gida mÜhendİslİĞİ laboratuvari · raporların ilk sayfasına “gıda mühendisliği...

MERSİN ÜNİVERSİTESİ

GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI

DENEY FÖYÜ

Prof. Dr. H. İbrahim EKİZ

Prof. Dr. Mahir TURHAN

Prof. Dr. T. Koray PALAZOĞLU

Prof. Dr. Nüzhet TÜRKER

Doç. Dr. Sedat SAYAR

Doç. Dr. Aylin ALTAN METE

Yrd. Doç. Dr. Salih AKSAY

Arş. Gör. Günseli BOBUŞ ALKAYA

Arş. Gör. Sema AYDIN

Arş. Gör. Esma ESER

Arş. Gör. Habip TOKBAŞ

Arş. Gör. Seher SERİN KARAYİYEN

Arş. Gör. Özge KURT GÖKHİSAR

Arş. Gör. Betül BAY YILMAZ

Arş. Gör. Gülden GÖKŞEN

Arş. Gör. Fırat ÇINAR

Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK

2016-2017

GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI 2016-2017 GÜZ DÖNEMİ

Dersin Sorumlu Öğretim Üyesi: Prof. Dr. H. İbrahim EKİZ

Deneyin Adı Deneyden Sorumlu Arş. Gör. Deneyden Sorumlu Öğr. Üyesi

1. Ezme (Palper) Verimi ve Pastörizasyon Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK [email protected]

Prof. Dr. H. İbrahim EKİZ

2. Gıdalarda Isıl Yayınım Katsayısı, Isı Kapasitesi ve Yoğunluk Değerlerinin Belirlenmesi

Arş. Gör. Habip TOKBAŞ [email protected]

Yrd. Doç. Dr. Aylin ALTAN METE

3. Konservelerde Sterilizasyon Değerinin (Fo) Hesaplanması Arş. Gör. Esma ESER [email protected]

Doç. Dr. Sedat SAYAR

4. Sürtünme Kayıpları Hesaplamaları Arş. Gör. Seher SERİN KARAYİYEN [email protected]


5. Çift Borulu Isı Değiştiricide Toplam Isı Transfer Katsayısının Belirlenmesi

Arş. Gör. Günseli BOBUŞ ALKAYA [email protected]


6. Yalancı Kararlı Hal Sıvı Akışı Arş. Gör. Betül BAY YILMAZ [email protected]


7. Gıdaların Dondurulması Arş. Gör. Sema AYDIN [email protected]

Yrd. Doç. Dr. Salih AKSAY

8. Gaz ve Sıvı Difüzyonu Arş. Gör. Gülden GÖKŞEN [email protected]


9. Tarımsal Taneli Gıdaların Fiziksel Özelliklerinin Belirlenmesi ve Elek Analizi

Arş. Gör. Özge KURT GÖKHİSAR [email protected]


10. Kurutma Arş. Gör. Fırat ÇINAR [email protected]



DENEYİN ADI ve DENEYDEN SORUMLU ARŞ. GÖR. DENEY İÇİN GEREKLİ MALZEME

1. Ezme (Palper) Verimi ve Pastörizasyon (Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK)

5 kg portakal, 5 kg domates

2. Gıdalarda Isıl Yayınım Katsayısı, Isı Kapasitesi ve Yoğunluk Değerlerinin Belirlenmesi (Arş. Gör. Habip TOKBAŞ)

4 adet büyük boy patates

3. Konservelerde Sterilizasyon Değerinin (Fo) Hesaplanması (Arş. Gör. Esma ESER)

Küçük boy konserve salça

4. Sürtünme Kayıpları Hesaplamaları (Arş. Gör. Seher SERİN KARAYİYEN) ------------

5. Çift Borulu Isı Değiştiricide Toplam Isı Transfer Katsayısının Belirlenmesi (Arş. Gör. Günseli BOBUŞ ALKAYA) --------------

6. Yalancı Kararlı Hal Sıvı Akışı (Arş. Gör. Betül BAY YILMAZ) --------------

7. Gıdaların Dondurulması (Arş. Gör. Sema AYDIN) 2 adet büyük boy patates

8. Gaz ve Sıvı Difüzyonu (Arş. Gör. Gülden GÖKŞEN) Kara havuç, küre naftalin, zımpara

9. Tarımsal Taneli Gıdaların Fiziksel Özelliklerinin Belirlenmesi ve Elek Analizi (Arş. Gör. Özge KURT GÖKHİSAR)

Yarım kg buğday ve yarım kg karışık pilavlık ve köftelik bulgur

10. Kurutma (Uzm. Selen ÇALIŞKANTÜRK) 2 adet orta boy patates

Not: Her deneyden önce en geç çarşamba günü ilgili asistanla görüşülmelidir.


A B C D E Dilara AKBAŞ Yeliz GENÇ

Gökçen DÖŞYILMAZ Züleyha SEZGİN Ömer Faruk ER

Özgür Mert AKÇAM

Melis TUĞAL Mehmet İRVAN

Azize Selime ARIK Özlem ALTUNKANAT

Sedanur GÜL Tuğba Nur DUMAN

Mehmet ERSÖZ Ecem ÇOLAKÇA

Sema DENİZ Mahmut Yunus BEKTAŞ

İlknur ÖZIŞIK Fatma Ceyda ÖZTÜRK

Selvican PEZİK Halise AVCİL Didar GÜVEN

Aygün CENGİZ Münire BOZHASAN

Ozan ALDIĞ

Deniz YETKİN Züleyha GÜL

Elife Nur KURŞUN Ercan GÜNER Deniz CANLI

Esmanur UÇAL

F G H I İ

Nuray KESKİN Merve TEKİN Rabiye ÇAKIR Anıl OLĞUN

Onur MİL Tuba DÜDÜK

Çağla BAKAÇHAN

Bihter İŞYARAN Memduh ÇAPARKAYA

Burcu CİCO Emrah SÖZLÜ Kubilay KURT

Simay TAŞKIN

Meltem KESKİN Gizem SIRIM Büşra TAĞAR

Gülter KIRMIZIDAĞ

İbrahim YILMAZ

Cem İMRE Hatice ÇELEBİ Mehmet ŞAH

Hatice SARMAZ

Deniz KURAN

Damla AKÇAKOCA Gülşilan ŞIK

Meltem BİNİCİ Deniz ERMEYDAN


Tarih A B C D E F G H I İ 23.09.2016 GENEL BİLGİ 30.09.2016 LABORATUVAR GÜVENLİĞİ BİLGİLENDİRME 07.10.2016 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14.10.2016 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 21.10.2016 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 28.10.2016 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 04.11.2016 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 11.11.2016 ARA SINAV 18.11.2016 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 25.11.2016 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 02.12.2016 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 09.12.2016 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 16.12.2016 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 23.12.2016 TELAFİ HAFTASI

6

GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DERSİ İÇİN UYGULANACAK ÖZEL

KURALLAR

Öğrencilerin Mersin Üniversitesi Eğitim-Öğretim Yönetmeliği Madde 24’e göre %70

devam zorunluluğu vardır. Devamsızlık için geçerli mazereti olanlar bölüme dilekçe ile

başvurdukları ve istekleri kabul edildiği takdirde telafi deneyi yapılacaktır.

Deney öncesi yapılan sınavdan 50 ve üzeri alanlar sınavda başarılı sayılacaktır.

Deney öncesi yapılan sınavdan geçemeyenler isterlerse deneye katılabileceklerdir ancak

rapor notları değerlendirme sırasında sıfır olarak kabul edilecektir (Sınava girip geçemeyen

öğrenciler o ders için devamlı sayılacaktır). Geçme notunun hesaplanmasında ise aşağıdaki

ölçütler izlenecektir:

Dönem içi notu: %60

Final notu: %40

(Dönem içi notu hesaplanmasında deney raporları %60, vize notu %20, deney öncesi

sınavı %10, kanaat (öğrencinin deneye olan ilgisi) %10 etkili olacaktır.)

Raporların ilk sayfasına “Gıda Mühendisliği Laboratuvarı Değerlendirme Formu”

eklenecektir.

Birbirleriyle aynı olan ya da büyük ölçüde benzeyen raporlar sıfır olarak kabul edilecektir.

Deney defteri olmayan, defter kullanmayan ya da farklı defterlerle deneye giren öğrenciler

deneye giremeyecekler ve o deneye ait raporları sıfır olarak değerlendirilecektir. Deney

defterleri deney sonunda incelenip imzalanacaktır.

Raporlar en geç 7 gün içerisinde (en geç bir sonraki deneye başlamadan önce) sorumlu

araştırma görevlisine teslim edilmeli ve listede yazılı olan mail adreslerine gönderilmelidir.

Zamanında gelmeyen raporların notu sıfır olarak değerlendirilecektir.

Raporlar bir hafta içerisinde sorumlu araştırma görevlisi tarafından okunacaktır.

Dersi alan herkes (kaçıncı kez aldığına bakılmaksızın) laboratuvara devam etmek

zorundadır.

7

Bölümümüzün Laboratuvar Çalışma Düzeni Kılavuzu gereğince öğrencilerin genel

laboratuvar kuralları ile deneylerin doğası gereği karşılaşılabilecekleri fiziksel, kimyasal ve

biyolojik tehlikeleri bilerek sorumluluk kuralları çerçevesinde hareket etmesi

beklenmektedir. Bu konuda dönem başında bir toplantı yapılacak ve öğrenciler tehlikeler ve

sorumluluklar konusunda bilgilendirilecektir. Hemen ardından verilecek formlar öğrenciler

tarafından bu farkındalıkla doldurulacak ve onaylanacaktır. Koşulları kabul etmeyen ya da

laboratuvarların işlenişi sırasında sorumlulukları yerine getirmeyen öğrenciler derslere giriş

ve devam iznine sahip olamayacaklardır.

Bu kurallardan öne çıkanlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:

o Laboratuvarlarda yiyecek ve içecek tüketilmesi kesinlikle yasaktır.

o Laboratuvara ve/veya deneylere onaylanmamış giriş yasaktır.

o Laboratuvar alanına giriş dekanlık binasının ön kısmında bulunan öğrenci

girişinden yapılacaktır.

o Laboratuvarda çalışma ortamlarında kullanılacak koruyucu giysiler ile ilgili

sınırlamalara uyulması zorunludur.

o Görevliler ve öğrenciler laboratuvarları normal saatler dışında kullanmak

istiyorsa laboratuvar sorumluları veya danışmanlarından izin almaları

gerekmektedir.

o Tüm öğrencilerden kullandıkları alet, ekipman ve kimyasalların güvenli olarak

kullanımı ve taşınması ile ilgili bilgi almış olmaları ve bu kuralları pratikte

uygulamaları beklenmektedir.

o Acil müdahale ve güvenlik ekipmanlarının (göz yıkama, duş, yangın söndürme

aletleri, acil çıkışlar) tanınmış olması ve laboratuvardaki konumları ile ilgili

bilgi edinilmesi güvenliğiniz için zorunludur.

o Çalışma ortamları temiz tutulmalıdır. Kırılmış camlar, kesici malzemeler ve

laboratuvar atıkları bunlar için işaretlenmiş özel çöp kutularına atılmalıdır.

o Bunzen alevinden yanma sesi geldiğinden ve yanmanın henüz yanmamış

gazdan çıkan mavi alev ile olduğundan emin olunmalıdır.

o Sorumlunun izni olmadan hiçbir örnek laboratuvara getirilemez ya da

laboratuvardan dışarı çıkarılamaz.

o Pipetin ağızla çekilmesi kesinlikle yasaktır.

8

o Zarar verecek aletler ve kırılmış cam malzeme laboratuvar sorumlusuna

bildirilmelidir.

o Laboratuvar çalışma tezgahlarında oturmak, koridorlarda koşmak yasaktır.

o Laboratuvar pencere ve kapılarını açarken ya da kapatırken dikkatli

olunmalıdır.

o Açık yara ya da deri hastalığının olması durumunda üzeri kapatılarak

laboratuvara girilmelidir.

o Laboratuvardan ayrılmadan önce mutlaka eller yıkanmalıdır.

KİŞİSEL KORUYUCU GİYSİLER

Kişisel koruyucu ekipmanlar ve giysiler karşılaşacağınız tehlikelerde zarar görme riskinizi

azaltmakla birlikte her zaman zarar görme ihtimaliniz bulunmaktadır. Bu ekipmanlar

tehlike teşkil eden malzemeler ve düzeneklerle aranızda bir bariyer olarak görev

yapmaktadır. Laboratuvarlarda kullanmanız gereken en basit koruyucu giysiler ve bununla

ilgili kurallar:

o Kapalı ayakkabılar ( topuk, parmak veya ayağı açıkta bırakan ayakkabılar,

sandaletler yasaktır).

o Laboratuvarda saçlarınızı toplayınız. Bu önlem sizi olası bir yanma

tehlikesinden koruyacaktır.

o Laboratuvar önlüğü uzun kollu, dizlere kadar uzanan, beyaz ve düğmeli

olmalıdır. Önlüğün altına giydiğiniz kıyafetin sentetik kumaştan yapılmamış

olmasına dikkat ediniz. Herhangi bir yangın durumunda daha ciddi hasarlara

neden olabilir.

o Laboratuvarda aksesuar takılması yasaktır. Eğer kullanırsanız alet ve cihazlara

takılabilir, kimyasallarla etkileşime girebilir ve kimyasalların cildinizi

etkilemesine neden olabilir.

9

GIDA MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI RAPOR DEĞERLENDİRME FORMU

ÖĞRENCİ BİLGİLERİ AD-SOYAD: ÖĞRENCİ NO - GRUP NO:

RAPOR BAŞLIĞI RAPOR NOTU: RAPOR BAŞLIKLARI VE İÇERİKLERİ

BÖLÜM 100 ÜZERİNDEN PUANLAMA

ÖĞRENCİNİN ALDIĞI PUAN DEĞERLENDİRME*

ÖZ 5 Deneyin amacı ve önemi, özet olarak, kişisel yorum eklenmeden verilmiştir 1 Deneyde elde edilen sonuçlar verilmiştir. 2

İÇİNDEKİLER 1 Tüm rapor bölümleri yer aldığı sayfalara göre verilmiştir.

SİMGELER 1 Eşitlik, grafik ve anlatımlarda kullanılan simgeler açıklamaları ve birimleri ile birlikte verilmiştir.

1. GİRİŞ 10 Deneyin tanımı açık olarak yazılmıştır ve konuya ilişkin temel kavramlar açıklanmıştır.

1

Dayanak kavramı ve deney ile ilişkisi verilmiştir. 2 Matematiksel denklemler dayanak kavramı ile ilişkilendirilerek verilmiştir. 3 Bilimsel çalışm ve/veya standartlara atıfta bulunulmuştur. 4

2. MATERYAL ve YÖNTEM 10 DENEY DÜZENEĞİ: Kullanılan materyal, kimyasal ve malzemelerin markası ve alınma şekli verilmiştir. 1 Deney düzeneği şema halinde çizilmiştir. 1 Kullanılan cihazların çalışma prensipleri verilmiştir. 1 Deney koşulları doğru ve anlaşılır bir şekilde ifade edilmiştir. 2 DENEYSEL YÖNTEM: Modelde hesaplanacak nicelikler belirtilmiştir. 1 Hangi verilerin ölçüleceği / kaydedileceği verilmiştir. 1 Kullanılan yöntemin hangi standart yönteme dayandığı belirtilmiş, yeni bir yöntem izlendiği takdirde yöntem açıklanmıştır.

2

Kaydedilen verilerin ölçüm hataları / veri tekrarlanabilirliği hesaplama yöntemleri belirtilmiştir.

1

3. MATEMATİKSEL BULGULAR VE HESAPLAMALAR 15 Dayanak teorisinin matematiksel ifadesi verilmiştir ;sınır koşulları, dönüşümler, kabuller vb. ile.

5

Hesaplama sonuçları verilmiştir. 5 Hesaplamalar için gerekli olan grafikler, tablolar ve şekiller verilmiştir. 5

4. TARTIŞMALAR 25

Hesaplama sonuçlarının deney açısından önemi yorumlanarak verilmiştir. 5 Sonuçlar güvenilir bir referans ile karşılaştırılmıştır; makale, standart, kitap, bilimsel veya resmi web sayfaları

5

Sonuçların beklenen değerlere uyumluluğu verilmiş, beklenmedik sonuçların kaynağı ve bu sonuçların çözümü belirtilmiştir.

5

Sonuçların karşılaştırılması amacıyla grafik veya tablolar belirli bir düzene göre verilmiştir.

5

10*DEĞERLENDİRME kısmını deneyden sorumlu öğretim elemanı dolduracaktır.

Tüm grafik ve tablolar deney sonuçlarını yansıtacak şekilde yorumlanmıştır. 3 Deney föylerinin son kısımlarında bulunan tartışma soruları doğru olarak cevaplanmıştır.

2

5. ÖNERİLER VE ELEŞTİRİLER 5 Veri kesinliğini / tekrarlanabilirliğini / hatalarını etkileyen durumlar yorumlanmıştır.

3

Deney sürecinin iyileştirilmesi için yapılması gereken değişiklikler ve eklemeler belirtilmiştir.

2

6. KAYNAKLAR 5 Giriş ve hesaplama karşılaştırmaları bölümünde yararlanılan kaynaklar açık bir şekilde verilmiştir.

3

Güvenilir kaynaklar kullanmaya dikkat edilmiştir. 2 7. EKLER 5

Hesaplama işlem basamakları verilmiştir. 3 Matematiksel denklemin çıkarımı verilmiştir. 2

RAPORUN YAZIM KURALLARI AÇISINDAN DEĞERLENDİRİLMESİ 8. RAPOR YAZIM DÜZENİ 10

Rapor 12 punto büyüklüğünde, Times New Roman yazı tipinde, 1.5 satır aralığı düzeninde ve iki yana yaslı biçimde yazılmıştır.

0.5

Kapak hazırlanmıştır. 0.25 İmza sayfası hazırlanmıştır. 0.25 İçindekiler dizini hazırlanmıştır. 0.25 Öz ve anahtar kelimeler hazırlanmıştır. 0.25 Çizelgeler dizini hazırlanmıştır. 0.25 Şekiller dizini hazırlanmıştır. 0.25 Giriş bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Kaynak araştırması bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Materyal ve metot bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Bulgular ve tartışma bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Sonuçlar ve öneriler bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Kaynaklar bölümü hazırlanmıştır. 0.25 Çizelge başlıkları ilgili bölüm ve sıra numarasıyla beraber çizelgenin üstünde verilmiştir.

1

Şekil ve fotoğrafların başlıkları ilgili bölüm ve sıra numarasıyla beraber şekil ve fotoğrafın altında verilmiştir.

1

Çizelge, şekil fotoğraf vb. metin içinde atıf yapılmıştır. 1 Kaynaklar kaynak yazım kurallarına göre verilmiştir. 1 Kaynak olarak yabancı dilde kaynaklardan da yararlanılmıştır. 1 Kaynaklar yeterlidir. 1

9. DİLBİLGİSİ KULLANIMI 10 Yazım yanlışı yapılmamıştır. 2 Cümle kurulumu Türkçe dilbilgisi yapısına uygundur. 2 Rapor yazımında edilgen cümle yapısı kullanılmıştır. 2 Rapor yazımında bilimsel bir dil kullanılmıştır. 2 Rapor yazımında teknik terimler doğru ve yerinde kullanılmıştır. 2

11

KURUTMA

1. GİRİŞ

1.1.KURUTMA İŞLEMİ

Kurutma; ham, yarı işlenmiş ya da işlenmiş katı, sıvı ve yarı sıvı gıdaların yapılarındaki su

oranının azaltılması işlemini tanımlamakta kullanılır. Başlangıç su miktarı üründen ürüne

farklı olduğu gibi kurutulan üründe kalan su miktarı da ürüne göre farklılık gösterir.

Gıdaların korunmasında en eski yöntemlerden biri olan kurutma ile gıdalar bozulmadan çok

uzun süre saklanabilmektedir. Bu yöntemle korumanın; nedeni su etkinliğinin (aktivitesinin)

düşürülerek mikroorganizmanın bozulmaya neden olabilmesi için ihtiyaç duyduğu serbest

suyun bulunmaması ve istenmeyen çeşitli kimyasal değişimlere neden olan enzimlerin susuz

ortamda aktivite gösterememesidir (Saldamlı ve Saldamlı, 1990).Kurutma genel olarak doğal

ve yapay kurutma olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

1.1.1.Doğal Kurutma: Bu yöntemde, güneş ısısından yararlanılır ve kuruma işlemi kendi

kendine gerçekleşir. Ancak kurutma işleminin çok yavaş gerçekleşmesi, gıdadaki su oranının

%15 in altına düşürülememesi, kurutmanın açıkta gerçekleştirilmesi ve geniş alanlara ihtiyaç

duyulması doğal kurutma yönteminin uygulanabilirliğini sınırlar.

1.1.2.Yapay Kurutma: Bu yöntemde kurutma işlemi, kapalı alanlarda ve kontrol altında

yapılmaktadır.

Kurutma, buharlaşma gizli ısısının verilerek gıdadaki suyun uzaklaştırılması ile

gerçekleşir. Bu nedenle kurutma işlemini kontrol eden iki mekanizma vardır:

a) Gerekli buharlaşma gizli ısısının sağlanması amacıyla gıdaya ısı transferi

b) Su veya su buharının gıdada ve daha sonra gıda dışına taşınımı yani kütle transferi

Kurutma sırasında ısı transferi, kondüksiyon (iletim), konveksiyon (taşınım) veya

radyasyon (ışınım) ile olabilmektedir. Konveksiyonla kurutmada suyun buharlaşması için

gerekli ısı, hava gibi bir gaz tarafından taşınır. Sıcak hava kurutulacak maddenin içinden,

üzerinden geçirilir. Tünel, akışkan yatak ve püskürtmeli kurutucular bu yöntemin değişik

uygulamalarıdır. Kondüksiyonla kurutma yönteminde ısı, kurutulacak maddeye temas ettiği

sıcak yüzeyden taşınır. Valsli kurutucular bu yöntemin en yaygın uygulamalarıdır.

Radyasyonla kurutmada ısı bir radyasyon alanından ulaştırılır. Gıdaların kurutulmasında

yaygın bir yöntem değildir. Bu üç yönteme ek olarak kurutulacak maddenin basıncı gittikçe

12

düşen bir hücrede tutularak ısıtmaya gerek kalmaksızın suyun buharlaşmasının sağlandığı

vakum kurutma da kullanılabilmektedir (Cemeroğlu ve Acar, 1986).

Kurutulacak gıdanın hangi formda olduğuna veya yüksek ısının gıdalarda neden

olacağı değişimlere göre kurutma yöntemi belirlenir (Saldamlı ve Saldamlı, 1990). Kurutma

sırasında meydana gelen değişiklikler ise aşağıdaki başlıklar altında sıralanabilir (Cemeroğlu

ve Acar, 1986).

a) Kuru madde birikimi: Suyun katı içerisindeki hareketi sıvı hareketi şeklinde ise kuruma

sırasında yüzeye sıvı ile beraber kuru madde de taşınır. Yüzeyde toplanan kuru madde iç

derişim farkından dolayı yüzeye taşınmaktadır. Bu şekilde kuruma sırasında ürünün iç

kısmında veya yüzeyinde kuru madde toplanabilmektedir.

b) Kabuk bağlama: Kurumanın ilk aşamalarında yüksek sıcaklık uygulanırsa ürün yüzeyi

hızla kurur. İç kısımlar hala ıslak olduğundan kuru üst yüzeyin yaptığı basınca direnç

gösterir. Kuruyan üst yüzey büzüşmez ve ürün yüzeyinde sert bir kabuk oluşturur. Kuruma

hızı birdenbire düşer, iç kısımlarda da tam kuruma sağlanamaz.

c) Kitle yoğunluğunda değişmeler: Ilımlı kurutma koşullarında kurutulan nemli gıdada tüm

kitle beraberce kurur ve tüm üründe düzgün bir buruşma meydana gelerek kitle yoğunluğu

(materyalin birim hacminin ağırlığı) yükselir. Ürün hacmi düşük, depolama kararlılığı

yüksek, taşıma ve depolama giderleri düşüktür. Hammadde olarak kullanıma daha uygundur.

Yüzeyde aşırı bir kuruma olacak şekilde hızlı bir kurutmada önce yüzey sonra iç kısımlar

kurur. Kurumuş dış yüzey büzüşmez, bu nedenle ürün içerisinde boşluklar olur. Bunlar su

alma yeteneği yüksek, tüketici tarafından tercih edilen ama depolama ve taşıma maliyeti

yüksek ürünlerdir.

d) Kurutulmuş ürünün su alma yeteneği: Rehidrasyon, kurutulmuş ürünün neminin geri

kazandırılması olayıdır. Kurutma esnasında materyalde meydana gelen değişmeler ve

rehidrasyon koşulları işlemi etkilediğinden göz önünde bulundurulmalıdır.

e) Esmerleşme: Maillard reaksiyonları olarak bilinen enzimatik olmayan esmerleşme

reaksiyonları % 2 nemin altında gerçekleşmezken, % 15-20 nem oranında en üst düzeyde

gerçekleşir.

f) Besin değerinde azalma: Suda eriyen bazı vitamin ve uçucu öğelerde azalma meydana

gelir.

13

2. KURUTMA OLAYININ FİZİKSEL TANIMI

Su gıdalarda serbest su, bağlı su ve tutuklu su olarak bulunur. Kurutma işleminde gıdadan

uzaklaştırılan serbest sudur. Kurutma olayı, katı materyalden taşıyıcı ortama (genellikle sıcak

hava) kütle transferi şeklinde meydana gelir. Bu kütle transferi için itici güç, katının toplam

nem içeriğiyle denge nemi arasındaki farktır. Sıcak hava materyalden uzaklaştırılacak suya

gerekli buharlaşma gizli ısısını sağlar ve aynı zamanda buharlaşma yüzeyi yakınlarında oluşan

su buharına taşıyıcılık yaparak nemi uzaklaştırır. Islak katının kuruma davranışı, kuruma

olayının başlangıcından itibaren zamana karşı materyalin ortalama nem içeriğinin grafiğe

geçirilmesi ile tanımlanır (Geankoplis, 1993). Şekil 1 de ıslak bir katı için tipik kuruma eğrisi

görülmektedir.

