koşullarda düz boru konfigürasyonu ile tekrarlanmış ve sonuçlar helikal boru konfigürasyonu ile elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Helikal boru konfigürasyonu ile homojen ısınmanın en fazla saf su için sağlandığı ve akış hızı arttıkça üç akışkan için de homojenliğin arttığı gözlemlenmiştir. Model akışkanların helikal boru konfigürasyonunda düz boruya oranla daha yüksek mikrodalga enerji absorbe ettiği ve ortalama çıkış sıcaklıklarının daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Sayısal model ile deneysel sonuçlar arasındaki uyum helikal boru konfigürasyonu için daha yüksek bulunmuştur. Her iki boru konfigürasyonu için akış hızı arttıkça model sonuçlarının deneysel sonuçlara yaklaştığı görülmüştür. Bu çalışma, sürekli akış mikrodalga ısıtma sistemlerinde helikal boru konfigürasyonu kullanılması ile viskozitesi yüksek akışkan gıdaların homojen olarak ısıtılabileceği ve bu sayede yüksek besin içeriği/kaliteye sahip gıdaların üretilebileceğini göstermiştir.

In recent years, increasing consumer awareness has led to demand for nutritious and high quality food products. As a result, food manufacturers are forced to address these consumer needs when developing a new product or a process. Continuous flow heating of high viscosity fluid foods in conventional heat exchangers have drawbacks such as non-homogeneous heating, undesirable taste and color, low nutritional content which could be eliminated by using volumetric heating methods. Continuous flow microwave heating is one of the emerging technologies for heating fluid food products volumetrically. Existing continuous flow microwave systems show that homogeneous temperature distribution can readily be achieved for low viscosity food products but non-homogeneous heating still remains a problem for high viscosity fluid foods. Therefore, objective of this study was to design a continuous flow microwave heating system for homogeneously heating high viscosity food products and to investigate its performance. A pilot-scale system operating at 915 MHz and 5 kW maximum power was built and heating experiments were conducted with distilled water, %0.5 and %1 CMC solutions at 4 kW for varying flow rates (1, 2, 3 L/min) in two different tube configurations (helical and straight). A numerical model was built using COMSOL Multiphysics software for both systems. In helical tube configuration, heating was the most homogeneous when distilled water was used and increasing flow rate caused more homogeneous heating for all test fluids. Test fluids absorbed more microwave energy in helical tube than straight tube as shown by the higher average temperature at the exit of helical tube. A closer agreement between experimental and numerical results was found in case of helical tube configuration. Simulation and experimental results approached each other when the flow rate was increased. This study showed that a more homogeneous heating and hence higher quality/nutrient retention can be achieved for high viscosity fluid food products by using helical tube configuration in the newly designed system.