Şekil 1. Tipik kuruma eğrisi

Kuruma sırasında görülen evreler üç kısımda incelenir;

I) Geçiş Bölgesi: Bu evre, katının yüzey koşullarının kurutucu havayla dengeye geldiği

geçiş süresini temsil eder. A noktasında başlangıçtaki serbest nem değeri gözlenir.

Başlangıçta ortamdan daha soğuk olan ıslak katı ısındıkça buharlaşma hızı artar. Katı,

ortamdan daha sıcak ise hız eğrisi A´ noktasından başlar.

II) Sabit Hız Bölgesi: Bu evre boyunca, katı içindeki suyun yüzeye hareket hızı, yüzeyden

suyun buharlaşma hızına eşit olduğundan katının yüzeyi suya doygun halde kalır. Materyalin

yüzeyi başlangıçta ince bir su tabakasıyla kaplı gibidir. Önce bu tabaka buharlaşmaya başlar.

Serbest nem içeriği, kg su/kg kuru madde

Kur

uma

hızı

, kg

su/h

m2

A

A´BC

D

E

Xc

Sabit hızAzalan hız

R,K

urum

a H

ızı (

kg su

/m2 sa

)

X, Serbest Nem İçeriği ( kg su/kg km)

Sabit Hız Bölgesi Azalan Hız Bölgesi

14

Başlangıçta çok hızlı bir buharlaşma olur, ancak daha sonra yüzeyde oluşan buhar nedeniyle

yavaşlar. Verilen hava şartları altında kuruma hızı ürünün fiziksel özelliklerinden bağımsız,

fakat başlangıç nemi ve çevre koşullarına bağlı olarak değişir. Şekil 1 de görüldüğü gibi B

noktasında yüzey sıcaklığı denge değerine ulaşır. BC noktaları arasında kuruma hızı sabittir

ve sabit kuruma hızı bölgesi olarak adlandırılır. Islak katı gözenekli bir yapıya sahipse

yüzeye su taşınımı daha kolay olduğundan kurumanın büyük bir kısmı bu aşamada

gerçekleşir. Gıdanın yüzeyinde buharlaşan nem bittiğinde sabit hız evresi sona erer ve bu

noktadaki nem içeriği ''kritik nem içeriği'' olarak tanımlanır.

III) Azalan Hız Bölgesi: Sabit hız bölgesinden sonra buharlaşma, maddenin içinde oluşmaya

başlar. Yüzeye yakın bölümler iç kısımlara göre daha fazla su kaybettiklerinden kuruyan

maddenin dış yüzeyinde kabuk bağlama, buruşma, çatlama ve kurumalar meydana gelir. Bu

dönemde buharlaşan nem miktarı azalır. Yüzeyin kurumasını da içeren bu ikinci bölgeye

(CD-DE) azalan hız bölgesi denilmektedir. Yüzeyin tamamen kuruduğu D noktasına kadar

birinci azalan hız bölgesi devam etmektedir. D noktasından itibaren ikinci azalan hız bölgesi

başlar. Buharlaşma için ısı katı boyunca buharlaşma bölgesine aktarılır. Buharlaşan su katı

boyunca hava akımına doğru hareket eder. Bu durum denge nem değerine ulaşılana kadar

devam eder (Geankoplis, 1993).

Nemin katının yüzeyine taşınma yolları sabit ve azalan kuruma bölgelerinde

değişmektedir. Bu konuda çeşitli kuramlar bulunmaktadır. Bunlar;

A) Sıvı difüzyon teorisi: Bu teoride katının derinlikleri ile yüzeyi arasında

derişim farkı olduğunda sıvı difüzyonu meydana gelir. Bu durum, su ile tek fazlı

solüsyon oluşturan hamur, sabun, jelatin, tutkal gibi gözeneksiz yapıdaki katılarda

görülür.

B) Gözenekli katılarda kılcal hareket: Çamur, kum, toprak, boya pigmentleri

ve mineraller gibi gözenekli katılarda görülür. Gözenekli katı çeşitli gözenek

büyüklüklerinde kanallar ve birbiriyle ilişkili gözenekleri içerir. Su buharlaşırken

katının derinliklerinde her bir gözenek içinde sıvı suyun bir menisküsü oluşur. Bu

durum katı ve su arasındaki ara yüzey gerilimi tarafından kılcal kuvvetleri oluşturur.

Bu kuvvetler yüzeye gözenekler boyunca suyun hareketi için sürücü güç sağlar.

Küçük gözenekler, büyük gözeneklerin oluşturduğundan daha büyük kuvvetler

oluşturur (Geankoplis, 1993).

15

1.2.1. Sabit kuruma hızını etkileyen faktörler:

a) Havanın hızı: Kondüksiyon ve radyasyon ile olan ısı transferinin ihmal edildiği durumda

kuruma hızı ısı transfer katsayısı ve dolayısıyla havanın akış hızından etkilenmektedir.

Radyasyon ve kondüksiyon olduğu durumda havanın etkisi daha azdır.

b) Havanın nemi: Havanın nemi azalırsa ıslak termometre sıcaklığı düşer ve sabit kuruma hızı

artar.

c) Havanın sıcaklığı: Havanın sıcaklığı artırılırsa ıslak termometre sıcaklığı ve sabit kuruma

hızı artar.

d) Kurutulan katının kalınlığı: Katının kalınlığı arttıkça su difüzyonu zorlaşacağından kuruma

hızı yavaşlamaktadır.

3. MATEMATİKSEL MODELLEME

kg sukg km

st

s

W LXL

(1)

Xt: Herhangi bir andaki nem içeriği

W: Nemli katı ağırlığı

Ls: Kuru madde ağırlığı

t eX X X (1)

X: Serbest nem miktarı

Xe: Denge nem miktarı

1.3.1. Sabit Hız Bölgesi için Kuramsal Kuruma Süresinin Hesaplanması:

1 2( )( )

sc

c a s

d X Xth T T

(3)

elde edilir. Eşitlikte verilen simgeler;

16

tc: Sabit hız kuruma süresi

ρs: Kuru madde yoğunluğu

: Buharlaşma gizli ısısı

hc: Isı transfer katsayısı

d: Kalınlık

Ta: Havanın kuru termometre sıcaklığı

Ts: Kuruma yüzeyinin sıcaklığı

1.3.2. Deneysel Kuruma Eğrisini Kullanarak Sabit Hız Bölgesi için Kuruma

Süresinin Hesaplanması:

Deneysel olarak elde edilmiş serbest nem-zaman grafiği kullanılarak kuruma süresi kolaylıkla

belirlenebileceği gibi kuruma hızı-zaman grafiğinden de bulunabilir. Bu amaçla;

sL dXRA dt

(4)

R: Kuruma hızı

A: Kuruma yüzey alanı

t1 =0 → X=X1

t2= t → X=X2

Eşitlik (4) yukarıdaki sınır koşulları için integre edilirse;

2 2

1 10

t t Xs

t X

L dXt dtA R

(5)

Eğer X1 ve X2, kritik nem (Xc) içeriğinden büyükse, R=Rc=Sabit olur. Sabit hız bölgesi için

kuruma süresi;

2 1s

cc

Lt X XA R

olarak hesaplanır. (6)

Rc: Sabit kuruma hızı

17

1.3.3. Deneysel Kuruma Eğrisini Kullanarak Azalan Hız Bölgesi için Kuruma

Süresinin Hesaplanması:

2

1

Xs

X

L dXtA R

(7)

Azalan hız bölgesinde kuruma hızı sabit olmamasından dolayı Eşitlik (7) den yola çıkılarak

1 -X R

grafiğindeki eğrinin altında kalan alan hesaplanır ve deneysel kuruma süresi bulunur.

tf : Azalan hız bölgesi için kuruma süresi

Xc: Kritik nem miktarı

Xe: Denge nem miktarı

Ancak bazı özel durumlarda izlenmesi gereken yol aşağıdaki gibidir:

A) Eğer hız X in doğrusal bir fonksiyonu ise:

R= aX+b

2

1

Rs s 1

2R

L L RdRt lna A R a A R

(8)

R1= aX1+b ve R2= aX2+b

1 2

1 2

R RaX X

1 2 1

1 2 2

lns X XL RtA R R R

(9)

18

B) Hız başlangıç noktasından geçen doğrusal bir fonksiyon ise:

R=aX, dX=dR/a

R1 =Rc→X1 =Xc için; a=Rc /Xc ise,

(10)

elde edilir.Eğimler eşit olduğu için;

a= Rc /Xc =R2 /X2 = Rc /R2=Xc/X2

(11)

(12)

Difüzyon katının derinlikleri ile yüzeyi arasında derişim farkı olduğunda gerçekleşir.

Genellikle gözeneksiz katılarda görülür. Azalan hız bölgesinde de nemin taşınımı difüzyonla

olur. Sadece tek yüzeyden kuruyan, nemin iç hareketini sıvı difüzyonunun kontrol ettiği dilim

şeklinde bir katı için;

2 22

8 1exp / 2 exp 9 ( / 2 ) ...9

e

c e

X X Dt d Dt dX X

(13)

t nin büyük değerleri için;

2

2

8 exp / 2e

c e

X X Dt dX X

veya (14)

22ln ln 8 / / 2e

c e

X X Dt dX X

(15)

D: Difüzyon katsayısı

d: Toplam kalınlık (eğer kuruma sadece yüzeyden ise)

d=1/2 Toplam kalınlık (eğer her iki yüzeyden kuruma gerçekleşiyorsa)

2

lns c c

c

L X RtA R R

2

lns c c

c

L X XtA R X

cc

XR RX

19

2. MATERYAL ve YÖNTEM

2.1. MATERYAL

Etüv, terazi, termometre, kronometre, pamuk, bıçak, iplik, tel, mezür (10 ml), küçük petri

kutusu, gıda materyali (patates)

2.2. YÖNTEM

Kurutma proseslerinde en önemli basamak kuruma süresinin hesaplanmasıdır. Bu amaçla

prosesin çeşitli parametreleri belirlenmelidir. Bu deney bir gıdanın laboratuvar ölçekli olarak

etüvde kurutulması sırasında kuruma hızını, kuruma zamanını ve kurumayı etkileyen

faktörleri belirlemek ve karakteristik kuruma eğrilerini çizmek amacıyla yapılacaktır.

Deneyde bir gıda örneğinin kuruma davranışı incelenecektir. Fiziksel boyutun

etkisinin incelenmesi için de aynı gıdanın, farklı iki fiziksel boyuttaki (dilimlenmiş ve

rendelenmiş) örnekleri kullanılacaktır.

2.2.1. Ön hazırlık

Dilim halinde hazırlanan patates ve rendelenmiş patates ilk ağırlıları alındıktan sonra 105 oC

etüvde sabit tartıma gelene kadar bekletilir. Gerekli hesaplamalar yapılarak örneklerin kuru

madde miktarları hesaplanır.

(Sorumlu grubun deneyden bir gün önce, örnekleri ile birlikte gelmeleri gerekmektedir.)

2.2.2. Deneyin yapılışı

Etüv sıcaklığı 60C ye ayarlanır.

Belirli kalınlık ve çapta kesilen nemli ağırlığı ölçülen gıda örneği bir telin ucuna asılarak

etüvün ortasındaki düzeneğe yerleştirilir.

Ayrıca petri kabına, rendelenmiş ve kabın yüzeyine iyice yayılmış örneğin ağırlığı ölçülür

ve örnek etüve yerleştirilir.

Dilim ve rendelenmiş örnekler için 10 dak aralıklarla ağırlık ölçümü yapılır.

Mezüre belirli hacimde saf su konulur. Sıcaklığı 60C olan etüve yerleştirilir ve 10 dak

aralıklarla hacimdeki değişim gözlenir.

20

3. RAPORDA İSTENENLER:

Tablo-1’in oluşturulması,

Tablo-2’nin oluşturulması,

Zamana karşı ölçülen nemli ağırlık (W) değerlerinin grafiği,

Zamana karşı serbest nem(X) miktarı grafiği,

Kuruma hızı (R) ve serbest nem miktarı (X) grafiği; (Bu grafikten kritik nem içeriği (Xc)

belirlenecektir.)

Zamana karşı kuruma hızı (R) grafiği; (Bu grafikten sabit hız bölgesi, azalan hız bölgesi

için deneysel kuruma süreleri belirlenecektir.)

Su için R-t grafiği çizilecek. (Sabit hız bölgesinin net olarak görülmesi için)

Sabit hız bölgesi için kuramsal kuruma süresinin hesaplanması,

Hesaplanan kuramsal sabit hız bölgesi için kuruma süresinin grafikten okunarak,

belirlenen deneysel kuruma süresiyle karşılaştırması ve farklılığın nedenlerinin

tartışılması,

Materyalin özelliklerinin kuruma koşulları üzerine etkilerinin tartışılması,

R-X ve 1/R-X grafiklerinin çizilmesi,

Uygun grafikler çizilerek difüzyon katsayısının (D) belirlenmesi.

Tablo 1: Kurutulan gıdanın zamanla ölçülen ve hesaplanan değerleri

Zaman, t Nemli

ağırlık, W

t anındaki nem

miktarı, Xt

t anındaki serbest

nem miktarı, X

Kuruma hızı, R

21

Tablo 2 : Su için zamanla ölçülen ve hesaplanan değerler

Zaman, t Hacim, V Kütle, W Kuruma hızı, R

4. Simgeler

Xt: Herhangi bir andaki nem içeriği (kg su/kg km) Xc: Sabit hız bölgesinin sonundaki kritik nem miktarı (kg su/kg km) Xe: Denge nem miktarı (kg su/kg km) X: Serbest nem miktarı (kg su/kg km) W: Nemli katı ağırlığı (kg) Ls: Kuru madde ağırlığı (kg km) tc: Sabit kuruma süresi (sa) tf : Azalan hız bölgesi için kuruma süresi (sa) Ta: Havanın kuru termometre sıcaklığı (C) Ts: Kuruma yüzeyinin sıcaklığı (C) ρs: Kuru madde yoğunluğu (kg km/m3) : Buharlaşma gizli ısısı (kJ/kg) hc: Isı transfer katsayısı (W/m2.K) D: Difüzyon katsayısı (m2/sa) d: Kalınlık (m) A: Kuruma yüzey alanı (m2) R : Kuruma hızı (kg su/sa.m2) Rc:Kritik kuruma hızı (kg su / sa.m2)

5. KAYNAKLAR

Geankoplis, C., J. (1983). Transport Processes and Unit Operations, 3rd ed. Prentice

Hall International Editions, MA, USA.

Cemeroğlu, B., Acar, J. (2003), Meyve ve Sebze İşleme Teknolojisi. Gıda Teknolojisi

Derneği, Yayınları No:28, Ankara.

Saldamlı, İ., Saldamlı, E. (1990), Gıda Endüstrisi Makinaları, 1. Baskı, Hacettepe

Üni., Ankara.

22

YALANCI KARARLI HAL SIVI AKIŞI

1. GİRİŞ

Gıda işleme fabrikalarında sıvı ürünlerin bir yerden başka bir yere taşınmasını sağlayan

akışkan taşınım sistemleri yaygın olarak bulunmaktadır. Bu taşınım sistemleri, Şekil 1’de

görüldüğü gibi akışkanın aktığı borular ve yerçekimi kuvvetine karşı farklı yüksekliğe

taşınımını sağlayan pompalardan oluşabilmektedir.

Şekil 1. Akışkan Taşınım Sistemi (Gökmen, 2003)

Taşınım sistemlerinde akışkanların boru içerisinde akışı sırasında oluşan hız profilinin

bilinmesi, birim uzunlukta meydana gelen basınç düşmesi ve hacimsel akış hızı gibi proses ve

ekipman tasarımında gerekli bilgilerin hesaplamasını sağlar.

Bir akışkan sabit bir yüzey üzerinden akarken (boru duvarı, nehir yatağı vb.), yüzey ile

temas eden akışkanın hızı duvardaki kayma kuvveti (o) etkisiyle sabit kalır. Akışkan hızı

duvardan uzaklaştıkça dereceli olarak artar ve ana akım içerisinde maksimum değere ulaşır.

Pompa

Wp

2 1

Z1 Z2

2’

1’

Z1’

Z2’

23

Bu hız profili akışın başladığı noktada oluşur ve duvar boyunca belli bir noktaya kadar gelişir.

Bu süreç “tam gelişmiş akış” (fully developed flow) olarak adlandırılır.

Şekil 2. Boru İçerisindeki Akışkanın Hız Profili (Gökmen, 2003)

Akışkan, boru içerisindeki her noktada farklı hız profiline sahiptir. Şekil 2’de verilen

uo, boru duvarına yakın noktalardaki ve umax ise boru merkez noktasındaki yığın akış hızını

ifade etmektedir. Boru içerisinde akan akışkanın bir katı sınır varlığı nedeniyle hareketinin

etkilendiği kısmı, sınır katmanı, olarak tanımlanır. Sınır katmanı kalınlığı ise, akışkan hızının

boru merkez noktasındaki değerinin (umax) % 99’una eriştiği nokta ile duvar arasındaki mesafe

olarak tanımlanmaktadır (Gökmen, 2003). Şekil 3 ve 4’ de plaka yüzeyinde akmakta olan

akışkanın sınır katmanı sınırı verilmiştir.

Şekil 3. Boru İçerisindeki Akışkanın Hız Profili (Gökmen, 2003)

u 0

u m a x

24

Şekil 4. Düz Boruda Sınır Katmanı (Gökmen, 2003)

Akışkan bir boru içerisinde veya yüzey üzerinde akarken, akış görüntüsü; akışkanın

hızına, fiziksel özelliklerine ve yüzeyin geometrisine bağlı olarak değişir. Bu konu ilk kez

Reynolds tarafından Şekil 5’de verilen düzenek kullanılarak incelenmiştir. Bunun için, geniş

ağızlı bir cam tüp, suyla beslenen ve camdan yapılmış bir tank içine batırılıp büyük tanktan

cam tüpe olan akışın hızı, bir vana ile denetlenmiş ve küçük bir hazneden cam tüpün ağzının

merkezine renkli bir sıvı iplikçiği gönderilerek akış izlenmiştir. Buna göre, düşük hızlardaki

akışta renkli sıvı iplikçiğin doğrusallığını koruduğu ve tüpteki akışın girişim yapmayan

paralel akımlar oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bu tip akış katmanlı akış olarak adlandırılmıştır.

Eşitlik 1’ de verilen ve akışkan yoğunluğunun, viskozitesinin, yığın akış hızının ve boru

çapının bir fonksiyonu olan Reynolds Sayısına göre akış rejimleri belirlenmiştir. Akış

rejimleri, Reynolds sayısı 2100’den düşük olduğu durumlarda akış “katmanlı akış”, 2100 ile

4000 arasında iken “geçiş bölgesi akışı” ve 4000’den yüksek olduğu durumlarda ise akış

“kargaşalı akış” olarak tanımlanmıştır. Yapılan deneylerde, akış hızı arttırıldığında ise önce

renkli iplikçiğin renkli salınımlar yaptığı daha sonra salınımların iplikçiğin kopmasına neden

olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca kargaşalı akış olarak tanımlanan yüksek hızlarda akışkanın

tüp içinde gelişigüzel doğrultularda burgaçlar oluşturarak hızlı aktığı da gözlenmiştir.

25

Şekil 5. Boru İçerisindeki Akış Çeşitlerini Gösteren Deney Düzeneği (Gökmen, 2003

26

Akış rejimini belirleyen Reynolds sayısı, akış sırasındaki iç kuvvetlerin akışkandaki vizkoz

kuvvetlere oranını ifade eder.

2

Re Re 2ort ort

ort

V D V Diç kuvvetlerN Nvizkoz kuvvetler V D

(1)

Eşitlik 1’e göre, enerji dağılımındaki vizkoz kuvvetlerin etkisi fazla ise katmanlı akışın

gözlendiği düşük Reynolds sayısı değerleri oluşur. Enerji dağılımındaki iç kuvvetlerin etkisi

fazla ise kargaşalı akışın gözlendiği yüksek Reynolds sayısı değerleri oluşur. Şekil 6’da

katmanlı ve kargaşalı akış rejimlerindeki sınır katmanları ve hız profilleri verilmiştir.

Şekil 6. Katmanlı (Laminar) ve Kargaşalı (Türbülant) Akış Rejimlerinde Sınır Katmanı

Tam gelişmiş akış bölgesinde hız, yalnız boru çapına bağlı olarak değişirken akışkanın aldığı

yola bağlı değildir. Ancak bu durum boru çapının değişmesi ya da akışkanın valf, dirsek gibi

engellerle karşılaşması halinde değişir. Tam gelişmiş akış kavramı katmanlı akış için de

kargaşalı akış için de söz konusu olmakla birlikte, bu iki akış rejimi için oluşan hız profilleri

oldukça farklıdır.

27

Bir borudaki akışkanın hız profilinin şekli akışın giriş bölgesi uzunluğuna bağlıdır.

Giriş bölgesi, akışkanın bir boruya giriş yaptığı bölgeye denir. Bu bölge parabolik akış

profilinin oluşması için gerekli uzunluktur. Birimsiz giriş uzunluğu (Le/D) ile akış rejimini

belirleyen Reynolds sayısı arasında (katmanlı akış için, Le/D = 0,06 Re; kargaşalı akış için,

Le/D = 4,4 (Re)1/6) bir ilişki vardır (Munson ve ark., 1990). Ayrıca geçiş bölgesi

(2100<NRe<4000) uygulamalarında da giriş uzunluğu korelasyonu kullanılmaktadır. Giriş

bölgesinde hız profili ve basınç dağılımı hesapları oldukça karmaşık olduğundan katmanlı

akış durumunda kullanılan Hagen-Poiseuille eşitliği ile bu etki ihmal edilir. Aksi durumda

basınç (ΔP) ve hacimsel akış (Q) hesaplamalarında bir düzeltme faktörünün kullanılması

gerekmektedir (Bird ve ark., 1960).

Akışkan gıdaların sürekli sistemlerde akışı hem katmanlı (puding, çorba) hem de kargaşalı

(süt, meyve suyu) rejimde gerçekleşebilmektedir. Gıda endüstrisinde önemli bir yer tuttuğu ve

teorik analizi kargaşalı akışa göre daha kolay olduğu için bu uygulamada katmanlı akış hız

profili belirlenecektir. Tam gelişmiş katmanlı akış için belirlenen hız profili daha sonra

hacimsel akış hızının teorik olarak hesaplanmasında kullanılacaktır.

2. MATERYAL ve METOT

2.1. Materyal

Deney düzeneği silindirik bir tank, ölçü silindiri ve bağlantı borusundan oluşmaktadır.

2.2. Metot

2.2.1. Deneysel Metot

Deneyin prensibi başlangıçta su ile dolu olan büyük tank içerisindeki suyun ince bir boru ile

bağlantılı olduğu boş ölçü silindirine akışının sağlanması ve işlem sonunda iki tank arasındaki

su seviyesi farkı kullanılarak bu akışın hacimsel akış hızının belirlenmesi esasına

dayanmaktadır. Bu amaçla, deneyin başlangıcında büyük tank su ile doldurulur ve su seviyesi

ölçülür. Kullanılacak ince borunun iç çapı (Db), uzunluğu (L) ve silindirin çapı (Ds) ölçülüp

kaydedilir. Bu ölçümler yapıldıktan sonra, aynı seviyede bulunan büyük tank ile ölçü

silindirine boru ile bağlantı sağlanarak her iki tarafa ait vanalar açılır ve su ile dolu olan büyük

tanktan boş olan ölçü silindirine doğru suyun akışı sağlanır. Hacimsel akış hızını

28

belirleyebilmek için ölçü silindirindeki su seviyesi ölçü skalasının başlangıcına (0 noktasına)

geldiği anda ölçüm süresi başlatılır. Bu süreden sonra geçen her dakika için ölçü silindirindeki

su seviyesi belirlenerek kaydedilir. Bu işlem tanktaki su seviyesi eşitleninceye kadar devam

eder.

Aynı işlem tanklar arasında yükseklik farkı yaratılarak tekrar edilir.

2.2.2. Matematiksel Metot

Yatışkın durumda yatay düz bir boru içinde akan akışkan için hacimsel akış hızının

matematiksel metotlarla belirlenmesinde bazı varsayımlar yapılmaktadır. Bunlar, akış türünün

katmanlı akış olduğu, akışkanın akış boyunca tüm fiziksel özelliklerinin sabit olduğu,

sıkıştırılamayan akışkan olduğu ( sabit) ve katı-akışkan ara yüzeyinde kaymaz sınır koşulu

olduğu yaklaşımlarıdır.

Silindirik sistemlerde hız akış yönlerinin ve zamanın fonksiyonudur

( ).

Hagen Poiseuille Eşitliği

Yatışkın koşullarda düz bir boru içerisinde akan akışkanın hacimsel akış hızı Hagen

Poiseuille eşitliği kullanılarak hesaplanmaktadır. Bu eşitlik; yukarıda bahsedilen kabullerin

olduğu durumlarda geçerlidir.

Düz boru içerisinde katmanlı akış için kuvvet denkliği;

12P r - 2

1P P r = 2 rl

12P r - 1

2P r + 2P r = 2 rl

2P r = 2 rl

P r

2 l

(1)

, , ,Hız f r z rd t

29

Tam gelişmiş katmanlı akış için kuvvet;

γ → γ= dudy

= dudr

dudr

(2)

Eşitlik (1), Eşitlik (2)’de yerine yazılırsa;

dudr =

Pr

2l

du =

2Pl

rdr u=2P

2 2r c

l

SK 1 r=R ; u=0

0=2

Pl

2

2R +c c=

2

4P R

l

u= 2 2Pr Pr

4 4l l

Düz boruda tam gelişmiş katmanlı akış için hız profili;

2 2P ( )4

u R rl

elde edilir.

r=0’da hız maksimum olacağından, maksimum hız maksu ;

2P4m a k s

Rul

elde edilir. (3)

uA d udA

2 2

0 0

2 24

R R Pu rdr R r rdrl

2 2 42 3

0 0

( )2 2 2 4

RR P P R r rR r r drl l

r=R

r=0

30

4

8P R

l

(Hagen-Poiseuille Eşitliği) (4)

Ortalama hız ile maksimum hız arasındaki ilişkiyi veren denklik (Eşitlik 3 ile);

uA

4

2

8P R u R

l

→

2

8P Ru

l

→

2m a ksu u olmaktadır.

Akışkanın hacimsel akış hızı ise, akışkanın çizgisel ortalama akış hızı ile boru kesit alanı

çarpımına 2,z z ortQ R V eşittir. Çizgisel ortalama hız ise çizgisel hızın toplam hacimde

integre edilmesiyle Eşitlik 5’de verildiği şekilde belirlenir.

2

20 0, ,2

0 0

8

R

zo L

z ort z ort bR

V rdr dP P

V V RL

rdr d

(5)

Eşitlik 5 kullanılarak belirlenen hacimsel akış hızı Eşitlik 6’de verilmiştir.

42 2

8 128o L o L b

z b b

P P P P DQ R R

L L

(6)

Bu şekilde düz bir boru içerisinde akan katmanlı akış türüne sahip akışkanın hacimsel akış

hızı Eşitlik 6’de verilen Hagen-Poiseuille eşitliği kullanılarak belirlenmektedir. Ancak bu

denkliğin kullanılabilmesi için Po ve PL değerlerinin Eşitlik 7’da verildiği şekilde

tanımlanması gerekmektedir.

31

0

0

T atm

L T s

hL s atm

P g h PP P g h h

P g h P

(7)

Bu sistemde tank, ölçü silindiri ve boruda akan akışkanın hacimsel akış hızları, eşit

olacağından tan k boru silindirQ Q Q hacimsel akış hızı çizgisel hız ve zamana bağlı olarak

yazılabilir. Bu durumda kullanılan tank alanı ölçü silindiri alanından çok büyük olduğundan

tan k silindirA A tanktaki su seviyesi azalması ölçü silindirindeki artışın yanında ihmal

edilebilir yani tanktaki su seviyesinin değişmediği varsayılabilir. Bu durumda tank ve ölçü

silindiri arasındaki su seviyesi değişimi ölçü silindirindeki değişime eşit olur

sd h d h .

, s ss

z s s s z

ss s

d A hdVQ V A h Qdt dt

d hdhA Adt dt

(8)

Hacimsel akış hızı yerine Eşitlik 6’dan elde edilen değer, belirtilen sınır koşullarında

yazılar teorik yükseklik farkını veren Eşitlik 9 elde edilir:

4

4

4

0

4

128

128

128

exp128

T s

T

o L bz s

bo L s

h h h t tb

sh h t

bT

s

P P D d hQ A

L dt

d hg h DP P g h AL dt

d h g D dth L A

g Dh h tL A

(9)

32

Eşitlik 9’ad belirlenen yükseklik farkı Eşitlik 8’de yerine yazıldığında, akışkanın hacimsel

akış hızı değeri Eşitlik 10’da verildiği şekilde elde edilir.

4 4

4

. exp128 128

. .128

z s

b bT

s

bz

d hQ A

dtg D g Dh t

L L A

g DQ hL

(10)

3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA

3.1. Deneysel Sonuçlar

Deneyler sırasında elde edilen veriler Çizelge 1’deki uygun yerlere yerleştirilecektir.

Çizelge 1. Zamana Göre Değişen Ölçü Silindiri Yükseklik Değişimleri

t (dk)

Deney I

(Seviye Farkı Olmadığı Durumda)

Deney II

(Seviye Farkı Olduğunda)

(hdeneysel) (hdeneysel)

33

3.2. Deney Sonrası Yapılacak Hesaplamalar

1- Deneyler sırasında zamana karşı elde edilen yükseklik farkı değerleri (hdeneysel)

kullanılarak, deneysel hacimsel akış hızları (Qz,deneysel) ve çizgisel akış hızı (Vzort,deneysel)

değerleri belirlenecektir.

2- Eşitlik 11 kullanılarak zamana karşı teorik yükseklik farkı değerleri (hteorik)

hesaplanacak,

3- Eşitlik 12 kullanılarak zamana karşı teorik hacimsel akış hızı değerleri (Qz, teorik)

hesaplanacak, Qz, teorik değerleri kullanılarak da zamana karşı teorik ortalama çizgisel akış hızı

(Vzort,teorik) değerleri hesaplanacaktır. , /z ort z boruV Q A

4- Elde edilen bu değerlerin (hdeneysel, hteorik, Qz,deneysel, Qz,teorik, Vzort,teorik, Vzort,deneysel)

zamana göre değişimleri grafik olarak gösterilecektir.

5- Belirlenen ortalama çizgisel akış hızlarına göre Reynolds(Re) sayıları hesaplanarak

akış rejimi kontrol edilecektir.

6- Tüm hesaplamalar seviye farkı olduğu ve olmadığı durumlar için ayrı ayrı yapılacak

ve elde edilen sonuçlar Çizelge 2’de belirtilen şekilde verilecektir.

7- Ayrıca başlangıç anı için (t=0) Re sayısını hesaplayarak tam gelişmiş akış için

kullanılan boru uzunluğunun yeterli olup olmadığını belirtiniz.

34

Çizelge 2. Zamana Göre Yükseklik Farkları, Hacimsel ve Ortalama Çizgisel Akış Hızları

t (dk)

Deney I (Seviye Farkı Olmadığında)

hdeneysel Qz,deneysel Vzort,deneysel hteorik Qteorik Vzort,teorik

t (dk)

Deney II (Seviye Farkı Olduğunda)

hdeneysel Qz,deneysel Vzort,deneysel hteorik Qteorik Vzort,teorik

Tartışma

Yapılan bu çalışmada düz bir boru içerisinde katmanlı akış rejiminde akan akışkanın hacimsel

akış hızının belirlenmesinde kullanılan Hagen-Poiseuille denkleminin oluşturulması için

yapılan yaklaşımlar açıklanmıştır. Ayrıca bu denklem kullanılarak borudaki akışkanın

hacimsel akış hızının belirlenebilmesi için borudaki hacimsel akış hızı ile ölçü silindirindeki

yükseklik değişimi arasında bir bağıntı kurulmuştur.

Simgeler ve Kısaltmalar

sA : Ölçü silindirinin alt yüzey alanı (m²)

bD : Boru iç çapı (m)

sD : Ölçü silindirinin iç çapı (m)

g : Yerçekimi ivmesi (9,8 m/s²)

sh : Ölçü silindirinin su seviyesi (m)

Th : Tankın su seviyesi (m)

35

L : Boru uzunluğu (m)

NRe : Reynolds Sayısı

P : Basınç (Pa)

LP : Ölçü silindirinin alt yüzeyine etki eden basınç (Pa)

oP : Tankın alt yüzeyine etki eden basınç (Pa)

bR : Borunun iç yarıçapı (m)

zQ : Hacimsel akış hızı

u : Boru içerisindeki akışkanın yığın akış hızı (m/s)

zV : Borudaki akışkanın z yönündeki çizgisel akış hızı (m/s)

,z ortV : Borudaki akışkanın z yönündeki ortalama çizgisel akış hızı (m/s)

Vs : Ölçü silindirinin hacmi (mL)

VT : Tankın hacmi (mL)

: Yoğunluk (kg/m³)

: Vizkozite (kg/m.s)

4. KAYNAKLAR

Bird, R.B., Stewart, W.E. & Lightfoot, E.N., 1960. Transport Phenomena, John Wiley

& Sons, Inc., New York.

Evranduz, Ö. & Çataltaş, İ., 1989. Gıda İşleme Mühendisliği. İnkılap Yayınevi,

İstanbul.

Munson, B.R., Young, D.F. & Okiishi, T.H., 1990. Fundamentals of Fluid Mechanics.

John Wiley & Sons, Inc., Canada.

Sing, R.P. & Heldman, D.R., 1993. Introduction to Food Engineering. 2nd ed.,

Academic Press, Inc., California.

Gökmen, V. (28 Ocak 2005). Akışkanlar Mekaniği Ders Notları, Erişim: http://www.yunus.hacettepe.edu.tr/~gökmen

36

GIDALARDA ISIL YAYINIM KATSAYISI, ISI KAPASİTESİ ve YOĞUNLUK

DEĞERLERİNİN BELİRLENMESİ

1. GİRİŞ

Gıdaların fiziksel ve ısıl özelliklerinin bilinmesi, gıda işlemlerinin dizaynında ve tasarımında

özellikle de proses etkinliğinin ve ürün kalitesinin arttırılması için gereklidir. Örneğin

pastörizasyon işleminin yapıldığı bir plakalı ısı değiştiricisinde gerekli plaka sayısı, çift borulu

ısı değiştiricide gerekli boru uzunluğu veya konsantre ürün eldesinde kullanılacak evaporatör

için gerekli boyutlar, ürüne işlenecek ham maddenin özelliklerinin bilinmesi ile

hesaplanabilmektedir.

Gıda ürünleri işleme ve depolama sürecinde; soğutma, ısıtma, pişirme, dondurma,

pastörizasyon, sterilizasyon, kurutma, evaporasyon gibi pek çok işlemden geçmektedir.

Tahıllar, hububat ürünleri ve tohumlar paketleme ve depolama öncesinde kurutulmakta,.

birçok meyve ve sebze depolanmadan önce hızla 0-10 °C arasına soğutulmakta veya

dondurulmakta. Meyve ve sebzeler konserveye işlenmeleri sırasında sterilize edilmekte, süt

ve süt ürünleri, mikroorganizma faaliyetlerinin durdurulması ve raf ömrünün arttırılması için

pastörizasyon ve sterilizasyon işlemlerine tabii tutulmaktadırlar. Konsantre meyve suyu

eldesinde meyve sularına evaporasyon işlemi uygulanmasıyla suyun uzaklaştırılması

sağlanmakadır. Tüm bu işlemlerde sistemde ısı ve/veya kütle transferi gerçekleşmekte ve bu

proseslerin tasarımında maddelerin yoğunluk, yüzey alanı, hacim, ısı kapasitesi, entalpi, ısıl

yayınım katsayısı, ısı iletim katsayısı gibi özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu deneyin

amacı gıdaların fiziksel özelliklerinden yoğunluk ve termofiziksel özelliklerinden ısı

kapasitesi ve ısıl yayınım katsayısı değerlerinin belirlenmesidir.

1.1.Yoğunluk

Yoğunluk, prosesle ilgili hesaplamalarda yaygın bir şekilde kullanılan bir fiziksel özelliktir.

Biyolojik materyallerin yoğunluğu materyalin çeşit ve kompozisyonuna bağlı olmakla birlikte

ortam sıcaklığına göre de değişim göstermektedir. Yoğunluk genel olarak, materyallerin

kütlesinin hacmine oranı şeklinde hesaplanmaktadır (Denklik 1).

37

mv

(1)

Bunun yanı sıra yoğunluk; görünür yoğunluk, partikül ve yığın yoğunluğu gibi çeşitli

şekillerde de tanımlanmakta ve hesaplanmaktadır. Yığın yoğunluğu ( B ); materyalin yığın

halinde paketlendiği veya istiflendiği durumdaki yoğunluğudur ve materyal ağırlığının yığın

hacmine oranı ile belirlenmektedir. Partikül yoğunluğu ( p ); materyal içerisindeki

boşlukların göz ardı edilmesi ile, görünür yoğunluk ( ap ) ise boşlukların göz ardı edilmemesi

durumunda hesaplanan yoğunluk değeridir.

Gıda maddelerinin yoğunluklarının belirlenmesinde en kolay uygulanan yöntem Arşimet

prensibine dayanan yöntemdir. Buna göre su içerisine atılan bir cismin hacmi taşırdığı suyun

hacmine eşittir (Çengel, Y.1998).

1.2.Isıl Yayınım Katsayısı

Isıl yayınım katsayısı genel olarak ilgilenilen ortamda ısı transferi şekillenirken ortam

içerisinde iletilen ısının depolanan ısıya oranı olarak tanımlanabilmektedir ve materyalin ısıyı

iletme ve depolama kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Bunun yanında ısıl yayınım katsayısı, ortam

içerisinde ısının ne kadar hızlı yayıldığının da bir göstergesidir. Isıl yayınım katsayısı,

maddenin ısı iletim katsayısının ısı kapasitesi ve yoğunluğuna oranı olup aşağıdaki şekilde

tanımlanmaktadır (Denklik 2).

p

kc

(2)

Isıl yayınım katsayısının hesaplanmasında kullanılan yöntemler genel olarak doğrudan ya da

dolaylı olmak üzere ikiye ayrılır. Dolaylı hesaplamada (2) nolu denklik kullanılmaktadır. Bu

denkliğin kullanılabilmesi için ısı iletim katsayısı, ısı kapasitesi ve yoğunluk değerlerinin

bilinmesi gerekmektedir.

Doğrudan ölçümlerde genel olarak sıcaklık-zaman verileri kullanılarak materyallerin ısıl

yayınım katsayısı değerleri hesaplanmaktadır. Burada yatışkın olmayan ısı transferi

denklemlerinin, sonlu ve sonsuz sistemler için uygun sınır koşullarında kullanımı ile elde

edilen çözümlerinden yararlanılır. Literatürde analitik çözümlerin kullanıldığı; Dickerson,

38

Hayakawa, Gordon ve Thorne, Bhowmik ve Hayakawa, Olivares, Guzman ve Solar, Eğim

Metodu gibi çeşitli doğrudan ölçüm yöntemleri bulunmaktadır (Rahman, S., 1995).

1.3.Isı Kapasitesi

Isı kapasitesi, birim kütledeki materyalin sıcaklığını birim derece arttırmak için gereken ısı

(joule, Btu, calori) miktarıdır. Gıdaların ısı kapasitelerini hesaplamak için çeşitli denklikler

geliştirilmiştir. Bunlardan en önemli olanı Siebel tarafından geliştirilen, maddelerin nem

içeriğine bağlı, donma noktasının altında ve üzerinde ısı kapasitesi değerinin ayrı ayrı

hesaplanabildiği eşitliktir (Denklik 3,4).

Donma noktasının üzerinde, C = 0,837 + 3,348W (3) Donma noktasının altında, C = 0,837 + 1,256W (4) (5) numaralı denklikte ise ısı kapasitesi değeri, gıda ürünlerinin protein, su, yağ, karbonhidrat

ve kül içerikleri göz önüne alınarak hesaplanabilmektedir.

퐶 = 4,180푊 + 1,711푊 + 1,928푊 + 1,547푊 + 0,908푊 (5)

(Alt indisler; w : Su, p : Protein, f : Yağ, c : Karbonhidrat, a : Kül) Bunların yanı sıra gıdaların ısı kapasitesi değerleri ürünün sıcaklığına göre de

hesaplanabilmektedir. Denklik (6)’ da, Riedel tarafından geliştirilen eşitlik görülmektedir.

Buna göre ısı kapasitesi değeri ürünün sıcaklık ve nem içeriğine bağlı olarak


퐶 = 4,187 푊 + (훼 + 0,001 푇)(1 − 푊 ) − 훽 exp (−43푊 , ) (6)

(α ve β katsayıları gıdalara göre değişim göstermektedir. Örneğin et için bu katsayılar

sırasıyla 0,385 ve 0,08’ dir. )

Deneysel verilerle elde edilen denkliklerin kullanımlarının yanında materyallerin ısı kapasitesi

değerleri çeşitli yöntemlerle hesaplanabilmektedir. Karışım ve karşılaştırma yöntemleri,

adyabatik yöntem ve mikro kalorimetre (Differential Scanning Calorimeter) ile ölçüm

bunlardan bir kaçıdır.

39

Karışım yöntemi ısı kapasitesi ölçüm yöntemleri içerisinde en yaygın olarak kullanılan

yöntemdir. Burada bilinen kütle ve sıcaklıktaki örnek, içerisinde ısı kapasitesi, sıcaklığı ve

miktarı bilinen sıvı bulunan kalorimetre içerisine konulur. Örneğin ısı kapasitesi değeri,

kalorimetre içerisindeki karışıma uygulanan, dengedeki ısı denkliği ile hesaplanır. Isı

kapasitesi bilinmeyen örnek, sistem içerisinde ısı kazanacak veya kaybedecektir, yine aynı

durum kalorimetre sıvısı için de geçerlidir. Kalorimetre içerisinde alınan ısı verilen ısıya eşit

olacaktır. Sistemde kurulan ısı enerjisi denge denkliği ile ısı kapasitesi değeri

hesaplanmaktadır.

Karışım metodu en genel ısı kapasitesi ölçüm yöntemi olsa da, işlem sırasında, termal sızıntı,

ısı oluşumu, karışım sırasında oluşan problemler gibi bir takım hatalar oluşabilmektedir.

Termal sızıntı: Karışım yönteminin ana hata kaynağı kalorimetrede gerçekleşen ısı kaybıdır.

Bu sorun özellikle birim hacim başına çok düşük ısı kapasitesine sahip materyallerin ısı

kapasitelerinin ölçülmesi sırasında ve bazen de kalorimetre sıvısının ısı kapasitesi değerinin

örneğinkinden çok fazla olması durumunda önem kazanır.

Isı oluşumu: Bu yöntemde gıda materyali ile ısı transferinin olduğu ortam doğrudan olarak

etkileşim halindedir. Bu durum, hidroskopik gıda materyallerinin ısı kapasitelerinin

saptanmasını zorlaştırmaktadır. Çünkü hidroskopik olan gıdalar kalorimetre sıvısında

çözünecek ve çözünme ısısı ortaya çıkacaktır. Modifiye edilmiş karışım metodunda örnek

bakır kapsüller içerisine konulur ve bu kapsül kalorimetre sıvısı içerisine yerleştirilir. Bu

durumda çözünme ısısının belirlenmesine gerek kalmayacaktır fakat örneğin kapsül içerisine

yerleştirilmesi de çok kolay olmamaktadır.

Karışımdan doğan problemler: Sistem içerisinde örneğin kalorimetre sıvısı içerisine batması

gerekmektedir. Bunun için ısı transfer ortamının yoğunluğunun, gıda örneğinin

yoğunluğundan daha düşük olması gerekmektedir. Kalorimetre sıvısı olarak kullanılan toluen

(860 kg/m3), su ve n-hekzanın (515 kg/m3) yoğunlukları, gıda materyallerinin

yoğunluklarından düşüktür ve bunlar en yaygın olarak kullanılan kalorimetre sıvılarıdır.

Bunu yanı sıra bazı gıda örneklerinde dondurma ve çözündürme işlemleri sırasında gıdaların

lifli materyallerinin sıvı kısımlarından ayrılması söz konusudur. Bu gıdalar, kalorimetre

içerisinde kalorimetre sıvısının alt kısmında posalı (lifli) kısım, üst kısmında sıvı kısım

toplanacak şekilde iki faza ayrılırlar.

40

Sonuç olarak yapılacak olan deneyin amacı; gıda örneklerine ait fiziksel ve ısıl özellikler olan

yoğunluk, ısı kapasitesi ve ısıl yayınım katsayısı değerlerinin hesaplanmasıdır.


2.1. Materyal

-Deney numunesi olarak patates kullanılacaktır.

-Yoğunluk hesaplamada; terazi, beher ve destile su kullanılacaktır.

-Isıl yayınım katsayısı hesaplamada; T tipi ısıl çift, sıcaklık veri kaydedici sistemi, su

banyosu, örneğe silindirik şekil veren kesici alet gibi araçlar kullanılacaktır. -Isı kapasitesi hesaplamada; kalorimetre, etüv, iğne uçlu termometre ve destile su

kullanılacaktır.

2.2. Metot

2.2.1. Yoğunluk

Yoğunluk değerinin belirlenmesinde Arşimet prensibine dayanan yöntem kullanılacaktır.

Arşimet prensibine göre su içersine atılan bir cismin hacmi taşırdığı suyun hacmine eşittir.

Ayrıca su içerisine atılan bir cismin ağırlığında suyun kaldırma kuvvetine bağlı olarak suyun

ağırlında bir kayıp olur. Bu kayıp bize örneğin hacmini bulunmasını sağlayacaktır.

örnek suörnek örnek

örnek su

m mVV

(7)

Örneğin yoğunluk değerinin belirlenmesi;

1.Patetesin ağırlığı kaydedilir.

2.500 mL’lik beher içerisine destile su konulur.

3.İçerisinde su bulunan beher terazi üzerine konulur.

4.Ağırlığı kaydedilen patates su içinde askıda kalacak şekilde sabitlenir.

5.Suyun ağırlığındaki artış kaydedilir.

41

2.2.2 Isıl yayınım katsayısı

Deneyde doğrudan hesaplama yöntemlerinden Dickerson ve Eğim Yöntemi ile gıda örneğinin

ısıl yayım katsayısı değeri iki farklı şekilde hesaplanacaktır.

Dickerson Yöntemi:

Dickerson yöntemi sonsuz silindir şekilli geometriler için uyarlanan bir yöntemdir (L>8R,

L: silindirin uzunluğu, R: silindirin yarıçapı). Bu yöntem başlangıçtaki geçiş aşamasından

sonra örnek merkez (To) ve yüzey sıcaklığı (Ts) arasındaki sıcaklık farkının belli bir süre

sabit kalması ilkesine dayanmaktadır (Şekil 1).

Şekil 1.

Dolayısıyla sıcaklık farkının sabit olduğu bu bölgede yatışkın olmayan ısı transferi

denkleminde (8) verilen tT terimi sabit olarak kabul edilebilir.

2

2

1T T Tt r r r

(8)

0

10

2030

40

50

60

70

80

0 500 1000 1500 2000 2500

Zaman (sn)

T (°

C)

ToTsTs-To

42

2

2

1 .T T TAt r r r

(9)

Bu durumda (9) numaralı denklik aşağıdaki şekilde yazılabilir:

= + (10)

Denklem (10)’ten anlaşılacağı gibi deneysel olarak belirlenen bu bölgede sıcaklığın sadece

yarıçapa bağlı olarak değiştiği kabul edilmektedir. Bu durumda (10) numaralı denklemin

çözümü (11) numaralı denklikte verildiği şekilde belirlenebilir:

푇(푟) = + 퐶 ln(푟) + 퐶 (11)

(11) numaralı denkliğin aşağıda verilen sınır koşullarındaki çözümü ile (14) numaralı denklik

elde edilir.

Sınır koşulları:

T=Ts t>0, r=R (12)

0Tr

t>0, r=0 (13)

2 2

4sAT T r R r

(14)

(14) nolu denklikten silindirin merkezindeki (r=0) sıcaklık için 0T r T (15) nolu denklik

yazılabilir:

2

0 4sA RT T

(15)

43

Bu durumda (16) nolu denklik elde edilir;

2

04 s

A RT T

(16)

Eğim Yöntemi:

Bu yöntemde düzgün geometrik cisimlerde (plaka, silindir, küre) analitik denkliklerin çözümü

ile ısıl yayınım katsayısı kolaylıkla hesaplanabilmektedir.

Sonsuz silindirde (L>8R) sıcaklık dağılımı:

2102 2 2

1 0 1

, ( )2 exp( ) ( )

nn n

ni n n n

T r t T J r tJT T J J R R

(17)

Buradaki değeri aşağıdaki Biot (Bi) sayısı denkliği (18) kullanılarak hesaplanabilir:

1( )( )o

h R JBik J

(18)

Denklem (17), (8) numaralı denklemin aşağıdaki sınır ve başlangıç koşulları kullanılarak

çözülmesiyle elde edilmiştir.

T(r,0)=Ti (19)

,,

r Rr R

T r tk h T r t T

r

(20)

0

,0

r

T r tr

(21)

Fourier sayısının 0.2’ den büyük olduğu durumda (17) numaralı denklikte sadece birinci terim

kullanılabilir. Denkliğin birinci terimi kullanılarak her iki tarafının ln’i alındığında:

44

1 1 20 1 12 2 2

1 0 1 1 1

, 2ln ln( )i

T r t T J r tJT T J J R R

(22)

ya da;

21 1 2

,ln

i

T r t T tAT T R

(23)

şeklinde yazılabilir. Burada;

Eğim yöntemi ile ısıl yayınım katsayısın hesaplanması için farklı zamanlarda (t) örneğin

herhangi bir noktasında ölçülen sıcaklık değerleri (T(r,t)) (23) numaralı denkleme konulup,

zamana karşı ,

lni

T r t TT T

grafiği çizilir:

Şekil 2

Bu grafiğin Fo>0.2 olduğu durumdaki (zamana karşı çizilen ,

lni

T r t TT T

eğrisinin

doğrusal bölümü) eğimi; 21 2m

R

’dir.

-1,6-1,4-1,2

-1-0,8-0,6-0,4-0,2

00 500 1000 1500

Zaman (sn)

ln [(

T(r

,t)-T

∞)/

(T1-

T∞)]

Fo>0,2

45

Grafiğin eğimi hesaplandığında 1 değerinin de bilinmesi durumda α kolaylıkla

hesaplanabilecektir.

Örneğin ısıl yayınım katsayısı değerinin belirlenmesi;

(Dickerson Yöntemi):

1. Patates sonsuz silindir olacak şekilde kesilir.

2. Örneğin boyutları ölçülür.

3. Örneğin merkezine ve yüzeyine T tipi termokapıllar yerleştirilir.

4. Su banyosu 75°C’ ye ayarlanır ve karıştırıcısı çalıştırılır (su banyosunun başlangıç

sıcaklığı 30°C olmalı).

5. Her 30 saniyede bir, örneğin merkezi ve su banyosunun sıcaklık verileri (örneğin merkez

sıcaklığı, su banyosu sıcaklığına yaklaşanana kadar) kaydedilir.

(Eğim Yöntemi):

1. Mümkün olduğunca düz silindire benzeyen muz tüm olarak kullanılacaktır.

2. Örneğin boyutları ölçülür.

3. Örnek içerisine ve ortama termokapıllar yerleştirilir.

4. Her 10 saniyede bir, örneğin ve ortamın sıcaklık verileri (örneğin sıcaklığı, ortam

sıcaklığına yaklaşanana kadar) kaydedilir.

2.2.3 Isı kapasitesi

Isı kapasitesi değeri belirlemede karışım yöntemi kullanılacaktır. Bu yöntem öncelikle

kalorimetrede dış ortama ısı kaybı olup olmadığı belirlenir. Bu amaçla kalorimetre içerisine

kalorimetre sıvısı konulur ve bir saat sonunda sıvının sıcaklığı kaydedilir. Kalorimetre

içerisinde konulan sıvının ağırlığı ve başlangıç sıcaklığı da göz önüne alınarak bir saat

süresince olan ısı kaybı hesaplanır. Bu değer kalorimetrede dış ortama olan ısı kaybı değeridir.

kayıp w wQ w c T (24)

46

Daha sonra ağırlığı ve başlangıç sıcaklığı bilinen ve ısı kapasitesi değeri hesaplanmak istenen

örnek, içerisinde su kapasitesi, sıcaklığı ve miktarı bilinen sıvı kalorimetre içerisine konulur.

Örneğin ısı kapasitesi değeri, bir saat sonrasında kalorimetre içerisindeki karışıma uygulanan,

dengedeki ısı denkliği ile hesaplanır. Isı kapasitesi belirlenecek olan örnek, sistem içerisinde

ısı kazanacak veya kaybedecektir, yine aynı durum kalorimetre sıvısı için de geçerli olacaktır.

Sonuç olarak sistemde ısı enerjisi denge denkliği ile örneğin ısı kapasitesi değeri denklik

(26)’de verildiği gibi hesaplanacaktır.

1 2 3 4

alınan kayıp verilen

sa sa kayıp w w

Q Q Q

w c T T Q w c T T

(25)

Örneğin ısı kapasitesi değerinin belirlenmesi:

1. Etüv sıcaklık dalgalanmalarının engellenmesi amacıyla 30°C sıcaklığa ayarlanır.

2. Kalorimetre içerisine yaklaşık 300 ml, 70°C’ de distile su koyulur.

3. Kalorimetreyi etüve yerleştirilir.

4. Bir saat sonunda kalorimetre içerisindeki suyun sıcaklığını ölçülür ve kaydedilir.

5. Kalorimetre içerisine tekrar 300 ml, 70°C’ de distile su koyulur.

6. Isı kapasitesi değeri hesaplanacak olan örneğin başlangıç sıcaklığı ve ağırlığı

kaydedilerek kalorimetre içerisine koyulur.

7. Kalorimetre etüve yerleştirilir.

8. Bir saat sonunda örneğin ve kalorimetre sıvısının (su) sıcaklıkları ölçerek kaydedilir.


3.1. Deneysel Veriler

Yoğunluk

Örnek ağırlığı (g)

Sudaki ağırlık artışı (g)

47

Isı kapasitesi:

ww

saw

wc

1T

2T

3T

4T T

Isıl yayınım katsayısı

Örnek boyutları (Dickerson Yöntemi) Örnek boyutları (Eğim Yöntemi) Zamana karşı sıcaklık verileri:

3.2. Deney Sonrası Yapılacak Hesaplamalar ve Tartışma

Yoğunluk

1. Örneğin hacmini ve yoğunluğunu hesaplayınız. Bulduğunuz sonucu literatür ile

karşılaştırınız.

2. Gıdaların yoğunluğuna etki eden faktörleri araştırınız.

Isı kapasitesi

1. Bulduğunuz sonucu literatür ile karşılaştırınız.

2. Gıdaların su içeriğinin ısı kapasitesi değerleri üzerine etkisi var mıdır tartışınız.

3. Bulduğunuz ısı kapasitesi değerini diğer denkliklerle hesapladığınız ısı kapasitesi

değerleri ile ve karşılaştırınız.

4. Gıdaların diğer termal özellikleri nelerdir?

Isıl yayınım katsayısı

1. Dickerson yöntemi ile yapılan ısıl yayınım katsayısı deneyinde elde ettiğiniz Ts, To, ve Ts-

To değerlerinin zamana karşı değişimini tek bir grafik üzerinde gösteriniz ve çizdiğiniz

grafiği ve denklem (10)’u kullanarak ısıl yayınım katsayısı değerini bulunuz.

48

2. Eğim yöntemi ile yapılan ısıl yayınım katsayısı deneyi sırasında kaydettiğiniz verileri

kullanarak ln(T(r,t)-T∞)/(Ti-T∞) değerlerini hesaplayıp, bu değerleri zamana karşı grafiğe

geçiriniz ve analitik yöntemi kullanarak ısıl yayınım katsayısı değerini bulunuz.

3. Her iki yöntemle hesapladığınız α değerlerini birbirleriyle ve literatürle karşılaştırınız.

4. İğne uçlu termometrenin örneğin tam merkezine değil de herhangi bir noktaya batırılması

durumunu tartışınız, böyle bir durumda Dickerson yöntemi veya analitik yöntem

uygulanabilir miydi?

Simgeler ve kısaltmalar

Yoğunluk (kg/m³) m Kütle (kg) v Hacim (m3) k Isıl iletim katsayısı (W/m-K)

pc Isı kapasitesi (J/kg-K) Isıl yayınım katsayısı (m²/s) Q Isı enerjisi (J)

T Sıcaklık farkı (K) M Ondalık temelde nem içeriği X Her bir bileşenin kütle veya ağırlık kesri

ww Kalorimetre sıvısının kütlesi (kg)

saw Örneğin kütlesi (kg)

ocT Kalorimetre sıvısının başlangıç sıcaklığı (°C )

emT Karışımın denge sıcaklığı (°C )

osT Örneğin başlangıç sıcaklığı (°C )

sac Örneğin osT ve emT sıcaklık aralığındaki ısı kapasitesi değeri (kJ/kgK)

wc Suyun ocT ve emT sıcaklık aralığındaki ortalama ısı kapasitesi değeri (kJ/kgK)

1T Kalorimetre içerisine konulan örneğin başlangıç sıcaklığı (°C)

2T Kalorimetre içerisine konulan örneğin son sıcaklığı (°C)

3T Kalorimetre sıvısının başlangıç sıcaklığı (°C )

4T Kalorimetre sıvısının son sıcaklığı (°C ) T Belirlenen süre içerisindeki kalorimetre sıvısına ait sıcaklık farkı (°C )

0T Örneğin herhangi bir t anındaki merkez sıcaklığı (°C)

sT Örneğin herhangi bir t anındaki yüzey sıcaklığı (°C ) A Isınma eğrisinin eğimi (°C/s) R Silindirin yarıçapı (cm) ,T r t Örneğin zamanla değişen sıcaklığı (°C)

T Ortam sıcaklığı (°C)

iT Örneğin başlangıç sıcaklığı (°C)

49

5. KAYNAKLAR

1. Rahman, S. Food Properties Handbook, 339-390, CRC press, 1995

2. Rizvi, S.S. H., Mittal, G. S., Experimental Methods in Food Engineering, Van Nosrnd

Reinhold, 1992

3. Çengel, Y., Heat Transfer, 25-26, McGraw-Hill

4. Erdoğdu, F. Isı Transferi Dersi Ders Notları, 2002, Mersin Universitesi, Gıda Müh Böl.

5. Mohsenin., N. N. Thermal Prooperties of Foods and Agricultural Materials, 1980., Gordon

and Breach Science Publishers.

6. R. Stroshine., D. Haman., Physical Properties of Agricultural Materials and Food

Products, 1994.

50

ÇİFT BORULU ISI DEĞİŞTİRİCİDE TOPLAM ISI TRANSFER

KATSAYISININ BELİRLENMESİ

1. GİRİŞ

Gıda endüstrisinde uygulanan temel işlemler arasında yaygın olanları ısıl işlemler,

buharlaştırma, kurutma ve dondurmadır. Bu işlemler ürün ile ısıtma ve/veya soğutma

ortamları arasında ısı transferini gerektirir. Gıdaların ısıtılma ve soğutulma prosesleri

özellikle gıdaların mikrobiyal ve enzimatik bozulmalarının gerçekleştiği proseslerde önem

taşır. Endüstriyel ölçekli birçok ısıtma ve soğutma işleminde akışkan yapıdaki gıdalar için

yaygın olarak ısı değiştiriciler kullanılmaktadır (Singh ve Heldman, 2003).

Isı değiştiriciler, farklı sıcaklıklarda ve birbirine temas etmeyen iki akışkan arasındaki

ısı transferini sağlayan ekipmanlardır. Genel olarak doğrudan temaslı ve dolaylı temaslı ısı

değiştiriciler olarak iki gruba ayrılırlar. Dolaylı temaslı ısı değiştiriciler plakalı, borulu,

sıyırıcı yüzeyli ve kabuk ve tüp geçişli (Şekil 1) olarak gruplandırılır. Bu tip ısı

değiştiricilerde ürün ile ısıtma veya soğutma ortamı genellikle ince bir metal duvar ile fiziksel

olarak ayrılmıştır. Doğrudan temaslı ısı değiştiriciler buhar enjeksiyonlu ve buhar enfüzyonlu

olarak gruplandırılır. Bu tiplerde ise ürün ile ısıtma ortamı arasında fiziksel bir temas söz

konusudur. Örneğin, buhar enjeksiyonlu sistemlerde ısıtılmak istenen ürünün bulunduğu

ortama buhar enjeksiyonu yapılır (Çengel, 1998).

Şekil 1. Gövde borulu ısı değiştiricisi

İçiçe iki borudan oluşan çift borulu ısı değiştiricilerde içteki boruda bir akışkan

akarken diğer akışkan ise gövdede (iki boru arasındaki boşluk) akmaktadır. Akışkanlar aynı

Boru

Akışkanı

Boru

Akışkanı

Gövde Akışkanı

Girişi

Gövde

Akışkanı

Şaşırtma Levhası

51

Thg

Thç

Tcç

Tcg

∆T1 ∆T2

Thg

Thç

Tcç

Tcg

Thg

Thç

Tcç

Tcg

∆T1 ∆T2

Thg

ThçTcç

Tcg

∆T1

∆T2

Thg

ThçTcç

Tcg

∆T1

∆T2

yönde (paralel akış, Şekil 2) ya da birbirlerine ters yönde (zıt akış, Şekil 3) akabilirler (Singh

ve Erdoğdu, 2004). Isı, akışkanlarla boru yüzeyi arasında konveksiyonla, boru duvar kalınlığı

boyunca kondüksiyonla transfer olmaktadır. Isı değiştiricilerde birden fazla akışkan olduğu

ve konveksiyonel ve kondüksiyonel ısı transferi bir arada gerçekleştiği için bütün ısı transferi

etkilerini içeren toplam ısı transfer katsayısı (U) kullanılmaktadır (Çengel, 1998).

Şekil 2. Çift borulu ısı değiştiricilerde paralel akış

Şekil 3. Çift borulu ısı değiştiricilerde zıt akış.

İki akışkanın metal bir duvar ile ayrıldığı çift borulu bir ısı değiştiricide, dıştaki

akışkandan duvara konveksiyon ile, boru boyunca kondüksiyon ile ve boru yüzeyinden içteki

akışkana yine konveksiyon ile ısı transferi gerçekleşmektedir. Bu ısı transferi işleminde iki

konveksiyonel ve bir kondüksiyonel ısıl direnç oluşmaktadır.

Kondüksiyonla (iletimle) ısı transferi, Eşitlik 1. de verilen “Fourier yasası” ile

tanımlanır.

1 2( )xdT kAq kA T Tdx

(1)

Thg

Thç

Tcg Tcç

Thg

Thç

Tcg Tcç

52

Burada k: ısı iletim katsayısı (W/m.K), A: ısı transfer yönüne dik duvar alanı (m2), : kalınlık

(m), T1 ve T2: sıcaklık (K) dır. Isı iletim direnci (Riletim) Eşitlik 2 deki gibi tanımlanır.

1 2iletim

x

T TRq kA

(2)

Konveksiyonla (taşınımla) ısı transferi, Eşitlik 3. de verilen “Newton’un soğuma

yasası” ile ifade edilir.

( )sq hA T T (3)

Burada h: ısı taşınım katsayısı (W/m2.K), A: ısı transfer yönüne dik duvar alanı (m2), Ts ve

T: sıcaklık (K) dır. Isı taşınım direnci (Rtaşınım) aşağıdaki gibidir.

1staşınım

T TRq hA

(4)

Karma sistemlerde Newton’un soğuma yasasına benzer bir biçimde tanımlanan

toplam ısı transfer katsayısı, U (W/m².K) ile çalışmak çoğu kez daha kolaydır. Bu

yaklaşımla,

xq UA T (5)

olup, T toplam sıcaklık farkıdır. Eşitlik 2 ve Eşitlik 4 de sırasıyla kondüksiyon ve

konveksiyonla gerçekleşen ısı transferi için yapılan direnç tanımlaması karma sistemler içinde

yapılacak olursa:

1toplam

x

TRq UA

(6)

olur. Yani toplam ısı transfer katsayısı Eşitlik 7. deki gibi olur.

53

1

toplam

UR A

(7)

Şekil 2. ve Şekil 3. deki gibi paralel ve zıt akışlı çift borulu ısı değiştiriciler için enerji

denkliği Eşitlik 8. deki gibi yazılabilir.

chp c p cg cçh hg hçQ m c T T m c T T (8)

Burada alt indisler “h” ve “c” sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanları, cp ısı kapasitesini

(kJ/kg.K), m kütlesel akış hızını (kg/s) ifade etmektedir.

Aynı zamanda toplam ısı transfer katsayısına bağlı olarak aktarılan ısı Eşitlik 9. daki

gibi de tanımlanabilir.

LMLM LM i i d d

TQ U A T U A T U A T

R

(9)

Burada “i” alt indisi boru içini, “d” ise boru dışını belirtmektedir. Akışkanlar

arasındaki sıcaklık farkı ısı değiştirici boyunca değiştiği için sıcaklık farkı, ortalama

logaritmik sıcaklık farkı (LMTD, ∆TLM) ile ifade edilir (Eşitlik 10).

1 2

1

2

lnLM

T TTTT

(10)

Bu eşitlikte ∆T1 ve ∆T2 sırasıyla ısı değiştiricinin giriş ve çıkışında, iki akışkan

arasındaki sıcaklık farkını ifade eder (Şekil 2. ve Şekil 3.). Isı değiştiricilerde kondüksiyonla

ısı transferine dik olan boru kesit alanı yarıçap yönünde değişim gösterdiğinden silindirik

sistemlerde yapılan hesaplamalarda Eşitlik 11. de verilen logaritmik ortalama alan (ALM)

değeri kullanılır.

54

ln

d iLM

d

i

A AAAA

(11)

Bu eşitlikte Ai ve Ad (m2) sırasıyla içteki borunun iç yüzey alanı ve içteki borunun dış

yüzey alanıdır. ∆T1, ∆T2 ve ALM değerleri bilindiğinde ya da Eşitlik 8 ve Eşitlik 9 ile verilen

enerji denkliği ile belirlendiğinde LMTD metodunun kullanımı oldukça kolaydır.

İçteki borunun iç yüzey alanı Ai i iA D L ve dış yüzey alanı Ad d dA D L

olduğunda boru duvarındaki ısıl direnç (Rduvar) Eşitlik 12. de gösterildiği gibidir. Dd ve Di

sırasıyla içteki borunun dış ve iç çaplarıdır.

var

ln

2id

du

D DR k L

(12)

L ise borunun uzunluğudur. Isı değiştiricideki toplam ısıl direnç (Rtoplam) Eşitlik 13.

deki eşitlik ile hesaplanır.

varln1 12

iditoplam du d

i i d d

D DR R R R R

h A k L h A

(13)

Isı değiştirici analizlerinde üç ısıl direncin kombinasyonu olan tek bir direnç

kullanılarak ısı transfer hızı Eşitlik 9. da verildiği şekilde tanımlanır.

Eşitlik 9’daki T değerleri sadeleştirilerek düzenlendiğinde Eşitlik 14. elde edilir.

var1 1 1 1 1

LMdu

i i i id d d dR R

U A U A U A h A h A

(14)

Çift borulu bir ısı değiştirici tasarımı yapılırken, ürün ve ısıtma ve/veya soğutma

ortamları için ayrı ayrı konveksiyonla ısı transfer katsayılarının belirlenmesi gerekmektedir.

Bu katsayıların belirlenmesi için ısı transfer katsayısının boyutsuz biçimi olan Nusselt (Nu)

55

sayısı korelasyonlarından yararlanılır. Uygun Nu sayısı korelasyonuna akışkan özelliklerine

ve akış türüne göre karar verilir (Bkz. Bölüm 2.2.2. Matematiksel Metot).


3.1.Materyal

Yapılan çalışmada Armfield marka çift borulu ısı değiştirici deney düzeneğiyle

çalışılacaktır. Sıcak ve soğuk akışkanlar olarak ise su kullanılacaktır.

3.2.Metot


Deneyler paralel ve zıt akış konumlarında yapılacaktır. İlk olarak ısı değiştirici,

üzerinde bulunan vanalar ile paralel akış konumuna getirilir. Sıcak suyun sıcaklığı 60°C ye

ayarlanır. Soğuk su musluğu açılarak soğuk suyun ısı değiştiricide akışı başlatılır. Sıcak

suyun sıcaklığı ayarlanan değere ulaştığında sıcak su bulunduğu hazneden ısı değiştiriciye

pompalanır. Sıcak ve soğuk akışkanlar ısı değiştiricide akarken hacimsel akış hızları Çizelge

1. de belirtildiği gibi ayarlanır. Sıcak ve soğuk akışkanların giriş ve çıkış sıcaklıkları dengeye

geldiğinde sıcaklık değerleri kaydedilir ve Ek-1 de verilen Çizelge 2. ve Çizelge 3. de

belirtilen yerlere yazılır.

Çizelge 1. Sıcak akışkanın hacimsel akış hızı (qh, l/dk) ve soğuk akışkanın hacimsel akış hızı (Qc, L/dk)

Deney No Qh , (L/dk) Qc , (L/dk)

1 1,5 1

2 1,5 2

3 3 1

4 3 2

56


3.2.2.1. Akış türünün belirlenmesi

Isı transfer katsayısının belirlenmesi için öncelikle akış türü belirlenir. Bu amaçla

önce kullanılan akışkanın ortalama bir sıcaklıktaki termofiziksel özellikleri hesaplanır.

Ortalama sıcaklık, sıcak akışkan için , 2hg hç

h ort

T TT

ve soğuk akışkan için , 2

cg cçc ort

T TT

dir. Bu değerler iki akışkanın da ısı değiştiriciye giriş ve ısı değiştiriciden çıkış sıcaklık

değerlerinin ortalaması alınarak belirlenmiştir.

Akış türü, içteki boruda akan akışkan için Eşitlik 15. de verilen Reynolds sayısı

hesaplanarak belirlenir.

ReD uN

(15)

Bu eşitlikte, D boru çapı (m), u akışkanın ortalama çizgisel hızı (m/s), akışkanın

yoğunluğu (kg/m3) ve ise akışkanın dinamik vizkozitesi (kg/m.s) dir. Gövdede akan

akışkan için Reynols sayısı belirlenirken Eşitlik 15. de verilen boru çapı olarak hidrolik çap

kullanılır (Eşitlik 16).

04

H iIslatılan AlanD D D

Islatılan Çevre

(16)

Belirlenen Reynolds sayısına göre akış türü; NRe < 2100 ise katmanlı (tabakalı) akış, 2100

≤ NRe ≤ 4000 ise geçiş bölgesinde akış, NRe > 4000 ise kargaşalı akışdır.

Katmanlı akış için ısı transfer katsayısının belirlenmesi: Bu amaçla Eşitlik 17. kullanılır.

0,141 3

Re Pr1,86 bNu

d

h D DN N Nk L

(17)

57

Eşitlik 17. de b akışkanın yığın akış sırasındaki vizkozitesi (kg/m.s) ve d değeri de

akışkanın boruya temas ettiği nokta sıcaklığındaki vizkozite değeridir, dolayısıyla borunun

yüzey sıcaklığının belirlenmesi gerekmektedir. Ancak deney düzeneği kapalı ve sürekli bir

sistem olduğu için ve sıcak ve soğuk akışkan sıcaklıkları arasında bir denge kurulana kadar

yüzey sıcaklığı değişeceği için duvar sıcaklığının belirlenmesi oldukça zordur. Bu sebeple b

ve d değerlerinin birbirine eşit olduğu yaklaşımı yapılarak ısı transfer katsayısı değerleri

belirlenebilir.

Kargaşalı akış için ısı transfer katsayısının belirlenmesi: Bu amaçla Eşitlik 18.

kullanılır.

Pr

0,8Re0,023

nNu

h DN N Nk

(18)

Akışkan soğutuluyorsa; n = 0,3, akışkan ısıtılıyorsa; n = 0,4 olarak alınır.

Geçiş bölgesinde ise, L/D değerleri NRe sayısına bağlı olarak hazırlanmış grafik (Ek-

2.) kullanılarak ısı transfer katsayısı belirlenir.

Bu grafikteki JH 0,142 3

p dH

p b

cJ

kh

c

ısı transferinde kullanılan JH

(Colburn J faktörü) boyutsuz ısı geçiş katsayısıdır.

Şekil 4. Geçiş bölgesi için ısı transfer parametreleri korelasyonu

58

Bu şekilde sıcak ve soğuk akışkanlar için ısı transfer katsayıları belirlendikten sonra

Eşitlik 14. kullanılarak toplam ısı transfer katsayısı hesaplanır.


Yapılan çalışmada çift borulu ısı değiştiricide paralel ve zıt akış konumlarında, değişik

hacimsel akış hızlarında sıcak ve soğuk akışkanların giriş ve çıkış sıcaklıkları belirlenir. Bu

sıcaklık değerleri kullanılarak sıcak ve soğuk akışkanlar için ısı transfer katsayıları bulunur.

Ayrıca ısı değişticideki toplam ısı transfer katsayısı belirlenir ve elde edilen değerler Ek-1.

verilen Çizelge 4. ve 5. de ilgili yerlere yazılır. Farklı hacimsel akış hızları için elde edilen

farklı sıcaklık değerlerinin değişimi, paralel ve zıt akış için incelenerek hangi akış türünün

daha verimli olduğu belirlenir.

Simgeler ve Kısaltmalar

A : İçteki borunun toplam yüzey alanı, m2 Ai : İçteki borunun iç yüzey alanı, m2

Ad : İçteki borunun dış yüzey alanı, m2

cp : Isı kapasitesi, kJ/kg.K Di : İçteki borunun iç çapı, m Dd : İçteki borunun dış çapı, m DH : Hidrolik çap, m hi : İç boruda akan akışkanın ısı taşınım katsayısı, W/m2.K hd : Dış boruda akan akışkanın ısı taşınım katsayısı, W/m2.K K : Boru materyalinin ısı iletim katsayısı, W/m.K L : Boru uzunluğu, m m : Kütlesel akış hızı, kg/s

NRe : Reynolds Sayısı, ReD uN

NPr : Prandtl Sayısı, Pr

pcN

k

Nst Q

: Stanton Sayısı, N st =

: Hacimsel ortalama akış hızı, L/dk Qc : Soğuk akışkanın hacimsel akış hızı, L/dk Qh : Sıcak akışkanın hacimsel akış hızı, L/dk Rduvar : Boru duvarındaki ısıl direnç Ri : İçteki boruda akan akışkanın taşınım direnci, K/W Rd : Dıştaki boruda akan akışkanın taşınım direnci, K/W u : Akışkanın ortalama çizgisel hızı, m/s

59

U : Toplam ısı transfer katsayısı, W/m².K Ui : İç boruda akan akışkanın toplam ısı transfer katsayısı, W/m2.K Ud : Dış boruda akan akışkanın toplam ısı transfer katsayısı, W/m2.K ∆T1 : Isı değiştirici girişindeki sıcaklık farkı (°C) ∆T2 : Isı değiştirici çıkışındaki sıcaklık farkı (°C) ∆TLM : Logaritmik ortalama sıcaklık farkı (°C) : Akışkanın yoğunluğu, kg/m3 : Akışkanın dinamik vizkozitesi, kg/m.s : Akışkanın kinematik vizkozitesi, m2/s

5. KAYNAKLAR

Çengel, Y.A. “Heat Transfer: A Practical Approach”, McGraw-Hill Inc. Hightstown, NJ., (1998). Singh, P.R. ve Erdoğdu, F. “Virtual Experiments in Food Processing”, Rar Press, Davis, California, 25-29s., (2004). Singh, P.R. ve Heldman, D.R., “Introduction to Food Engineering” Academic Press, 3. baskı, California, 656s., (2003).

EKLER

Ek-1. Veri Kayıt Tabloları

Çizelge 2. Paralel akış konumunda okunan sıcaklık değerleri

Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) Th,g (°C) Th,ç (°C) Tc,g (°C) Tc,ç (°C)

1,5 1

1,5 2

3 1

3 2

Çizelge 3. Zıt akış konumunda okunan sıcaklık değerleri

Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) Th,g (°C) Th,ç (°C) Tc,g (°C) Tc,ç (°C)

1,5 1

1,5 2

3 1

3 2

60

Çizelge 4. Paralel akış konumunda sıcak ve soğuk akışkanların ısı transfer katsayıları ve ısı değişticideki toplam ısı transfer katsayısı

Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) hi , (W/m2.K) hd , (W/m2.K) U , (W/m2.K)

1,5 1

1,5 2

3 1

3 2

Çizelge 5. Zıt akış konumunda sıcak ve soğuk akışkanların ısı transfer katsayıları ve ısı

değişticideki toplam ısı transfer katsayısı

Qh , (L/dk) Qc , (L/dk) hi , (W/m2.K) hd , (W/m2.K) U , (W/m2.K)

1,5 1

1,5 2

3 1

3 2

61

SU ISITICI TANK

POMPA

BY PASS

AKIŞ ÖLÇER

TERMOMETRE

SOĞUK SU ÇIKIŞI

SOĞUK SU GİRİŞİ

AKIŞ ÖLÇER

1

2 3

4

VANALAR

1 2 3 4

AKIŞ

ŞE

KLİ

PARALEL AÇIK KAPALI AÇIK KAPALI

ZIT KAPALI AÇIK KAPALI AÇIK

Tüp dış çapı 15 0,7 mm duvar

Gövde dış çapı 22 0,9 mm duvar

Yalıtım kalınlığı 20 mm duvar

Isının iletildiği uzunluk 1,5 m

Isının iletildiği alan 20,067 m

62

SÜRTÜNME KAYIPLARI HESAPLAMALARI

1. GİRİŞ

Sıvı gıdaların, gıda endüstrisi uygulamalarında bir noktadan diğer bir noktaya taşınması genel

ve gerekli bir işlemdir. Bu işlemlere, sütün bekletme tankından pastörizasyon için ısı

değiştiriciye pompalanmasını, domates salçasının konsantre edilmek amacıyla bekletme

tankından evaporatöre pompalanmasını örnek olarak verebiliriz. Sistemin enerji verimi,

iletilecek ortamın akış karakteristiklerine ve sistem bileşenlerinin karakteristiklerine bağlıdır.

Daha büyük verimlilik, sıvı gıdaların taşınması sırasında sürtünme kayıplarının en aza

indirilmesi ile başarılabilir [1].

Sıvı gıdanın bir noktadan diğer bir noktaya pompalanmasında, enerji dengesi Bernoulli eşitliği

ile hesaplanır [2].

Şekil 1: Yükseklik ve alan farkı olan iki nokta arasında akış

Şekil 1’deki sistem için mekanik enerji denkliği:

2 21 1 2 2

1 21 2

2 2 2 22 1 2 1 2 1

1

2 2

1 0 / /2

L

L

V P V Pz W z h mg g g g

V V P P g z z h W m s J kg

(1)

63

Hız çoğu kez bir bölgeye giren veya bölgeden çıkan akış için Şekil 2 deki gibi kesit alanı

boyunca değişebilir. Bu durumda verilen bir giriş için Eşitlik 1 deki kinetik enerji terimi

boyutsuz bir düzeltme katsayısı ile çarpılır. Tabakalı akış için α; 2 iken kargaşalı akış için 1

olarak alınır [3].

Şekil 2. Dairesel bir boruda hız dağılımı.

Akışkan tarafından yapılan işin, ısı transferinin ve akışkanın iç enerjisinde değişimin

olmadığı yatışkın koşullarda Eşitlik 1, Bernoulli eşitliğine (Eşitlik 2) dönüşür. 2 2

2 21 1 2 21 2

1 2

/ /2 2

V P V Pz g z g m s J kg

(2)

Sürtünme Kaybı:

Şekil 3. Sürtünmeden kaynaklı yükseklik kaybı

Şekil 3 de sürtünmeden kaynaklı yükseklik kaybı görülmektedir. Gerçek akış sistemlerinde,

akışkan ile akış yüzeyi arasındaki sürtünme, akışkan molekülleri arasındaki sürtünme ve

türbülansa sebep olan; sistem giriş-çıkışları, pompa, vana, akış azaltıcılar ve bağlantı

ekipmanları gibi sistem bileşenleri yükseklikteki bu azalmanın sebebidir [4, 5].

1. Düz borudaki sürtünme kaybı:

Uzun silindirik ve düz bir boruda sürtünme kaybının belirlenmesi için yapılan deneylerde

sürtünme kaybının; kinetik enerji ve boru uzunluğu ile doğru orantılı, boru çapı ile ters

64

orantılı olarak değiştiği görülmüştür. Sürtünme faktörü olarak isimlendirilen bir orantı

katsayısı (f) kullanılarak sürtünme kaybı için [6]:

2

22 2

2

/ /2

L

L

L Vh f mD gL Vh f m s J kgD

(3)

bağıntısı önerilmiştir.

Yapılan gözlemler; f’ nin boru pürüzlülüğü, hız, boru çapı ve akışkanın viskozitesine

bağlı olduğunu göstermiştir [6].

Lewis F. Moody, ticari borular için Re sayısına karşı f değerlerini grafiğe geçirerek Şekil 4 de

görülen ve Moody Diyagramı olarak adlandırılan diyagramı elde etmiştir. Şekilde gösterilen

tüm Re aralıklarındaki tasarım problemleri için ± %15 hata ile f değerleri bu diyagramdan

bulunabilir [3, 7].

Şekil 4. Moody diyagramı.

65

Katmanlı akış için Re64

f Re<2.1.103 (4)

4/1Re0791.0

f

2.1.103< Re<105 (5)

2

89.0Re1286.5

71.3log4

1

D

f

Re>105 (6)

2. Ani genişlemeden kaynaklanan sürtünme kaybı:

Şekil 5. Ani genişlemeden kaynaklanan sürtünme kaybı

Şekil 5 de verilen ani genişleme sisteminde akışkan 1 noktasından 2 noktasına akarken

hız azalır ve buna bağlı olarak basınç artar. 1' noktasında ise burgaç oluşumu görülmektedir.

1' noktasında meydana gelen bu kargaşa sürtünme kaybına neden olur. 1 ve 2 noktaları

arasında Bernoulli eşitliği ve momentum eşitlikleri kullanılarak ani genişleme için sürtünme

kaybı eşitliği Eşitlik 7 deki gibi elde edilir [7].

21 2 2 2/ /2g

V Vh m s J kg

(7)

Süreklilik eşitliğini uygularsak; 2211 .. VAVA

2 2 2

2 21 1 1

2

1 / /2 2g g

A V Vh K m s J kgA

(8)

66

3. Ani daralmadan kaynaklanan sürtünme kaybı

Şekil 6. Ani daralmadan kaynaklanan sürtünme kaybı.

Şekil 6 da görülen sistem için 1 ile 1' noktası arasında gerçekleşen enerji kaybı ihmal

edilebilir düzeydedir. Asıl kayıp 1' ile 2 noktaları arasında oluşan kargaşadan meydana gelir.

Ani genişlemede olduğu gibi 1 ve 2 noktaları arasında Bernoulli eşitliği ve momentum

eşitlikleri kullanılarak sürtünme kaybı:

2 2 2

2 22 2 2

1

0,55 1 / /2 2d d

A V Vh K m s J kgA

(9)

şeklinde elde edilir [7].

4. Bağlantı ve vanalardan kaynaklanan sürtünme kaybı Boru bağlantıları ve vanalar akışta kargaşaya sebep olduklarından ek sürtünme kayıpları

doğurur. Bu ekipmanlardan kaynaklanan sürtünme kayıpları Eşitlik 10 kullanılarak

hesaplanır.

2

2 2/ /2b b

Vh K m s J kg (10)

67

Tablo 1. Boru bileşenlerinin sürtünme kayıp katsayıları Bileşen Kb

a. Dirsekler Düzgün 90º, flanşlı Düzgün 90 º, vidalı Uzun dairesel 90º, flanşlı Uzun dairesel 90º, vidalı Uzun dairesel 45º, flanşlı Düzgün 45º, vidalı

0.3 1.5 0.2 0.7 0.2 0.4

b. 180º dönen bağlantılar 180º dönen bağlantı, flanşlı 180º dönen bağlantı, vidalı

0.2 0.5

c. T borular Düz akış, flanşlı Düz akış, vidalı Dirsekli akış, flanşlı Dirsekli akış, vidalı

0.2 0.9 1.0 2.0

d. Bilezik (boru), vidalı 0.08

e. Vanalar Küresel, tam açık Açılı, tam açık Kapı tipi, tam açık Kapı tipi, ¼ kapalı Kapı tipi, ½ kapalı Kapı tipi, ¾ kapalı Bilyalı vana, tam açık Bilyalı vana, 1/3 kapalı Bilyalı vana, 2/3 kapalı

10 2

0.15 0.26 2.1 17

0.05 5.5 210

68

5. Mekanik enerji denkliğinde toplam kayıp:

Düz borudan, ani genişlemeden, ani daralmadan, boru bağlantıları ve vanalardan gelen

sürtünme kayıpları birleştirildiğinde mekanik enerji denkliği (Eşitlik 1) için toplam sürtünme

kayıpları (hL), hızın değişmediği kabul edilerek Eşitlik 11 deki gibi yazılabilir [2].

2

2 24 / /2L g d b

L Vh f K K K m s J kgD

(11)

Akış Ölçerler: Mühendislik uygulamalarında sıvı akımı ölçümünde çok sayıda alet kullanılmaktadır.

Debi ölçümleri, orifisler, tüpler, venturi borusu, yüzdürme olukları, dirsekler, savaklar,

bunların çeşitli modifikasyonları ve çeşitli patent ölçme aletleri ile yapılır [6].

1. Pitot tüpü:

Şekil 7. Pitot tüpü

Pitot tüpü bir noktadaki bölgesel hızı ölçmede kullanılan bir ölçüm aletidir. Aletin çalışma

ilkesi boru içerisinde eksene dikey hareket edebilen, bir ucu akış yönüne karşı, diğer ucu boru

yüzeyine yerleştirilen manometredeki basınç farkının ölçümüne dayanmaktadır. Pitot tüpü

yardımıyla boru içindeki akışkanın akış diyagramını çıkartmak mümkündür.

Basınç farkı: zgP ..

212 PPCV p

(12)

69

2. Venturimetre

Şekil 8. Venturimetre

Akış ölçerlerin dizaynından kaynaklanan basınç kaybı, venturimetrede minimize edilmiştir.

Venturimetre boru hattına yerleştirilir ve basınç çıkışlarının olduğu noktalara bir manometre

yerleştirilerek basınç farkı ölçülür. Venturimetre ortalama çizgisel hızı ölçer. Eşitlik 13’ de

görülen venturimetre sürtünme sabiti, Cv, eğer boru çapı 0,2 m den küçük olursa 0,98; büyük

olursa 0,99 kabul edilir.

4

21

12

PPACQ v (13)

Cv=f (Re, ), =D2/D1

3. Orifismetre

Şekil 9. Orifismetre

70

Orifismetrede akış ölçümü ventürimetre ile aynı temeldedir ve orifismetre ile de ortalama

çizgisel hız ölçülür. Co orifisteki Reynold sayısına bağlıdır. Re 2000 den büyük ve Do/ D1<0,5

olursa Co=0,61 olarak sabit bir değer alınır.

4

21

12

PPACQ o (14)

Co=f (Re, ), =D0/D1

2. MATERYAL VE METOT Materyal Üzerinde çeşitli donanımlar bulunan dairesel kesitli boru sisteminde sürtünme kayıplarını

tayin etmede kullanılan düzeneğin akım şeması Şekil 10’da verilmiştir.

Şekil 10. Sürtünme kayıpları deney düzeneği

B : Ani genişleme (¾ inç’den 2 inç’e) G : Pitot tüpü

71

Deney düzeneği farklı boru çaplarına ve donanıma sahip dört hattan oluşmaktadır:

1. hat: Uzunluğu 50 inç olan ¾ inç iç çaplı düz boru + Uzunluğu 50 inç olan ¾ inç iç çaplı

bağlantılı düz boru.

2. hat: Uzunluğu 50 inç olan ½ inç iç çaplı düz boru + Uzunluğu 50 inç olan ½ inç çaplı

bağlantılı düz boru.

3. hat: Uzunluğu 55 inç olan ¼ inç iç çaplı düz boru + ¼ inçten ½ inçe ani genişleme +

Bilyalı vana + Açılı vana.

4. hat: ¾ inçten ½ inçe ani genişleme + ½ inçten ¾ inçe ani daralma + 90º keskin dirsek +

90º yumuşak dirsek + Küresel vana

Metot

Deneysel metot

Düzeneğin hazırlanması ve deneyin yapılışı

1. Besleme tankının giriş ve çıkış bağlantılarının kontrolünü yapınız.

2. Besleme tankının çıkış vanasını açarak pompayı çalıştırınız. Sırasıyla 4, 3, 2, ve 1.

hatlardan birer dakika suyun akışını sağlayarak hatların içindeki havayı boşaltınız.

3. Deney düzeneğinin sadece 1 nolu hattını açarak akış göstergesinde akışın kararlı hale

gelmesini bekleyiniz.

4. Düzeneğin kararlı hale geldiğinden emin olduktan sonra sadece 1. hattı açık tutarak

maksimum hacimsel akış hızında ve üç farklı debide, manometre tüplerindeki su sütunu

C : Ani daralma (2 inç’den ¾ inç’e) H : 1 inç yarıçaplı 90 dirsek

D : Orifismetre K : 90 keskin dirsek

E : 45 keskin dirsek M : Bilyalı vana

F ve L : Açılı vana

72

yüksekliklerini kaydediniz. Eğer basınç fazla geliyor ise ölçümleri civalı manometre ile de

yapabilirsiniz.

5. Bu işlemleri sırasıyla diğer hatlar içinde tekrar ediniz.

NOT: Bütün bu işlemler sırasında suyun sıcaklığı da kaydedilmelidir.

2.2.2. Matematiksel metot Hesaplama yapılacak noktalar arasında ölçülen basınç farkları, mekanik enerji denkliğinde

(Eşitlik 1) yerine yazılarak deneysel sürtünme kayıpları hesaplanır.

Giriş bölümünde farklı durumlar için verilen sürtünme kayıpları eşitlikleri kullanılarak

kuramsal sürtünme kayıpları hesaplanır.

3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER


Deney süresince ve deneyden sonra elde edilen veriler Ek-1’ de verilen ilgili tablolara

kaydedilecektir.

3.3. Deney Sonrası Yapılacak Hesaplamalar

Her hatta sürtünme kaybına neden olacak noktalar arasında ölçülen basınç farklarını

kullanarak deneysel sürtünme kayıplarını hesaplayınız.

Deneysel olarak hesaplanan sürtünme kayıplarını, ilgili eşitlikleri ve tabloları

kullanarak kuramsal olarak da hesaplayınız.

Bulduğunuz deneysel ve kuramsal sürtünme kayıplarını karşılaştırınız.

73

Hesapladığınız sürtünme kayıplarını, kaynakları açısından (ani daralma, ani genişleme,

düz boru, bağlantılar ve vanalar) karşılaştırarak değerlendiriniz.

Simgeler ve Kısaltmalar A : Alan , m2

cp, cv, co : Sırasıyla; pitot tüpü, venturimetre ve orifismetre için sürtünme sabiti

D : Çap, m

f : Sürtünme katsayısı

g : Yerçekimi ivmesi, 9.81 m/s2

hg, hd, hb, hL : Sırasıyla; ani genişleme, ani daralma, bağlantı-vanalar için ve toplam

sürtünme kaybı

Kg, Kd, Kb : Sırasıyla; ani genişleme, ani daralma ve bağlantı-vanalar için sürtünme

kayıp katsayıları

L : Uzunluk, m

P : Basınç, N/m2

Re : Reynold sayısı

V : Hız, m/s

z : Yükseklik, m

α : Düzeltme faktörü, katmanlı akış için = 2, kargaşalı akış için = 1

ε : Pürüzlülük faktörü, m

ρ : Yoğunluk, kg/m3

W : Sistem tarafından yapılan net iş, (J)

74

KAYNAKLAR [1] Evranduz, Ö. ve Çataltaş, İ., “Gıda İşleme Mühendisliği”, İnkılap Yayınevi, İstanbul.

(1989)

[2] Geankoplis, C.J., “Transport Process and Unit Operations”, Prentice-Hall International,

Inc., New Jersey, 921 s., (1993)

[3] White, F.M., “Akışkanlar Mekaniği”, Literatür Yayıncılık, İstanbul, 1034 s., (2004)

[4] http://www.engineersedge.com/fluid_flow/fluid_flow_table_content.htm, Erişim:

06.02.2005

[5] http://www.du.edu/~jcalvert/tech/fluids/bernoul.htm, Erişim: 06.02.2005

[6] Soğukoğlu, M., “Akışkanlar Mekaniği”, Fatih Ofset, İstanbul, 332 s., (1995)

[7] http://www.efm.leeds.ac.uk/CIVE/CIVE2400/pipe%20flow2.pdf, Erişim: 06.02.2005

75

EK-1: Deneysel veri kayıt tabloları

Çizelge 1. Ölçülen basınç değerleri

P, mm-su T= T= T= Q= Q= Q=

1. H

AT ¾ inç' lik düz boru

¾ inç' lik bağlantılı boru Tüm hat

Q= Q= Q=

2. H

AT ½ inç' lik düz boru

½ inç' lik bağlantılı boru Tüm hat

Q= Q= Q=

3. H

AT

¼ inç' lik düz boru 1/4 inç' den 1/2 inç' e ani genişleme ½ inç' lik küresel vana ½ inç' de 180º lik açılı vana Tüm hat

Q= Q= Q=

4. H

AT

1/2 inç' den 3/4 inç' e ani genişleme 3/4 inç' den 1/2 inç' e ani daralma 4 tane yumuşak 90º lik dirsek 4 tane keskin 90º lik dirsek ½ inç' lik küresel vana Tüm hat

76

EZME ( PALPER ) VERİMİ ve PASTÖRİZASYON

1. GİRİŞ

Palper makinası zeytin , domates, kırmızı biber gibi ürünlerin ezilmesi diğer bir deyişle püre

haline getirilmesini sağlar. Meyve suyu üretiminde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Makina

ürünlerin çekirdek ve kabuklarını da ayrı çıkış kısmından verir.

Preslenecek yada pulp haline getirilecek meyvelerin öncelikle parçalanıp kıyılması

gerekir. Çekirdekleri çıkarılan meyveler bu işlem sırasında aynı zamanda parçalanmaktadırlar.

Pulp haline getirilecek yumuşak meyveler, domates gibi ürünler döner bıçaklarla parçalanır.

Preslenecek sert meyveler ise amaca göre yapılmış cihazlarda itina ile kıyılır. Meyve

parçalayan bu cihazlara meyve değirmeni denir. Elde edilen parçalanmış meyve kitlesine ise

mayşe denir.

Parçacık iriliği istenilen meyve suyu randımanına ulaşımında önemlidir. İri parçalar

halinde kıyılmış bir elmada verim iyi olmaz. Aynı şekilde lapa haline getirilmiş meyvelerin

preslenmesi ise mümkün değildir. Parçalama işlemi ile doku zedelenerek ufalanır ve hücre

zarı bir oranda parçalanır. Meyve suyu dışarıya akmaya başlar.

1.1.Meyve Püresi (Meyve Pulpu)

Kabuklu ve soyulmuş meyvelerin, yenilebilir kısımlarının suyu ayrılmadan ezme haline

getirilmesiyle elde edilen, fermente olmamış, fakat fermente olabilen ürünlerdir. Pulplar,

meyvenin kabuk, sap, lifli dokuları gibi kaba unsurlarının ayrılmasıyla sadece meyve etinden

oluşan ezmeye verilen addır. Bileşim bakımından elde edldikleri ürün ile hemen hemen aynı

niteliktedirler.

1.2. Pulpun Elde Edilmesi

Berrak meyve suyu üretiminde pres kullanıldığı halde pulp üretiminde pres yerine palper

kullanılarak mayşe, ezme haline getirilir. Palper, silindir şeklindeki bir elek ile, silindir

eleğin ekseninde yer alan bir mil ve üzerindeki pedallardan oluşan bir cihazdır.

Mayşe palpere verilir. Pedalların eğimi mayşenin palper içinde kalma süresine etki

etmektedir. Pedallar milin dönüşüyle mayşeyi, silindir elek içinde hızla çarparak ve ezerek,

77

elek dışına ince bir ezme halinde çıkarmaktadır. Milin ve pedalların hareketiyle mayşe silindir

boyunca ilerler ve ezme haline gelmeyen kabuk gibi unsurlar posa olarak dışarı atılır.

Pedalların eğimi, pedal uçlarının elek yüzeyine olan mesafesi, eleğin delik çapları isteğe göre

ayarlanabilir. Çoğu zaman değişen delik çaplarına sahip 2 -3 kademeli palper elekler sistemi

kullanılır. İlk elek delik çapı büyük sonrakilerin daha küçük olup, birinci elekten çıkan pulp

ikinci eleğe oradan da çıkan parçacıklar en son olarak son elekten çok ince pulp olarak elde

edilmiş olunur. Elde edilen pulp nektar ham maddesi olarak kullanılır.

Üstten verilen mayşe son palperden incelmiş olarak, pulp şeklinde alınır. Palperler, küf

ve mikroorganizma gelişmesini ve eleklerin tıkanmasını önlemek için sık sık yıkanmalı ve

elek kısmında yırtılma olup olmadığı kontrol edilmelidir.

2. PORTAKAL KONSANTRESİ ÜRETİMİ

Kamyonlarla fabrikaya gelen portakallardan önce 3-5 kg numune alınır. Laboratuvarda

işlenmek için uygunluğu kontrol edilir.Çürük veya ham meyve oranı gibi fiziksel;asitlik oranı

ph’sı ve brix gibi teknik analizleri yapılır. Kamyon üzerindeki kirli portakallar basınçlı suyla

ilk yıkama havuzuna indirilir. Havuzdan elevatöre gelen portakallar yıkama ve duşlama

işlemleri ardından şeçme bantlarına gelir. Burada işçi tarafından çürükler ve cihazlara zarar

verebilecek yabancı maddeler seçilir. Bu seçme bandından sonra ikinci bir havuzda fırçalı

temizleyicilerle duşlama yapılır. Portakallarda kalmış olabilecek çamur veya toprak kalıntıları

uzaklaştırılır. Buradan parçalama bölümüne gelen portakallar ters yönde dönen silindirlerin

arasından geçerek parçalanır ve kabuk kısmı ayrılır. Kabuklar hayvan yemi olarak

değerlendirilmek üzere fabrika dışına alınır. Kalan kısım ise palpere gönderilir. Palperde pulp

ayrılıyor ve kabuklarla beraber atılır. Palperden çıkan portakal suyu dengeleme tanklarına

gelir ve buradan alınan portakal suyu seperatöre gelerek istenen pulp miktarı ayarlanır. Pulp

miktarı ayarlanan portakal suyu pastörize edilmek üzere plakalı ısı değiştiricilerden 110˚C de

geçer ve daha sonra konsantre bir ürün elde etmek için 3 efektli olan evoparatöre gelir. Burada

portakal suyu 65 brikse gelene kadar evopare edilir. Daha sonra konsantre olan ürün

soğutularak başka bir tanka aktarılır. Buradan sonra ürün aseptik doluma gönderilir.

Portakal : Dünyada en çok tüketilen meyve sularının başında gelir. Asit- şeker dengesi iyi,

yoğun sarı renktemeyve suyu veren, aromaca zengin portakallar elverişlidir. Portakallarda

78

meyve suyu randımanı %40-50 arasında değişir. Suda çözünür kuru madde %9-15, toplam

asit /0.6-2.0, C vitamini 25-80 mg /100mL dolaylarında değişir.

Mandalin:Son derece aromalı meyveler olmalarına rağmen, meyve suyuna çok az

işlenmektedir. Mandalin suyu bileşimi çeşide göre çok farklıysada, suda çözünür kuru madde

%10-15, asit %0.8-2.0 ve C vitamini 30-60 mg/mL dolaylarında değişir ( B. Cemeroğlu,

2004)

Refraktometrik Kuru Madde Tayini (Suda Çözünür Kuru Madde)

İçerisinde çözünmüş madde içeren çözeltilerde, ışık, yoğunluğu farklı ortamlardan

birinden diğerine geçerken kırlır. Işığın kırılması, suda çözünmüş maddenin karakteristik

özelliğidir ve onun konsantrasyonunun ölçüsüdür

Reflaktometrenin kuru madde skalası 20 °C’daki saf sakkaroz çözeltisine göre ayarlanmıştır.

Verim: Elde edilen değerin, bu değerin eldesinde harcanan değere oranıdır. Pulp randımanı

genellikle %75-80 arasındadır. Palper verimini etkileyen en önemli unsurlardan biri

parçalanarak elde edilen mayşe tanelerinin büyüklüğüdür. Parçalar ne kadar küçük olursa

verim o oranda artacaktır. Parçalama işlemi ile doku hasar görür ve hücre zarı parçalanır

içindeki suyun akması sağlanır. Ancak eğer mayşe lapa halinde ise verim düşük olacaktır,

çünkü lapa halindeki meyvelerin preslenmesi mümkün değildir.

Meyve Suyunun Durultulması ve Berraklaştırılması

Meyve suyunun durultulmasının amacı, beslenme fizyolojisi ve duyusal açıdan ürünün

özelliklerini mümkün olan en düşük düzeyde değiştirerek, stabil ve berrak meyve suyu

üretmektir.

Mayşenin preslenmesinde meyvenin yapısında bulunan bir kısım bileşikler posada

kalırken, bir kısmı da pres suyuna geçmektedir. Bu bileşiklerden bazıları meyve ham suyunda

çözünmüş halde, daha büyük moleküllü olan bileşikler ise kolloidal çözünmüş veya dispers

dalde dağılmış olarak bulunurlar. Bu bileşiklerin başlıcaları pektik maddeler, selüloz, nişasta,

fenolik bileşikler, protein ve arabandır.

79

Meyve Suyunda Bulanıklık Kaynakları

Presten alınan meyve ham suyunda bulanıklığa neden olan bileşiklerin büyük bir kısmı

hücre duvarında yer almaktadır. Meyve suyunda bulanıklık yapan etmenler (meyve

parçacıkları, parçalanmış hücreler ve diğer koloidal parçalardır), meyve suyundaki pektin

nedeni ile dibe çökemez. Bu bakımdan pektinler, pektolitik enzimler katılarak parçalanır. 3-4

saat sonra da jelatin çözeltisi (yaklaşık %10 luk) katılarak bulanıklık yapan parçalar bir araya

getirilip çöktürülür. Üstte kalan berrak kısım filtre edilir.

Genellikle jelatinle durultmadan sonra kieselsol veya bentonit uygulaması ile meyve

sularında sonradan bulanmaya neden olan bazı kolloid parçacıklarda ayrılır. Bu işleme

berraklaştırma denir.

Durultma yöntemleri:

Isı uygulaması ile durultma

Soğukta durultma

Tanen-jelatin durultması

Enzimatik durultma

STOCKES BAĞINTISI (ÇÖKTÜRME)

v =푟 (dk − ds) g

18 M

v: Katı parçacığın çökme hızı (m/s)

r: Partikül yarıçapı (m)

dk: Katı partikül yoğunluğu (kg/m3)

ds: Sıvı fazın yoğunluğu (kg/m3)

g: Yer çekim ivmesi (m/s2)

M: Sıvı fazın viskozitesi (N.s/m2)

80


3.1.MATERYAL

Laboratuvar ölçekli palper cihazı

Pulpu üretilecek olan meyve ve sebzelerden yeterli miktar

Terazi

Refraktometre

Sıcak su banyosu

Pastörizasyon kapları

3.2.METOT

Pulp eldesi:

Palper çalışır konuma getirilir.

Yıkanmış ve kabuğu soyulmuş örnek tartılır.

Ağırlığı bilinen örnek palpere aktarılır.

İşlem sonunda elde edilen pulp miktarı tartılır.

Suda çözünür kuru madde miktarı:

Rekraktometre önce su ile kalibre edilir.

Daha sonra homojen hale getirilen numuneden 1 damla tamlatılarak okuma yapılır.

Yoğunluk hesabı:

Homojen örnekten ölçülen hacim ve ağırlık yardımıyla hesaplanır.

Pastörizasyon:

Örnekler sıcak su banosunda 90C’de farklı sürelerde (30, 60, 90, 120 sn) pastörize edilir.

Pastörizasyon sonucunda absorbans okunur.

Çöktürme

Palperden çıkan örnek behere alınarak, farklı zaman aralıklarında (5, 10, 15 dk ve 1

saat) gözlemlenir.

81

Absorbans Ölçümü:

Deneyde spektrofotometre kullanılarak örneklere ait maksimum nokta belirlenir. Elde

edilen maksimum noktalarda okuma yapılarak örneklerin absorbansları tespit edilir. İşlem

pastörizasyon deneyindeki her basamak ve çöktürme işlemi için uygulanır.

* Her iki örnek için tekrarlanır.

4. RAPORA EKLENMESİ İSTENENLER

Verimlerin hesaplanması

% kabuk, % posa değerlerinin hesaplanması

Yoğunlukların hesaplanması

Brix hesaplanması

Zamana karşı elde edilen absorbans değerlerinden faydalanarak (% T –t) grafiğinin

çizilmesi, farklı sıcaklıkların aynı ve ayrı grafiklerde gösterilmesi

İki örneğin sonuçlarının karşılaştırılıp yorumlanması.

Örnek1 Örnek2 Örnek3 W hammadde

W kabuk

W kabuksuz

W posa

W ürün

Brix

Hacim

Ağırlık (belirli

hacmdeki )

Taz

e ür

ün Bekleme

Süresi

5dk 10dk 15dk 60dk 5dk 10dk 15dk 60dk 5dk 10dk 15dk 60dk

Absorbans

Pastörizasyon

süresi

30 s 60 s 90 s 120 s 30 s 60 s 90 s 120 s 30 s 60 s 90 s 120 s

Absorbans

82

5. KAYNAKLAR

1. Cemeroğlu B., ‘Mevye ve Sebze İşleme Teknolojisi’ 1.cilt Başkent Klişe Matbaacılık,

Ankara, 2004

2. Dokuzlu C., ‘ Gıda Analizleri’ 2. baskı Marmara Kitapevi Yayınları, Bursa, 2004

3. http://www.forumfood.net/showthread.php?t=4217 (Erişim tarihi:17/04/09)

4. http://www.hunterlab.com (Erişim tarihi:20/04/09 )

83

KONSERVELERDE STERİLİZASYON DEĞERİNİN (F0) HESAPLANMASI

1. GİRİŞ

Gıda muhafazasında kullanılan en yaygın yöntemlerden birisinin ısıl işlemler (sterilizasyon,

pastörizasyon) olması dolayısıyla gıda ürünlerinde ısı girişim çalışmaları gıda

mühendisliğinde önemli bir yere sahiptir. Isıl işlemlerle gıdaların muhafazasında asıl amaç

ortamdaki mikroorganizmaların öldürülmesidir. Ancak ısıl işlemle mikroorganizmalar

öldürülürken, gıdanın fiziksel kalitesinin korunabilmesi ve besin değerindeki kayıpların

minimum düzeyde tutulması da amaçlanır [1].

1.1. GIDALARA UYGULANAN ISIL İŞLEMLER

Gıdalara uygulanan ısıl işlemin ilk amacı ürünün güvenliğinin sağlanmasıdır. Isı

uygulamasıyla mikroorganizmaların öldürülmesi pastörizasyon ve sterilizasyon ile

gerçekleştirilir. Pastörizasyon işleminde gıdaya 100°C nin altında ısı uygulaması yapılarak

patojen mikroorganizmalar ve gıdada bozulmaya neden olacak mikroorganizmaların önemli

bir kısmı öldürülür.

Sterilizasyon işleminde gıdaya 100°C nin üstünde ısı uygulaması yapılır. Mutlak

sterilizasyonda amaç bütün mikroorganizmaların öldürülmesidir, yüksek sıcaklık ve uzun

sürede yapılır. Ticari sterilizasyon, sadece patojenlerin ve bozulmaya neden olan

mikroorganizmaların öldürülmesi amacıyla yapılır. Mutlak sterilizasyona göre daha kısa süre

ve daha düşük sıcaklıklarda yapılır.

Mikroorganizmanın ısıl direncini,

pH,

Mikroorganizmanın vejetatif ve spor formda oluşu,

Mikroorganizmanın yaşı ve sayısı,

Sıcaklık ve süre,

Gıdanın bileşimi, etkiler.

pH<4,5 olan gıdalarda genellikle pastörizasyon işlemi uygulanır. Bacillus coagulans,

Bacillus polymxia, Clostridium buturicum, sütte Coxiella burnetii hedef mikroorganizma

(bozulma nedeni olan ısıya en dayanıklı mikroorganizmaya veya sağlık riski oluşturan

mikroorganizma) olarak seçilir [2].

84

pH değeri 4,5 ve üzerindeki gıdalarda ise sterilizasyon işlemi uygulanır. Hedef

mikroorganizma olarak sporları ısıya dirençli Clostridium botulinum seçilir.

Gıdaların muhafazasında uygulanacak ısıl işlem koşulları, o gıdada hedef

mikroorganizmaya ait F ve z değerleri hesaplanarak belirlenebilir.

Bir mikroorganizmanın vejetatif hücre veya sporlarının belirli bir ortamda ve sıcaklıkta

öldürülmesi incelendiğinde, ısıl işlem süresi artarken canlı kalan mikroorganizma sayısının

logaritmik olarak azaldığı görülmektedir.

D değeri: Belli bir sıcaklıkta ortamdaki canlı mikroorganizmaların %90 ının (bir

logaritmik evre) öldürülmesi için gerekli olan süredir.

)log()log( NNtD

N0 ve N mikroorganizmaların başlangıç ve son sayıları, t zamandır.

Termal ölüm süresi: Belirli ortam ve sıcaklıkta belirli bir sayıda mikroorganizmayı

öldürmek için gerekli olan süredir.

Z değeri: Mikroorganizmanın D değerini bir logaritmik devre azaltmak için gereken

sıcaklık artışıdır.

12

21

loglog DDTT

z

Sd (Sterilizasyon değeri): Isıl işlem sırasında canlı mikroorganizma sayısının logaritmik

olarak ne kadar azaldığını veren değerdir.

dSDt

NN

0log

FT değeri: Herhangi bir T sıcaklığında belli bir sterilizasyon değerine ulaşmak için

uygulanması gereken ısıtma süresidir.

dTT SDF

DT: Hedef mikroorganizma için T sıcaklığındaki D değeri.

85

F0 değeri: 121,1°C de hedef mikroorganizma açısından istenilen düzeyde sterilizasyon

değerini elde etmek için gerekli ısıtma süresidir.

00 DSF N

SN: Sterilizasyon normu (Hedef alınan logaritmik azalma sayısı)

D0: 121,1°C deki D değeri

F değeri, ürünün soğuk noktasındaki sıcaklık değişimlerinden yararlanılarak hesaplanır.

dtFt

zTtT refc

0

)(

0 10

Tc zamanın fonksiyonu olarak ürünün soğuk noktasındaki sıcaklık değişimleri, Tref

referans sıcaklık (121,1°C), z mikroorganizmanın z değeri, t işlem süresidir [3].

Düşük asitli konserve gıdalarda sterilizasyon, C. botulinum sporlarının sayısını 1012 den

10 0 a düşürücek şekilde yani 12D lik bir desimal azalma sağlayacak şekilde yapılır.

Pişme Değeri: Isıl işlem sırasında gıdanın besin değerindeki ve tekstürel değişimindeki

değişikliklerin ölçüsüdür [4]. En soğuk noktadaki pişme değerini veren eşitlik aşağıdaki

gibidir;

dtCt

zTT

c

ref

0

10

Isıl işlem sırasında görülen tipik bozunma oranı parametreleri [6];

Sıcaklık (°C) D0(dk) z

Tiamin (B1 vitamini) 110-150 150 45

AskorbikAsit 50-100 - 70

Klorofil 80-140 150 50

Esmerleşme 40-130 300 50

Enzimler - 10 30

Vejetatif hücreler - 0,003 5

Sporlar - 1 10

Proses sırasında pişme değerini ve besin kaybını belirleme F0 değeri ile benzerlik

gösterir. Sıcaklık 100°C olarak kullanılır. Z değeri 25°C ve 47°C arasında değişir. Bu değerler

86

çeşitli tekstür ve renk değişikliklerini kapsar. Lund (1986), toplam kalite kaybını belirlemek

için z değerinin 33°C olarak kullanılmasını önermiştir [7].

Ölüm hızı (lethal rate-LR): İstenilen sıcaklıktaki ölüm hızının referans sıcaklıktaki

ölüm hızına göre bulunması esasına dayanır.

zTT refc

LR

10

Letalite (toplam ölüm sayısı): Isıl işlemde hedef alınan mikrooganizma sayısında

herhangi bir desimal azalmayı sağlamak için 121,1°C deki ısıtma süresidir.

Zamana karşılık LR grafiğinin altındaki alan letaliteyi vermektedir. Grafikten bulunan

alanın referans sıcaklıktaki letalite değerine eşit olması gerekir. Eğer grafiğin altındaki alan,

referans sıcaklıktaki letalite değerinden küçük bulunursa ısıl işlemin yetersiz olduğu anlamına

gelir. Bu durumda grafiğin altındaki alan büyütülmelidir. Alanın büyütülebilmesi için ya ısıl

işlem süresi uzatılmalı yada ısıl işlem sıcaklığı artırılmalıdır.

Isıl işlem eğrileri gıda ürünlerine uygulanan ısıl işlem sürelerinin belirlenmesinde

kullanılacak yukarıdaki parametrelerin belirlenmesi için uzun süreden beri

kullanılmaktadırlar. Bilgisayar ve matematiksel işlemlerin gıda mühendisliği alanında hızla

etkin hale gelmesi ile geliştirilen sayısal çözümleme yöntemleri ile proses zamanları daha

kesin şekilde belirlenebilmesine rağmen ısıl işlem eğrilerinin kullanımı halen modern

işletmelerde dahi tercih edilen bir yöntemdir. Bu eğriler ısıtma ortamı sıcaklığı, işlem zamanı,

ısı transfer ortamının termo-fiziksel özellikleri, ortamdaki kargaşa (turbulans), gıda ürününün

başlangıç sıcaklığı, başlangıç mikroorganizma ya da spor yükü, gıdanın termo-fiziksel

özellikleri, pH, kabın şekli gibi faktörlerden etkilenmektedir.

Seçilen noktanın sıcaklığını ölçmek için kullanılan ısıl çiftlerin ürün içerisinde

yerleştirileceği nokta çok önemlidir. Bu nokta en yavaş ısınan nokta (soğuk nokta) olmalıdır.

Kritik nokta, değişik noktalara ısıl çiftler yerleştirilip zamana karşı sıcaklık değişimleri

gözlenerek bulunur.

87

2. MATERYAL VE METOT

2.1. MATERYAL

Otoklav (Osmanlı Makine San. Ve Tic. A.Ş. Gönen)

Konserve kutusu (kutunun merkez noktasında ve merkezden farklı bir noktada

ısıl çift bulunan konserve kutusu) (Çap:73 mm, h=110 mm, ½ lik kutu)

T tipi ısıl çiftler

Veri Kaydetme Cihazı (Keithley 2700 Multimeter Data Acquisition System)

Kutu Kapatma Makinesi (Umar Makine San. Ve Tic. A.Ş.)

Hazır Konserve

2.2. METOT


Isıl çiftlerle; konserve kutusu, otoklav ve veri kaydetme cihazı arasındaki

bağlantılar yapılır.

Veri kaydetme cihazı yaklaşık yarım saat önceden açılarak sıcaklık değerlerini

saniyede bir kaydetmeye hazır hale getirilir.

Kutu kapatma makinası için gerekli hazırlıklar yapılır;

Kutu kapama makinasının arkasındaki basınçlı hava girişi ile duvardaki

basınçlı hava çıkışı arasında bağlantı kurulur.

Fişe takılır.

Konserve kutusu üzerinde kapağı ile birlikte tablanın üzerine

yerleştirilir.

Ayar düğmesi 2’ ye getirilir.

Start düğmesine basılır.

Alttaki pedala basılarak kapama işlemi gerçekleştirilir.

UYARI!: Kutu kapama makinası çalışır haldeyken kesinlikle yaklaşılmamalı ve temas

edilmemelidir.

Hazır konserve, konserve kutusunun içine boşaltılarak kutu kapatma makinası

ile kapağı kapatılır.

Otoklava su rezistanslarının üstünü kapatacak şekilde konulur.

88

Konserve kutusu otoklav içerisindeki tablanın üzerine yerleştirilir ve otoklavın

kapağı kapatılır.

Sıcaklık ve basınç ayarlanır;

Otoklavın yan panelinde bulunan sıcaklık göstergesinden sıcaklık

istenilen dereceye ayarlanır.

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Zamana karşı ölüm hızı (LR) grafiğini çiziniz. Toplam ölüm sayısını (letalite) bularak,

yapılan ısıl işlemin C. botulinum sporlarını inaktif etmek için yeterli olup olmadığını

belirleyiniz ve pişme değerini hesaplayınız.

KAYNAKLAR

1. Ünlütürk A. , Turantaş F. , “Gıda Mikrobiyolojisi” 3. Baskı, İzmir, (2003).

2. Gıda Mikrobiyolojisi Ders Notları, Mersin, (2005).

3. Temel İşlemler Ders Notları, Mersin, (2006).

4. Bindu J. , Ravishankar C.N. , Srinavasa Gopal T. K. , “Shelf Life Evaluationof a Ready

to eat Black Clam (Villarita cyprinoides) Product in Indigenous” LWT - Food Science

and Technology, Volume 40, Issue 3, Pages 498-505, (2007).

5. Yang H. X. , Tang J. , “Advances in Bio-Processing Engineering” , World Scientific,

(2002).

6. Maroulis Z. B. , Saravacos G.D. , “Food Process Design” , Marcel Dekker, 2003

7. Richardson P.S. , “Improving the Thermal Processing of Foods” , Woodhead

Publishing, (2004).

89

ELEK ANALİZİ

1. GİRİŞ

Doğada katı, sıvı veya gaz karışımları halinde bulunan maddeler, kullanım amaçlarına göre

ayrılarak saflaştırılmaktadır. Karışımları oluşturan fraksiyonlar büyüklük, faz ve kimyasal

yapı bakımından birbirinden farklı özelliklere sahip olabilir ve işlemeye uygun olmayabilirler.

Örneğin; bir karışımın yabancı maddelerden arındırılması, farklı boyutlarda olan maddelerin

tane ve tanecik büyüklüklerine göre ayrılması ya da öğütülerek küçük boyutlara indirgenmesi

istenebilir.

Karışımların ayrılmasında difüzyonel ve mekanik olmak üzere iki farklı yöntem

kullanılmaktadır. Ancak bunlardan mekaniksel ayırma işlemleri, gıda endüstrisinde özellikle

tahıl teknolojisi uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu işlemler heterojen

karışımların yoğunluk, şekil veya büyüklük gibi fiziksel özelliklere göre ayrılması prensibine

dayanmaktadır. Ayırma işlemlerinin kolaylaştırılması için farklı prensipte düzenekler ve

makineler geliştirilmiş olmakla birlikte; bu düzenekler genellikle faz, büyüklük ve yoğunluk

farkından yararlanarak ayırma sağlarlar. Ayırma sistemleri ise elek, süzgeç, filtre, filtre keki

ve benzer mekanik parçalardan oluşmaktadır [1].

Doğada katı halde bulunan maddelerin boyutları genel olarak büyük olmakla birlikte

işlenebilmesi ve tüketimlesi için boyutlarının küçültülmesi gerekmekte, bu nedenle kırma ve

öğütme işlemleri büyük parçacıkların küçültülmesi için kullanılmaktadır. Örneğin; buğday,

çavdar gibi tahılların ya da karabiber, kimyon gibi baharatların tüketime hazır hale getirilmesi

için değirmenler kullanılmakta; soya fasulyesi, yağ ve un eldesi için silindirlerle ezilmekte ve

preslenmektedir [5]. Patates, nişasta ve diğer tip unların üretiminde genel olarak çekiçli

değirmen yer almakta, şeker ise boyutu küçültülerek tüketilmektedir. Farklı boyutlara sahip

bu hammaddelerin ise amaca uygun olarak sınıflandırılması zorunludur. Elek sistemleri farklı

boyutlardaki hammaddelerin ayrılarak sınıflandırılmasını sağlar. Eleme işlemi genel olarak

karışımı oluşturan taneciklerin boyutlarına göre ayrılması olarak tanımlanabilir. Gıda

endüstrisinde elekli düzenekler özellikle hububat ürünleri ile meyve-sebze işleme

endüstrisinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır [5]. Bunun nedenleri ise:

90

Hububat ürünlerinin ana hammaddesi olan buğday, arpa, mısır vb. tahılların

taş, toprak vb. yabancı maddelerden temizlenmesi gerekmektedir

Meyve-sebze işlemede hammaddenin boyutlarına göre sınıflandırılarak

ayrılmasını sağlayan sınıflama makineleri kullanılmalıdır [5].

Buğday, arpa, mısır gibi hammaddelerde büyüklük arttıkça endosperm,

dolayısıyla un verimi artmakta; uygulanan bir elek analizi ise unun verimi

hakkında bilgi verebilmektedir.

Un tanelerinin iriliği ve değişik büyüklükteki un taneciklerinin oranı unun su

kaldırma kapasitesine ve elde edilecek unlu mamulün kalitesine etki

etmektedir. Örneğin; ekmeklik unda parçacık büyüklüğünün 1-150 μm

arasında olması istenir. Parçacık boyutları küçüldükçe yüzey alanı artmakta,

buna bağlı olarak da unun su tutma özelliği artmaktadır.

Eleme sistemlerinde ayırımı yapılan karışım halindeki maddelerin işlenmeye uygunluğu

açısından içerisindeki taneciklerin oranları ve büyüklük özellikleri belirlenmelidir. Bu amaçla

taneciklerin şekil özellikleri aydınlatıldıktan sonra elek analizi ile bir dizi hesaplama yapılarak

sonuçlar anlamlı grafikler halinde elde edilir.

1.1.Katı Parçacıkların Tanımlanması

Karışımlar analiz edilmeden önce, karışımı oluşturan fraksiyonların şekil özellikleri

belirlenmelidir Boyutu büyük olan bir maddenin parçalanması ile oluşan parçacıkların

yoğunluk, yüzey alanı vb. gibi özellikleri genel olarak hammaddeninkinden farklıdır. Şekil ve

boyut özellikleri, düzgün tanecikler için kolay bir şekilde tanımlanabilirken; un, irmik v.b.

gibi düzensiz tanecikler için ayrıca tanımlanmalıdır[4]. Küre, küp ya da pul şekline sahip

tanecikler “düzgün tanecik”, şekli belirli olmayan tanecikleri ise “düzgün olmayan tanecik”

olarak adlandırılmaktadır. Gıda endüstrisinde yer alan tanecikler çoğunlukla düzgün olmayan

tanecik sınıfına girerler ancak hammaddenin işlenmesinden sonra elde edilen son ürün,

hamaddenin tanecik özelliklerinden bağımsız olarak farklı şekil özelliklerine sahip olabileceği

de unutulmamalıdır [1]. Şekil özellikleri bir tanecik için şekil ve büyüklük olarak ikiye

ayrılmaktadır:

91

Dp

a. Tanecik şekli

Tek bir parçacığın şekli, şekil faktörü ( λ ) adı verilen bir büyüklük ile belirtilmektedir ve

tanecik büyüklüğünden bağımsızdır. Taneciğin boyut özelliğini gösteren değer çap (Dp)

olarak tanımlanırsa; küp için bu değer bir kenar uzunluğu, küre için ise çap değeridir. Her

iki şekilde de yüzey alanların hacim değerlerine oranı 6 / pD ’dir [1]:

Küpün hacmi: Dp

3

Küpün yüzey alanı : 6Dp2

Kürenin hacmi : 3 343 6p pR D

Kürenin yüzey alanı: 2pD

Hacimsel şekil faktörü “a”, kalınlık ya da yüzeysel şekil faktörü “b” olarak tanımlanırsa şekil

faktörü (λ) bu değerlerin oranı olarak verilir (Eşitlik-1). Bu durumda taneciğin yüzey alanının

[Sp] (Eşitlik-2) hacmine [Vp] (Eşitlik- 3) oranı, şekil faktörleri cinsinden yeniden yazılırsa

(Eşitlik-4):

(1)

(2)

(3)

(4)

Dp

3

26 6( / ) 6p p p p

p p

V aD D DS bD b a

26p pS bD

3p pV aD

ba

92

elde edilir. Şekil faktörü (λ), çap ve uzunluk boyutları eşit olan küp, küre ve silindir için

1’dir. Küreye benzeyen tanecikler için şekil faktörü “küresellik faktörü” olarak

adlandırılır.Düzgün olmayan tanecikler için şekil faktörü değeri 1’den büyüktür (Tablo-1).

Öğütme işlemi yapılmış pek çok madde için bu değer 1,5 ile 1,7 arasında değişmektedir.

Tablo-1. Bazı maddelerin şekil faktörleri [1] Madde Şekil faktörü (λ) Madde Şekil faktörü (λ)

Küre, küp ve kısa silindirler (L=Dp)

1 Keskin kum 1,5

Yuvarlatılmış kum 1,2 Kırılmış cam tozu 1,5

Kömür tozu 1,4

b. Tanecik boyutu

Genel olarak, eş boyutlu tüm tanecikler için çap (Dp) terimi tanımlanabilir. Bir boyutu diğer

boyutundan daha büyük olan tanecikler için çap değeri olarak, ikinci büyük boyut

seçilmelidir. Örneğin iğne v.b. gibi sivri parçacıklar için Dp değeri uzunluk olarak değil

kalınlık olarak alınmalıdır.

Tanecik boyutunu gösteren bir diğer terim ise eşdeğer çap değeridir. Eşdeğer çap [ ,p eD ],

asıl parçacığın yüzey ile hacim oranına eşdeğer olan kürenin çap değeridir (Eşitlik-5) [4].

Birimleri ise parçacık büyüklüğüne göre mili mikron, mikron, santimetre ya da inç olarak

kullanılabilmektedir.

(5)

1.2.Elek Analizi

Tanecik boyutu analizinde en yaygın kullanılan yöntem kuşkusuz ki elek analizidir. Elenecek

maddenin boyut özelliklerine göre boyutlarda ayırmayı sağlayacak pek çok elek çeşidi

bulunmakla birlikte genellikle yuvarlaktır ve üst üste sıralanabilecek şekilde tasarlanmıştır.

Bu sayede bir sarsak yardımıyla belirli süre sarsılan bir elek sisteminden elenen parçacıklar,

kendi boyutundan küçük olan başka bir deyişle, elenemeyeceği açıklığa ulaştığında tutularak

3

,

6 p pp e

p

v DD

S

93

daha fazla ilerleyemez. İşlemin sonunda en küçük tanecikler en altta toplanır. Her bir elekte

ise bulunan açıklık boyutu ile orantılı toplanan parçacıklar bulunur. Analiz sonunda bu elekler

üzerindeki fraksiyonlar tartılarak belirlenir (Şekil-1). Burada önemli olan karışımın mümkün

olduğunca fraksiyonlarına ayrılmasıdır. Elek analizinin yapılacağı sistem ve seçilecek elek

özellikleri belirlenirken dikkat edilecek bazı özellikler; seçilen eleklerin açıklık değerleri,

uygun sıralanması ve analiz yöntemidir [2].

a. Standart elek serileri

Tanecik boyutları 76 000 μm ve 38 μm arasında değişen partiküllerin boyut dağılımlarının

belirlenmesinde kullanılırlar. Kullanılan test elekleri dokuma ile hassas bir şekilde

standardizasyonu yapılarak hazırlanmıştır. Elek açıklık değerleri inç başına düşen mesh

sayısına göre belirlenmektedir. 1 in2 ’lik örgü yüzeyinde bulunan delik sayısı mesh (meş)

olarak adlandırılır. Örneğin 4 mesh’lik eleğin 1 in2 ’sinde 4 delik bulunmaktadır. Gerçek

aralık değerleri ise örgüyü oluşturan liflerin kalınlığı hesaba katılmadığından dolayı eleği

simgeleyen numara değerinden bir miktar düşüktür.

Elek analizinde Amerikan USS ve Tyler, Alman DIN 4188, İngiliz IMM ve BSS,

Hollanda NENORM ve Fransız AFNOR standart elek serileri tanımlanmakla birlikte, en çok

kullanılan elek serisi Tyler standart elek serileridir [2] Bu seri 200-mesh elek açıklığına göre

(0.0074 cm) belirlenmektedir. Serilerden birinin elek aralığı alanı, hemen sonrakinin tam iki

katıdır. Bu nedenle, herhangi bir mesh çapının seride bir sonra gelen eleğin mesh çapına oranı

2 =1,141 olmaktadır. Elek analizinde kullanılacak en büyük elek açıklığı karışımdaki en

büyük tanenin boyutuna göre bir miktar daha küçük seçilmelidir.

Şekil-1:Elek analizinde kullanılan 200 mesh eleğin tel örgüsü (a) ve elek analizi gösterimi(b).

94

b. Elek analiz yöntemleri (Toplamsal ve farksal analiz):

Tanecik boyut analizinden elde edilen bilgiler farklı açıklıklara sahip iki elek takımı arasında

kalan kütlenin ortalama tanecik boyutu cinsinden ifade edilmesi için kullanılır. Bu şekilde

yapılan analiz farksal (diferansiyel) analiz olarak adlandırılmaktadır. Sonuçlar genel olarak

sürekli bir eğriyi kesen ve dağılımı belirlemeye yarayan açıklık değerlerini içeren histogram

grafik şeklinde verilir [2]

Sıralanmış eleklerde biriken taneciklerin boyutlarının; en küçükten başlanarak ardı ardına

toplanıp, maksimum tanecik çapına karşı grafiğe geçirilmesi ile yapılan analiz ise toplamsal

(kümülatif) analiz olarak adlandırılır. Toplamsal analizde veriler veri aralığı ile bölünmüş

histogram grafikten farklı olarak sürekli bir eğri şeklinde verilir.

c. Toplamsal ve farksal analiz ile belirlenebilecek parametreler

Tanecik sayısı ve spesifik yüzey alanıFraksiyonlarına ayrılmış karışımı oluşturan taneciklerin

ortalama tanecik boyutu, spesifik yüzey alanı ve karışımın tanecik dağılımı gibi boyutsal

parametreleri hem toplamsal hem de farksal analiz ile belirlenebilmektedir.

Tekdüze parçacıklar içerdiği kabul edilen bir karışımda Dp tanecik çapına sahip

partiküllerin hacmi kütlesinin yoğunluğa oranı (m/ρp) olarak gösterilir. Bir taneciğin hacmi

aDp3 olduğundan bir örnek içerisinde bulunan tanecik sayısı (N) (Eşitlik-6) ve tek bir

taneciğin yüzey alanının tanecik sayısı ile çarpılmasıyla da toplam yüzey alanı (A) [mm2] elde

edilir (Eşitlik-7) :

(6)

(7)

Ancak gerçekte ayrımı yapılmak istenen karışım tek düze partiküller içermez, bu nedenle

her bir fraksiyon farklı boyut ve yoğunluk değerlerine sahiptir. Karışım elendikten sonra her

bir elekte tutulan miktar ayrı ayrı tartılır. Bu kısımdan sonra ayrılan elek üzerinde kalan

3

/ p

p

mN

aD

23

/ 66p

p

pp p

m mA bDaD D

95

kısımların özellikleri ayrı ayrı belirlenip daha sonra toplama işlemi yapılırsa, farksal analiz

yöntemi tercih edilmiştir. Farksal analizde her bir farksiyondaki taneciklerin boyutlarının aynı

ve o fraksiyonu oluşturan iki eleğin açıklık değerinin ortalamasına eşit olduğu kabul

edilmektedir. Örneğin; 10 ve 14’lük (elek açıklık değerleri 0,1651 ve 0,1168 olan) standart

elekler arasında kalan fraksiyonun taneciklerinin çap değerlerinin (0.1651+0.1168)/2=0.1410

cm olduğu kabul edilmektedir [1]. Bu analiz yöntemi izlendiği takdirde çap değeri ortalama

çap [ nD ] olarak adlandırılır. Toplamsal analiz kullanıldığında her bir elek üzerinde kalan

fraksiyonların değeri sürekli bir fonksiyon gibi işlem görür ve bu fonksiyonun integrasyonu

yapılarak hesaplanır. Toplam değerleri alınarak hesaplanan parametreler daha sonra elek

açıklığı değerlerine karşı grafiğe geçirilmektedir. değeri kütle kesrini göstermektedir ve

tüm karışım için değeri 1’e eşit olmaktadır. Buna göre kütle kesri ( )tanımlanırsa;

(8)

Karışımın yoğunluğu ve şekil faktörü biliniyorsa her bir fraksiyondaki taneciklerin spesifik

yüzey alanları – birim kütleye düşen toplam yüzey alanı- ( wA ) hesaplanabilir (Eşitlik-9).

(9)

Buradaki ∆ n ifadesi n. elekte tutulan örneğin toplam kütle kesrini, nD ise ortalama göstermektedir. Toplamsal analizde Eşitlik-7 diferansiyel olarak yazılır ve spesifik yüzey alanı wA limit =0 ve =1 arasında integral alınarak yapılır. İntegrasyon grafiksel veya

nümerik yöntemlerle hesaplanır. Burada tanecik yoğunluğu (p

) ve şekil faktörünün ( )

sabit kaldığı varsayılmaktadır (Eşitlik-10):

(10)

Burada pD , n. eleğin açıklık değerine eşit olan tanecik çapı değeri, n ise n. eleğin üzerindeki

fraksiyonun kütle kesrini belirtmektedir. Sıralama yukarıdan aşağıya doğru yapıldığından n.

eleğin hemen üzerindeki elek, (n-1). elek olarak adlandırılmaktadır [1].

1 2

11 2

6 6 6 6...p p p p

nTnT

wnT n

AD D D D

1

0

6

p

nw

p

dAD

1 21

...nT

nT nn

96

Tanecik sayısıFarksal analiz için Eşitlik-6 kullanılarak her bir fraksiyondaki tanecik sayısı,

tüm fraksiyonlar için toplanarak elde edilir (Eşitlik-11). Toplamsal analiz için ise toplam

tanecik sayısı, Eşitlik-6’nın integrasyonun grafiksel ya da nümerik olarak hesaplanması ile

elde edilir (Eşitlik-12):

(11)

(12)

Ortalama tanecik boyutları: Karışık bir örnekteki ortalama tanecik boyutu farklı yollarla


Hacim-yüzey ortalama çap( vsD ): Spesifik yüzey alanı değeri ile hesaplanmaktadır.

(13)

Aritmetik ortalama çap’tır( ND ). Nw burada birim örnek içerisinde bulunan tanecik sayısını ifade etmektedir.

(14)

Kütle ortalama çap ( WD ) ise aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır;

(15)

1 23 3 3 3

11 2

1...nT

nT n

np p p nT p n

Na D a D a D a D

1

30

1

p p

dNa D

0

wNp

Nw

D dND

N

1

0W pD D d

6

p

vsw

DA

97

2. MATERYAL VE METOT 2.1.Materyal

Deney numunesi olarak karışık bulgur örneği (kalın, pilavlık ve köftelik) pilavlık

kullanılacaktır,

Farklı mesh sayılarına sahip standart elekler (Tercihen Tyler serisine uygun),

Elek sarsma cihazı,

Terazi,

Fırça,

Tartım kapları.

2.2.Metot

2.2.1. Matematiksel metot

Tabloya geçirilen değerler ile toplam dağılım ve yoğunluk dağılım eğrisi

çizilir.

Her bir elek fraksiyonu için ortalama tanecik çapı, spesifik yüzey alanı,

tanecik sayısı hesaplanır.

Toplam alan ve toplam tanecik sayısı toplamsal ve farksal analiz yöntemi ile

hesaplanır.

2.2.2. Deneysel metot

Analize başlamadan önce eleklerin temizlenmiş olmalarına dikkat edilmelidir.

Deney düzeneği; analiz elek takımı, elek sarsma cihazı ve teraziden oluşur. Elenecek

maddenin büyüklük dağılımına uygun bir elek takımı seçilmelidir.

Elekler, en büyük mesh (en dar elek açıklığı) değerine sahip elek en altta (tepsinin

hemen üzerinde) ve elek açıklıkları √2 kat artacak şekilde sıralanırlar.

Sarsma cihazına yerleştirilen eleklerin en üstte olanına 250-500 g kadar örneği temsil

eden bir miktar tartılarak koyulur.

Elek takımının üst kapağı sıkıca kapatılıp vidalandıktan sonra sarsma cihazı en az 10

dakika çalıştırılır. Bu sürenin sonunda elek üzerinde kalan miktarlar bir kaba

98

aktarılarak tartılır. Elekler bu sırada iyice boşaltılarak üzerinde madde kalmadığından

emin olunmalıdır. Bu işlem için ince kıl fırçalardan yararlanılabilir. Ancak küçük

delikli eleklerde elek açıklığını etkileyeceğinden kesinlikle kullanılmamalıdır.

Deney bitiminde temizlenen elekler ve laboratuvar tezgâhları düzenli, cihazın elektrik

bağlantısı çekilmiş bir şekilde, bırakılmalıdır.

3. SONUÇLAR

3.1. Verilerin kaydedilmesi:

Mesh Elek açıklık değeri (Dp) (mm) Elek üzerinde toplanan madde miktarı

m (g)

Bulgurun şekil faktörünün hesaplanması için;

Hacimsel şekil faktörü (a):

Yüzeysel şekil faktörü (b):

Taneciklerin özgül ağırlığı:

99

3.2. Verilerin hesaplanması:

3.2.1. Şekil faktörü ve küresellik:

3.2.2. Toplam dağılım ve yoğunluk dağılım eğrilerinin çizilmesi [3] :

Farksal analiz:

Mesh Dpn Elek üstünde kalan madde

ağırlığı (Δm) n n

pnD

0

Toplamsal analiz:

Mesh pD Elek üstünde kalan madde ağırlığı (Δm)

n n n

100

a. Örnek bir tablo ile toplam dağılım eğrisinin çizilmesi: Farksal Analiz:

Mesh Dpn Elek üstünde kalan madde

ağırlığı (g) n n

pnD

4/6 0,3327 8 8/200=0,04 0,04/0.3327

6/8 0,2362 26 26/200=0,13 0,13/0,2362

8/10 0,1651 56 56/200=0,28 0,28/0,1651

10/14 0,1168 50 50/200=0,25 …

14/20 0,0833 44 44/200=0,22

20/28 0,0589 14 14/200=0,07

Tepsi 2 2/200=0,01

Toplam m= 200 g

Toplamsal Analiz:

Mesh pD Elek üstünde kalan madde ağırlığı (Δm)

n n n

4 0.4699 0 0 0

6 0,3327 8 0,04 0.04 8 0,2362 26 0,13 0.17 10 0,1651 56 0,28 0.45 14 0,1168 50 0,25 0.7 20 0,0833 44 0,22 0.92 28 0.9406 14 0,07 0.99

Tepsi 2 0,01 1

Toplamsal olarak elde edilen kütle kesri ( ) , pD ’ye karşılık sürekli bir eğri olarak

grafiğe geçirilir. 0,5 değerine karşılık gelen değer medyan değeridir:

101

b. Yoğunluk dağılım eğrisinin çizilmesi: Histogram ve sürekli eğri olarak iki gösterim şekli vardır. Sürekli eğride ikinci sütundaki

elek açıklık değerlerinin ortalaması alınır. Eğrinin tepe noktasına gelen x değeri modal

değerdir. Elek analizinde farksal analiz için çizilir.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 1 2 3 4 5 6 7

Δφ

/ΔD n

Dpn

Dp

Dpn

102

3.2.3. Örnek bir tablo değeri ile tanecik özelliklerinin belirlenmesi

a. Spesifik yüzey alanı, tanecik sayısı : Bir elek analizi aşağıdaki tablodaki veriler ile

yapılıyor olsun. Her bir veri aşağıdaki gibi hesaplanır (Formülde kullanılmak üzere)

[1];

Mesh (Dn) n 1

nD 3

1

nD n

nD 3

n

nD

4/6 0,4013 0,0251 2,49 15,5 0,063 0,4

6/8 0,2844 0,1250 3,52 43,5 0,439 5,4

8/10 0,2006 0,3207 4,98 124 1,599 39,7

10/14 0,1409 0,2570 7,1 358 1,824 92

14/20 0,1000 0,1590 10,0 1000 1,590 159

20/28 0,0711 0,0538 14,1 2800 0,757 150

28/35 0,0503 0,210 19,9 7860 0,417 165

Toplam 6,69 611

Farksal analiz:

Hesaplamaların yapılabilmesi için öncelikle şekil faktörü ve yoğunluk değerlerinin

belirlenmesi gerekmektedir. Yukarıdaki örnek için a=3,5 b=2 ve özgül ağırlık değeri

2,65’tir. Buna göre spesifik yüzey alanı ve tanecik sayısı Eşitlik-9 ve Eşitlik-11

kullanılarak hesaplanır:

1

6 6 1,75 3,962,65

p

nTn n n

wn n n n

xA xD D D

3,96x6,69=26,5 cm2

3 3 31

1 1 0,1892 2,65

nTn n n

np n n n

Na D x D D

=0,189x611=115

103

Toplamsal analiz:

Bir dağılımda tek tür parçacık olmadığından deneysel olarak kaydedilen verilerden

sırasıyla 1

pD ve 3

1

pD kütle kesrine ( ) karşılık grafiğe geçirilir. Değişen değerleri

örnekte 0,7- 0,925 arasındadır. Bu iki nokta arasında eğrinin trapezoidal grafik kuralına

göre alan hesaplaması yapılır ve aşağıdaki sonuçlar Eşitlik 10 ve 12’ye göre elde edilir;

0,9616

0

3.96wp

dAD

=3,96x6,71=26,6 cm2

0,9616

30

0,188wp

dND

=0,189x626=118

Örnek hesaplamada trapezoidal yöntem ile alan hesaplamada kullanılan grafikler:

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1/Dp

Fraksiyondaki kütle kesri (φ)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1/Dp

3

Fraksiyondaki kütle kesri (φ)

104

4. SİMGELER ve KISALTMALAR

Sp: Bir taneciğin yüzey alanı (mm2)

Vp: Bir taneciğin hacmi

b: Yüzeysel şekil faktörü

a: Hacimsel şekil faktörü

λ : Şekil faktörü

Dp: Tanecik çapı ve toplamsal analiz için elek açıklığı değeri (mm)

Dp,e: Eşdeper çap (mm)

nD : Farksal analiz için elek açıklığı ortalamalarının alındığı ortalama çap (mm)

vsD : Hacim-yüzey ortalama çap (mm)

ND : Aritmetik ortalama çap (mm)

WD : Kütle ortalama çap (mm)

: Toplam kütle kesri(mm)

: Fraksiyonun kütle kesri (mm)

A: Toplam yüzey alanı (mm2)

wA : Spesifik yüzey alanı (mm2)

wN : Tanecik sayısı

5. KAYNAKLAR

[1]McCabe W. L., “Unit operations of Chemical Engineering”,Ch:25-26, 792-815, McGraw

Hill, (1967).

[2]Patil K. D., “Mechanical Operations Fundamental Principles and Applications”, 129-136,

Nirali Parakashan, Mumbai, (2009)

[3]Ayvaz Z., Tutkun O, Yörük S., Onat E., Pehlivan P., Batı H., Ekiz H.İ.,Özer D., Fırat

Üniversitesi Kimya Mühendisliği Laboratuvarı Deney Föyü, Fırat Üniversitesi Basımevi,

(1985)

105

[4] Geancoplic C.J., “Transport Processes and Unit Operations”, Prentice Hall, International

Ed., (1993)

[5] Saldamlı İ, “Gıda Endüstrisi Makinaları” Birinci Baskı, Önder Matbaa, Ankara (1990)

6. EKLER

Tyler Standart Elek Serisi Dönüşümleri [1]

Mesh Elek açıklığı (in) Elek açıklığı (mm)

3 0,263 6,680 4 0,185 4,699 5 0,156 3,962 6 1,131 3,327 7 0,110 2,794 8 0,093 2,362 9 0,078 1,981

10 0,065 1,651 12 0,055 1,397 14 0,046 1,168 16 0,0390 0,991 20 0,0328 0,833 24 0,0276 0,701 28 0,0232 0,589 32 0,0195 0,495 35 0,0164 0,417 42 0,0138 0,351 48 0,0116 0,295 60 0,0097 0,246 65 0,0082 0,208 80 0,0069 0,175 100 0,0058 0,147

106

TANELİ GIDALARIN BAZI FİZİKSEL ve MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN

BELİRLENMESİ

1. GİRİŞ

Gıdaların işlenmesini etkileyen bütün özellikleri gıdaların mühendislik özellikleri olarak

tanımlanmaktadır.Gıdaların mühendislik özellikleri termal, optik, elektriksel, yapısal -

geometrik ve mekanik özellikleri olmak üzere sınıflandırılabilir. Gıdaların sahip oldukları

mühendislik özellikleri kimyasal ve yapısal özelliklerine bağlı olarak değişmektedir.

Gıdaların bileşiminde ve şeklinde yapılacak herhangi bir değişiklik bu özelliklerinde de

değişimlere neden olabilir. Gıda maddelerinin iyi bir şekilde işlenerek istenilen kalite

özelliklerini taşıyan ürünlerin elde edilebilmesi için mühendislik özelliklerinin çok iyi bir

şekilde bilinmesi gerekmektedir [1].

Gıdaların kütle-hacim-yüzey alanı ilişkilerine dayalı mühendislik özellikleri proses

tasarımı, diğer özelliklerin belirlenmesi, ürün karakterizasyonu veya kalite

parametrelerinin belirlenmesinde büyük önem taşımaktadır. Bir gıdanın boyut özellikleri,

şekli hacmi, yüzey alanı, yoğunluğu ve gözenekliliği gibi özellikleri o gıdanın proses

koşullarını üzerinde oldukça büyük bir etkiye sahiptir [2]. Örneğin meyve ve sebzeler

işletmede boyutlarına göre sınıflandırılıp, daha sonra gerekli koşullar altınla

işlenmektedir. Gıda maddeleri içerisindeki safsızlık bileşenleri çoğunlukla yoğunluk

farkından yararlanılarak ayrıştırılmaktadır. Yığın yoğunluğunun bilinmesi ile ise

depolama ve taşıma işlemleri sırasında alan boşluğu ile ilgili bilgi vermesi açısından

oldukça önemlidir. Ayrıca karıştırma, taşıma, depolama ve paketleme proseslerinin her

birinde yığın özelliklerinin belirlenmiş olması büyük önem taşır.Birçok fiziksel ve

kimyasal işlemlerde reaksiyon hızı doğrudan yüzey alanı ile ilişkilidir. Çoğu zaman yüzey

alanının büyük olması istenen bir durumdur. Porozite ve yapının kıvrımlılığı kütle

transferi proseslerinde efektiv difüzyon katsayısının belirlenmesinde önemli olmaktadır

[2]. Bununla birlikte gıdaların gözeneklilik ve yoğunlukların sertliklerini kırılganlıklarını

öğütme and kuruma hızları ve mikrobiyal gelişime direnci ile yakından ilgili olan önemli

kalite parametrelerindendir [3].

Bu nedenle gıdaların fiziksel özeliklerinin doğru, hızlı ve düşük maliyetli analiz

yöntemleri ile belirlenmesi gerekmektedir.

107

1.1. Gıdaların Yapısal ve Geometrik Özellikleri

Gıdaların partikül boyutu, yoğunluk, şekil ve gözeneklilik gibi özellikleri yapısal ve

geometrik özellikleri olarak bilinmektedir.

1.1.1. Boyut ölçümü

Bir cismin üç ana kesitinin mikrometre yardımı ile ölçümü ile yapılır. Şekil 1.’ de yer

fıstığı örneklerinin boyut ölçümü görülmektedir.

L: uzunluk (mm)

W: genişlik (mm)

T: kalınlık (mm)

Şekil 1. Yer fıstığı örneklerinin üç ana boyutunun (L-W-T) ölçümü [4].

1.1.2. Eşdeğer çap ve Küresellik Ölçümü

Gıda örneğinin birbirinden farklı üç ana kesitin yardımıyla aşağıda verilen bağıntı

kullanılarak ortalama geometrik çap değeri elde edilir.

Deş= (L×W×T)1/3

L: uzunluk (mm) W: genişlik (mm) T: kalınlık (mm)

L W T

108

Bir tanenin küre şekline ne kadar benzediğinin bir ölçüsü olan küresellik değeri aşağıda

verilen eşitliğe göre hesaplanmıştır.

ɸ = ( × × )

1.1.3. Hacim

Hacim, bir cismin boşlukta kapladığı üç boyutlu alan olarak tanımlanmaktadır. Uluslar

arası birim sisteminde birimi “m3” olarak gösterilmekteidir. Gıdalarda hacim gıdanın

dokusal özelliklerini yakından ilgilendirmektedir. Bu nedenle de önemli bir kalite

kriteridir. Katı maddelerin hacim ölçümü farklı yöntemlerle yapılabilmektedir [1]:

a) Düzgün bir geometriye sahip bir cismin hacmi karakteristik boyutundan

hesaplanmaktadır.Şekil 2.’ de düzgün geometriye sahip cisimlerin hacimleri

gösterilmektedir.

Şekil 2. Düzgün boyutlara sahip cisimlerin hacimleri [7].

b) Sıvı veya gaz yer değiştirme yöntemleri kullanılarak örnek hacminin hesaplanması

Sıvıların Yer Değiştirmesi Metodu

Eğer kullanılan örnek sıvıyı hızlı bir şekilde absorblamıyorsa, hacim ölçümü bu yöntemle

yapılabilmektedir. Bu yöntemde gıda örneğinin hacmi bir piknometre veya bir dereceli

silindir yardımıyla belirlenebilir [1].

Piknometre ile;

Piknometre ağzında kılcal oluklu camdan bir başlık yerleştirilmiş küçük bir balondur.

Piknometre ile yoğunluk saptanırken hidratlanmayan örnekler için su; hidratlanan örnekler

için ise genellikle alkol kullanılmaktadır. Şekil 3.’ te basit bir şekilde sıvı piknometresi ile

hacim ölçümü gösterilmektedir [8].

109

M1 = Boş piknometre ağırlığı,

M2= Sıvı ile dolu piknometre ağırlığı,

M3= Örnek + piknometre ağırlığı,

M4= Örnek + sıvı ile dolu piknometre ağırlığı.

Şekil 3. Sıvı piknometresi ile hacim ölçümü [8].

Buna göre;

M3– M1= Mörnek (kuru örnek kütlesi, g)

[(M2+ M3) - (M1+M4)] = Msu

(örnek tarafından yer değiştiren suyun kütlesini verir).Suyun yoğunluğu 1000 kg/m³

olduğundan kütlesi aynı zamanda hacmine eşittir.

Böylece;

ƿ =푀 − 푀

[(푀 + 푀 ) − (푀 + 푀 )]

Dereceli silindir ile;

Bu yöntemde örneğin hacmi ölçü kabında kullanılan sıvının hacminin değişiminden

belirlenmektedir. Başlangıçta sıvı hacminin bilindiği bir mezür veya büret içerisine

hacmini ölçmek istenilen örnek koyulduğunda sıvı hacminde belli bir artış

gözlemlenmektedir. Bu artış örneğe ait hacimden kaynaklanmaktadır. Bu yöntemde dikkat

edilmesi gereken noktalardan bir tanesi kullanılacak sıvının yüzey geriliminin mümkün

olduğunca düşük olması ve örneğin bu sıvıyı absorblama hızının çok yavaş olması

gerektiğidir. Bu amaçla yaygın olarak alkol, toluen veya tetrakloroetilen kullanılmaktadır

[1].

Şekil 4. Dereceli silindir ile düzgün olmayan cisimlerin hacim ölçümü [9].

110

Gazların Yerdeğiştimesi Metodu

Bu yöntem de genellikle düzgün olmayan geometriye sahip katı maddelerin hacminin

belirlenmesinde kullanılmakadır. Bu amaçla gaz piknometreleri kullanılmaktadır(Şekil 5).

Şekil 5. Gaz piknometresi [1].

Gaz piknometrelerinde direkt olarak hava kullanılabileceği gibi, helyum veya nitrojen

gazı da kullanılabilmektedir. Bir gaz piknometresi yaklaşık olarak eşit hacimlere sahip iki

kaptan oluşmaktadır. Bu iki kap arasında hava transferi küçük bir çapa sahip bir boru

sistemi ile sağlanmaktadır. Basınç ölçümü amaçlı ise manometreler kullanılmaktadır [2].

Gaz piknometresi ile yapılan ölçümlerin sıvı piknometresine kıyasla daha doğru sonuç

vermektedir. Çünkü gaz moleküllerinin materyal arasındaki boşlukları doldurma yetisi

sıvı moleküllere göre daha kuvvetlidir. Ayrıca daha fazla hacimlerde (yığın halinde)

örneğin analiz edilebilmesine olanak sağladığı için de tercih edilen bir yöntemdir. Sıvı

piknometresinde analiz sırasında katı örnek, ortam sıvısı ile temas ettiğinden dolayı işlem

bitiminde kurutulması gerekmektedir. Bu nedenle sıvı piknometresi ile hacim ölçümü

analiz süresinin uzun olması nedeni ile kimi zaman tercih edilmemektedir.

Gaz piknometresi granüler yapıdaki, gözenekli veya çözünür özellikteki maddelerin

kaya parçaları, toprak örnekleri, kömür, seramik, tuzlar, ilaçlar, plastik filmler, diş,

çikolata, tohum gibi örneklerde hacim ölçümü dolaylı olarak da yoğunluk ölçümlerinde

yaygın olarak kullanılmaktadır [6].

Bir gaz piknometresi yaklaşık eşit hacme sahip V1 ve V2iki adet hava sıkıştırma

haznesinden oluşmaktadır. Analiz edilecek örnek ikinci hazne içerisine yerleştirilir. 3

nolu hava çıkış valfi ve hazneler arasında bulunan 2 nolu valf kapalı durumda tutulur.

111

Hava giriş valfi, yani valf 1açılarak birinci hazne içerisine bir pompa sistemi ile gaz

girişi sağlanır. Basınç artışı sistemde bulunan basınç ölçerden kaydedilir. Genel olarak 1

olu kapta 700-1000 Pa değerine bir basınç yaratılır. Ardından giriş valfi, yani 1 nolu valf

kapalı konuma getirilir ve denge basıncı ölçülür. Bu sırada gazın ideal gaz gibi davrandığı

kabul edilmektedir [1]. Gaz piknometresinin temeli Boyle-Mariotte basınç-hacim ilişkisi

kuralına dayanmaktadır. Buna göre;

P1 V1= n R T1 (1)

Burada:

P1 = Valf 2 kapalı konumda iken denge basıncı (Pa)

V1 = Birinci haznenin hacmi (m3)

n = Gazın mol sayısı (kg mol)

R = Gaz sabiti (8314,34 J/kg mol K)

T = Mutlak sıcaklık (K)

Denge basıncının sağlanmasının ardından iki hazne arasındaki iki numaralı valf açılarak

birinci hazne içerisindeki gazın ikinci haznedeki örnek arasındaki boşluklara dolması

sağlanır. Sistem dengeye ulaştığında basınç ölçerden elde edilen basınç değeri P2 olarak

kaydedilir. Bu sırada başlangıçta m olan toplam gazınkütlesi birinci haznede m1, ikinci

haznedeki boşlukların kütlesini temsil eden m2 olarak bölünmüş olur.

m= m1+m2 (2)

İki sistemin izotermal olduğu düşünülürse;

P1 V1 = P2 V1 +P2 Vg (3)

Burada Vg ikinci haznedeki örneğin arasında bulunan gözeneklerin hacmini

belirtmektedir.

푽품 = 푽ퟐ − 푽ö = 푽ퟏ푷ퟏ 푷ퟐ

푷ퟐ (4)

Vö örnek hacmini ifade etmektedir.

푽ö = 푽ퟐ − 푽ퟏ푷ퟏ 푷ퟐ

푷ퟐ (5)

112

Bu işlemler sırasında bağlantı borularının hacminden gelebilecek hataların göz önüne

alınması gerekmektedir. Ayrıca, kullanılan havanın tıpkı bir ideal gaz gibi davranmadığı

unutulmamalıdır. Bununla birlikte bağlantı boru sistemindeki 2 numaralı valf

açıldığındaki basınç eşitlenmesi sırasında haznelerin sıcaklıkları birbirinden farklı

olmaktadır, yani sistem izotermal değildir. Bu hataların elimine edilebilmesi için

kullanılan cihaz hacmi kesin olarak belirlenmiş bir cisim ile kalibre edilebilir.Bu amaçla

aluminyum cisimler kullanılabilir.

Gaz piknometresi ile hacim ölçümündebazı temel varsayımlar:

Piknometre içerisindeki gazın ideal gaz gibi davrandığı.

Analiz edilen örneğin ve piknometre elemanlarının rijit yapıda olduğu.

Pikometre üzerindeki boru sisteminde herhangi bir gaz sızıntısı olmadığı ve

gaz basıncının çok hızlı bir şekilde denge durumuna geldiği.

Gaz sıcaklığının iki çemberde homojen ve sabit kaldığı (izotermal).

Bir Gaz Piknometresi Dizaynında Dikkat Edilecek Noktalar

Örnek haznesinin özellikleri;

Öncelikle duvar sürtünme etkilerinin minimuma indirilmesi gerekmektedir. Literatürde

yer alan çalışmaların birinde (Schaub-Szabo ve Leonard, 1999) küçük hacimdeki örnek

hazneleri (yüzey alanı/hacim oranı, 10 m2/m3) için bu etkilerin ihmal edilmeyecek kadar

fazla olduğu belirtilmektedir. Bu bilgiye göre silindir şeklindeki örnek haznesinin yüzey

alanı πDh, haznenin hacmi ise πD2h/4 olur. Yapılan çalışmada belirtilen oranı

kullandığımız takdirde haznenin çapının optimum olarak 0,4 m olması gerektiği sonucu

ortaya çıkar. Yüksekliğin ise yaklaşık olarak 25 L hacminde bir hazne elde edebilmek için

0,2 m olması gerekir. Ayrıca örnek haznesinin açıp kapamasının pratik olması ve kolay

temizlenebilir olması önemlidir [5].

Boru sisteminin özellikleri;

İki hazne arasındaki bağlantının sağlanması amaçlı kullanılan boruların çapları büyük

önem taşımaktadır. Bağlantı borularının hacmi, örnek haznelerinin hacmine kıyasla çok

küçük olmalıdır. Bunun yanında boru sisteminin, hazneler ve valflerle birleşme noktaları

sızdırmaz olmalıdır. Aksi takdirde analiz sırasında bu bağlantı noktalarından oluşabilecek

gaz sızıntıları yanlış ölçüm yapılmasına neden olabilir

113

Basınç ölçerin özellikleri;

Kullanılan basınç ölçme düzeneğinin duyarlılığının yüksek ve hassas ölçüm

yapabilmesi gerekmektedir.

1.1.4. Yoğunluk

Yoğunluk, en önemli mekanik özelliklerden biri olup birim hacimdeki madde miktarı

olarak tanımlanmaktadır. Birimi uluslar arası birim sisteminde kg/m3’ tür. Yığın

yoğunluğu ise paketlenmiş veya istiflenmiş bir malzemenin toplu olarak yoğunluğudur.

Yığın yoğunluğu malzemenin geometrisi, partiküllerin büyüklüğü ve yüzey özellikleri ile

ilişkilidir [2].

푌표ğ푢푛푙푢푘 = 퐾ü푡푙푒퐻푎푐푖푚 ƿ = 푚

푉

1.1.5. Gözeneklilik

Maddenin içerdiği gözeneklerinin hacminin, toplam hacme (gözenek hacmi+maddenin

kendi kacmi) oranıdır. Birimi olmayan bir niceliktir. Yığın gözenekliliği ise maddenin

etrafındaki boşlukların hacminin, toplam yığın hacmine oranlanması ile hesaplanmaktadır

[2].

Ɛ = ƿ ƿƿ

×100

Yığın gözeneklilik değeri (Ɛ), tane yoğunluğu (ƿt) ve yığın yoğunluğu (ƿy)

1.1.6. Statik Sürtünme Katsayısı

Taneli gıdaların, çeşitli yapıdaki yüzeyler üzerindeki sürtünme katsayıları, analiz ve hasat

sonraı işleme, proses ve depolamada kullanılan ekipmanların (silo, konveyor) dizaynı için

önemli parametrelerden biridir. Ayrıca statik ve dinamik sürtünme katsayısı makinelerin

güç gereksiniminin tahmininde de önemlidir. Tarımsal gıda örneklerinin sürtünme

katsayısını belirlemek için bugüne farklı yöntemler kullanılmıştır. Kramer (1944) pirinç

tanelerinin sürtünme katsayısını belirlemek için eğik düzlem yöntemini kullanmıştır.

Birkaç araştırmacı tarafından kullanılan bu yöntem, malzemenin materyal yüzeyindeki

hareketine dayalıdır. Çoğu durumda, statik sürtünme katsayısı, örneğin, materyalin eğimi

114

boyunca aşağıya doğru kaymaya başladığı andaki eğiminin tanjant açısı belirlenerek

ölçülür.

Eğik düzlem üzerinde i ve j yönündeki kuvvetler belirlenir. Bu kuvvetlerin toplamı ise;

푭 = (풇 − 풎품풔풊풏Ɵ)풊 + (푵 − 풎품풄풐풔Ɵ)풋

j yönünde herhangi bir hareket olmayacağından, bu yöndeki kuvvetler “0”’ dır.

푵 − 풎품풄풐풔휽 = ퟎ

푵 = 풎품풄풐풔휽

푭풎풂풙 = 흁푵 = 흁풎품풄풐풔휽

Blok kaymaya başlamadan hemen önce sürtünme kuvveti maksimuma ulaşır, ancak blok

henüz hareketsizdir. i yönündeki kuvvet eşitlendiğinde;

푭풎풂풙 − 풎품풔풊풏휽 = 흁풎품풄풐풔휽 − 풎품풔풊풏휽 = ퟎ

흁풎품풄풐풔휽 = 풎품풔풊풏휽

흁풄풐풔휽 = 풔풊풏휽 elde edilir.

Buradan µ çekilirse;

흁 = 풔풊풏휽풄풐풔휽 = 풕풂풏휽

Statik sürtünme katsayısı eğik düzlemin yatayla yapmış olduğu Ɵ açısının tanjantı olarak

belirlenmiş olur.

115

2. MATERYAL ve YÖNTEM

Materyal

Deney numunesi olarak taneli gıda örneği

Gaz piknometresi

Terazi

Mikrometre

Eğik düzlem düzeneği

Mezur

Toluen

Yöntem

Boyut ölçümü

Gıda örneğinin üç ana kesiti (en-boy-yükseklik) mikrometre yardımı ile

ölçülür.

Elde edilen veriler kullanılarak eşdeğer çap ve küresellik hesaplanır.

Sıvı yer değiştirme yöntemi ile hacim ölçümü

100 gram gıda örneği, içerisinde belli hacimde toluen bulunan 1 L hacmindeki

mezurün içerisine bırakılır.

Mezurde yeni hacim değeri okunur.

İki hacim arasındaki fark, yer fıstığı örneklerinin gerçek hacmini vermektedir.

Gaz yer değiştirme yöntemi ile hacim ölçümü

Piknometrenin örnek kabı gıda örneği ile doldurulur.

Piknometre boru sistemi üzerinde yer alan valflerden 2 ve 3 numaralı olanlar

kapalı konumda tutulurlar,

Açık olan 1 nolu valften hava toplama kabına belirli basınçta hava girişi

sağlanır.

Valf 1 kapatılarak sabitlenen basınç değeri okunur.

Denge basıncı elde edildikten sonra valf 2 açılır ve sistem içerisindeki havanın

örnek kabına bulunan boşluklar arasına geçişi gerçekleşir.

Basınç değeri kaydedilir.

İdeal gaz yasası kullanılarak örneklerin gerçek hacimleri ölçülür.

116

Gerçek ve yığın hacmi belli olan örneğin gözenekliliği belirlenir.

Statik sürtünme katsayısının belirlenmesi

Farklı düzlemler üzerinde gıda örneğinin sürtünme katsayısı belirlenir.

Bu amaçla tahta, plastik ve metal düzlemler kullanılır.

Makara sistemi yardımıyla eğik düzlemin hareketi sağlanarak, analiz edilen

gıdanın düzlemde kayması sağlanır.

Örneklerin düştüğü açı, açı ölçer yardımıyla belirlenir. Belirlenen bu açının

tanjantı statik sürtünme katsayısını verir.

3. DENEY SONRASI YAPILACAK HESAPLAMALAR

Kullanılan gıda örneklerinin;

Boyut ölçümü yapılacak, buna bağlı olarak eşdeğer çap ve küresellik değeri

hesaplanacaktır.

Sıvı ve gaz yer değiştirme yöntemlerine göre gözenek ve örnek hacmi, yığın

yoğunluğu ve gözeneklilik değerleri hesaplanacaktır.

Eğik düzlem sistemi kullanılarak farklı zeminlerde örneğin statik sürtünme

katsayısı belirlenecektir.

4. ÖRNEK PROBLEM

Kurutulmuş elma dilimlerinin gözenekliliği gaz piknometresi kullanılarak belirlenmek

istenmektedir. Kurutulmuş elma dilimleri piknometrenin ikinci haznesine doldurulmuştur.

2 ve 3 numaralı valfler kapalı durumda iken birinci çembere hava girişi sağlanmıştır. Bu

işlemin ardından valf 1 kapatılmış ve basınç ölçerden P1 değeri 0.618 atm olarak

okunmuştur. Sonra, valf 2 açılarak denge basıncı sağlanmış ve P2 değeri 0.473 atm olarak

kaydedilmiştir. Bu bilgilere göre kurutlmuş elma dilimlerinin gözenekliliğini (Ɛ)

hesaplayınız.

Eşitlik 3 kullanılarak;

P1 V1 = P2 V1 +P2 Vg

117

Ɛ =푉푔푉1

= Ɛ = . ..

= 0, 307

5. TARTIŞMA ve ÖNERİLER

Her iki yöntem kullanılarak deneysel olarak gözenek hacmi ve örnek hacmi belirlenerek

bu değerler arasındaki farklılığı nedenini tartışınız.

Sıvı yerdeğiştirme ve gaz piknometresi hesaplamalarında yapılan varsayılmaların ne gibi

hatalara neden olabilceğini tartışınız. Bu hataları gidermek amaçlı öneriniz varsa sununuz.

Eğik düzlem kullanılarak belirlenen statik sürtünme katsayısı, birçok parametreye göre

değişkenlik gösterebilmektedir. Bunlar; gıda maddesinin yüzeysel yapısı, nem içeriği ve

eğik düzlemin materyal özellikleri olarak sıralanabilir. Siz de raporunuzda bu faktörlerin

etkisini tartışınız.

6. SİMGE ve KISALTMALAR

P1 = Valf 2 kapalı konumda iken denge basıncı (Pa)

V1 = Birinci haznenin hacmi (m3)

n = Gazın mol sayısı (kg mol)

R = Gaz sabiti (8314,34 J/kg mol K)

T = Mutlak sıcaklık (K)

m = Kütle (kg)

Ƿ = Yoğunluk (kg/m3)

Ɛ = Gözeneklilik

N= Tepki kuvveti (N)

g= Yerçekimi ivmesi (m/s2)

f= Sürtünme kuvveti

µ= Statik sürtünme katsayısı

7. KAYNAKLAR

[1] Şahin, S., Sumnu,S. G. “Physical Properties of Foods” Chapter: Size, Shape, Volume, and

Related Physical Attributes, 1-36, Springer Science+Business Media, 2006.

118

[2] Rao, M. A., Syed S. H. Rizvi, Datta A.K., “EngineeringPropertiesof FoodsThird Edition”

Cahpter: Mass-Volume-Area–Related Properties of Foods, 1-35, CRC Press, 2005.

[3] Chang, C. S., “Measuring Density And Porosity Of Grain Kernels Using A Gas Pycnometer”,

Cereal Chem, 65(1) 13-15, 1988.

[4] Eser, E. “Uzak İnfrared (Fır) Işınlarının İşlenmemiş İç Yer Fıstığının Fiziksel Kimyasal Ve

Mikrobiyolojik Kalitesine Etkisi”, Yüksek Lisans Tezi, Mersin Üniversitesi, Fen Bilimleri

Enstitüsü, Gıda Mühendisliği A.B.D., 2012. [5] Agnew J.M., Leonard J.J, Feddes, J. and Feng, Y.,” A modified air pycnometer for compost air

volume and density determination”, Canadian Biosystems Engineering, 45, 27-35, 2003.

[6] Tamari, S., Chavez, A.A., “ Optimum Design Of Gas Pycnometers For Determining The

Volume Of Solid Particles” Simposio de metrologia, 25-27 Ekim 2004.

[7] Anonim,http://www.renkliweb.com/soru-cevap-2/katilarin-hacmi-nasil-olculur-orneklerle-

katilarin-hacmi-olcme.html Erişim tarihi: 07.11.2013.

[8] Yoğunluk Saptanması Deney Föyü, Cevher Hazırlama Laboratuvarı I,İnönü Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi Maden Mühendisliği Bölümü.

[9} http://www.lisefizik.com/lise1/hacim.htm

119

GAZ ve SIVI DİFÜZYONU

1. GİRİŞ

Gıda mühendisliğinde karşılaşılan temel işlemlerden önemli bir kısmı başlıca üç

transfer işlemi olan momentum, ısı ve kütle aktarım işlemleri içinde sınıflandırılabilir. Bu

aktarım işlemlerinin gerçekleşmesi için sistemde bir itici güç bulunması gerekir.

1) Akışkan akımında itici güç, basınç farkı (ΔP)

2) Isı transferinde, sıcaklık farkı (ΔT)

3) Kütle iletiminde de kimyasal potansiyel farkıdır. Bununla birlikte kütle iletiminde

sürücü kuvvet olarak kimyasal potansiyel, doğrudan ölçülebilen bir büyüklük

olmadığından yerine derişim farkı (ΔCA) kullanılabilir [1,2].

Bir bileşenin yüksek konsantrasyonda bulunduğu bölgeden düşük konsantrasyonda

olduğu bölgeye hareketine kütle transferi denir. Kütle transferi iki temel mekanizma ile

gerçekleşir:

i. Moleküllerin gelişi güzel hareketinden doğan kütle transferine, moleküler difüzyon,

ii. Aşağıda belirtilen ve akışkanın akış rejimi ile ilgili olan transfere ise Eddy difüzyonu

denir:

Mekanik karıştırma,

Akışkan akımında türbülans,

Yoğunluk farkından doğan konveksiyon akımları,

Manyetik kuvvet, yüzey gerilimi, elektrik alanı, yüzey kuvvetleri gibi

akışkana kazandırılan diğer faktörler.

Gazların çok hızlı ve oldukça serbest hareket eden moleküllerden meydana geldiği

bilinmektedir. Aynı basınç ve sıcaklıkta bulunan iki ayrı gaz kütlesinin bir levha ile ayrılarak

iki kap içine konulduğu düşünülsün (Şekil 1.1). Levha çekildiğinde, moleküllerin hızlı

hareketinden dolayı her iki gazda birbirinin içine yayılır. Bu işlem dengeye ulaşıncaya kadar

devam eder. Bu şekilde gelişen kütle iletimine “Moleküler Difüzyon” denir. Şimdi aynı

kaplardan birindeki gazın sıkıştırıldığını ve aradaki levhaya da bir delik açıldığını düşünelim

(Şekil 1.2). Bu durumda sıkıştırılan gaz levhaya açılan delikten ikinci kaba doğru akacaktır.

Buna ortaya çıkan Eddy akımlarından dolayı “Eddy Difüzyonu” denir [2,3].

120

I II

F F

I II

X

CA(x)

A Bileşeninin konsantrasyonu

yüksek

A Bileşeninin konsantrasyonu

düşük

dxdCEgim A

A Bileşeninin konsantrasyon profili

Şekil 1.1. Moleküler Difüzyon

Şekil 1.2. Eddy Difüzyonu

Sıvılarda moleküler difüzyona, bir bardak suya bir damla mürekkep eklendiğinde boya

moleküllerinin suyun tüm kısımlarına yavaşça yayılması örnek olarak verilebilir. Boya

karışımı bir kaşıkla karıştırıldığında boyanın su içindeki yayınım hızı artacaktır. Bu durumda

gerçekleşen difüzyon ise Eddy difüzyonudur [1].

Durgun bir ortamda kütle difüzyon hızı difüzyon yönündeki konsantrasyon gradyanı

ile doğru orantılıdır. Bu doğrusal ilişki Fick Yasası (Eşitlik 1) olarak bilinir.

dzdx

CDJ AABA (1)

Şekil 1.3. A bileşeninin durgun ortamda difüzyonu

121

Fick eşitliğindeki doğrusallık sabiti ABD difüzyon katsayısı olarak bilinir. Birimi m2/s

olup, kinematik viskozite (υ) ve ısıl yayınım katsayısı (α) ile aynıdır. Difüzyon katsayısı,

basınç, sıcaklık ve sistemin kompozisyonunun bir fonksiyonudur.

Sıvı içerisindeki moleküller gazlardan daha sıkışık durumdadır ve gaz molekülleri

kadar serbest hareket edemezler. Dolayısıyla sıvı içinde yayınım gaz içinde yayınımdan daha

yavaştır. Gazlar için difüzyon katsayısı, 5.10-6-10-5 m2/s, sıvılar için 10-10-10-9 m2/s ve katılar

için 10-14-10-10 m2/s aralıklarındadır.

Kararlı Hal Kütle Transferi:

Bir Bileşenin durgun olduğu durumda yayınım modeli

İkili sistemler (A-B karışımları) için mol kesri veya kütle kesri kullanılarak Fick yasası

aşağıdaki şekillerde yazılır:

Molar konsantrasyon temelinde;

Mol kesri (xA): CC

x AA AA xCC (2)

- Eğer “C” sabitse;

dzCxd

DJ AABA

)( (3)

dzdC

DJ AABA (4)

- A gaz bileşeninin ideal gaz yasasına uyduğu durumda,

nRTPV RTP

VnC (5)

RTP

C AA (6)

Soru: Moleküler difüzyon ve eddy difüzyonuna günlük hayattan neler örnek verilebilir?

Soru: Akı nedir? Matematiksel olarak nasıl ifade edilir?

122

VA

VDF V*

RTP

dzdDJ A

ABA (7)

dzdP

RTDJ A

ABA 1 (8)

Kütle konsantrasyonu;

Kütle Kesri (wA): A

Aw AA w (9)

dzdw

Dj AABA (10)

- Eğer “ρ” sabitse;

dzwd

Dj AABA

)( (11)

dzd

Dj AABA

)( (12)

Akışkanın yığın hareketi ya da konveksiyonel akış olduğu koşullarda, sabit bir noktaya

göre akışkanın molar ortalama hızı V* (m/s) olsun. Bu durumda A bileşeninin hızı difüzyonel

ve konveksiyonel hızlarının toplamına eşittir.

*VVV DFA

Bu durumda;

DFAA VCJ (13)

*AAA VVCJ (14) *

AAAA VCVCJ (15)

*AAAA VCJVC (16)

AAA NVC (17)

İkili sistem için: BBAA* VXVXV (18)

123

B

BA

AA

AABA V

CCV

CCC

dzdxCDN (19)

BBAAAA

ABA VCVCC

Cdz

dxCDN

(20)

BAAA

ABA NNxdz

dxCDN

(21)

i. Bu eşitlikte B bileşeni A bileşeninin içinde yayınmıyorsa NB=0 olarak alınabilir.

ii. A bileşeninin B içerisindeki çözünürlüğü çok düşükse, xA<<1.0, xA ihmal edilebilir.

iii. Eş molar zıt yayınım varsa NA=-NB olur.

Kararsız Hal Kütle Transferi:

Kütle transfer işleminin zamana bağlı olduğu durumda

0

tCA :

AAAA RC.VJtC

(22)

Konveksiyonla kütle iletimi yok ise: 0. ACV

Kimyasal tepkime yok ise: 0AR

AA J

tC

(23)

Kartezyen koordinatlarda:

zCD

zyCD

yxCD

xtC A

ABA

ABA

ABA (24)

İletim tek yönlü ise: 2

2

xCD

tC A

ABA

(26)

Silindirik koordinatlarda:

124

zCD

zCD

r1

rCrD

rr1

tC A

ABA

AB2A

ABA (27)

İletim tek yönlü (r yönünde) ise:

rCrD

rr1

tC A

ABA (28)

Küresel koordinatta:

A

AB2a

AB22A2

AB2A CDSin

Sinr1CD

Sinr1

rCrD

r1

tC

(29)

İletim tek yönlü (r yönünde) ise:

rCrD

rtC A

ABA 2

2

1 (30)


Deney I: Sıvı yüzeylerden gaz yayınımı

Materyal: Etil alkol

Metot: 10 mL lik bir mezüre etil alkol konur ve ilk yüksekliği kaydedilir. Mezür 70

ºC deki etüve yerleştirilerek 150 dakika boyunca her 30 dakikada bir alkol yüksekliği

kaydedilir (Ek-1 de Çizelge-1).

Deney II: Katı yüzeylerden gaz yayınımı

Materyal: Naftalin

Metot: Küre şeklindeki naftalinin çapı ölçülür ve 70 ºC deki etüve bir iple asılır. Bu

andan itibaren 150 dakika boyunca her 30 dakikada bir naftalinin çapı kaydedilir (Ek-1 de

Çizelge-2).

125

B Gazı

2zz

1zz zzAN

zzzAN

z = z3

A Sıvısı

Deney III: Sıvı içerisinde kararsız hal kütle transferi

Materyal: Kara Havuç

Metot: 1 cm kalınlığında ve 5-6 cm çapındaki bir havuç dilimi, 50 ºC de ve pH 2 olan

600 mL hacmindeki 0.1 M sitrik asit çözeltisine daldırılarak antosiyanin pigmentinin çözeltiye

geçmesi sağlanır. Her 30 dakikada bir çözeltiden örnek alınarak 525 nm de absorbans

okuması yapılır ve Ek-1 de verilen Çizelge-3 e kaydedilir. Antosiyanin derişimi pH

diferansiyel yöntemi ile siyanidin-3-glikoz cinsinden hesaplanır [4].

NOT: Havuçların başlangıç antosiyanin derişimini 2000 mg/kg , ε=29600 L/cm-mg,

MA=448.8 kg/kgmol olarak alınız.

3. SONUÇLAR VE ÖNERİLER


Deney süresince ve deneyden sonra elde edilen veriler Ek-1 de verilen ilgili tablolara

kaydedilecektir.

3.2. Matematiksel Model

Kararlı hal gaz yayınımı:

Silindirik koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım varsa:

1

2lnA

AABA PP

PPz

PRTDN (31)

Şekil 3.1. Silindirik koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım

126

2

1ln1 A

AABA PP

PPrP

RTDNPA1

r = r1

NA

PA2

r = r2

Δr

r = r3

Küresel koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım varsa:

(32)

Şekil 3.2. Küresel koordinatlarda bir bileşenin durgun olduğu durumda yayınım

Birim zamanda A bileşiğindeki azalış Eşitlik 33 de gösterildiği gibidir:

MAANdtdm

AA (33)

Şekil 3.1 deki sistemde sıvı yüksekliğinin z1 den z3 e düşmesi için gereken süre:

120

32f

20

2f

1A

2AABf

zzzzzz

zz

PPPP

ln

1D1

MAP2TR

t

(34)

Şekil 3.2 deki sistemde kürenin yarıçapının r1 den r3 e düşmesi için gereken süre:

2321

1A

2AABf rr

PPPP

ln

1D1

MAP2TR

t

(35)

1. Alkol ve naftalinin DAB değerlerini deneysel olarak hesaplayınız.

Soru: Silindirik ve küresel sistemler için toplam akıyı veren

Eşitlik 31 ve 32 yi türetiniz.

Soru: Eşitlik 34 ve 35 i türetiniz.

Soru: Zamanla aldığınız yükseklik ve çap verilerini kullanarak deneysel DAB değerleri nasıl hesaplanır?

127

Difüzyon katsayısının teorik olarak hesaplanması:

A-B gaz molekülü çiftinin difüzyon katsayısı Chapman ve Enskog Boltzman eşitliği

(Eşitlik 36) kullanılark hesaplanabilir.

2/1

BAAB,D2AB

2/37

AB MA1

MA1

PT108583.1D

(36)

2. Alkol ve naftalinin DAB değerlerini teorik olarak hesaplayınız.

3. Teorik ve deneysel DAB değerlerini birbirleri ile ve literatürdeki verilerle


4. Deney materyallerinin her biri için yarılanma süresini hesaplayınız.

Kararsız hal yayınım:

Sonsuz bir ortamda A bileşeninin herhangi bir x ve t deki konsantrasyonunu veren

formül:

xCx

xx1D

tC An

nABA (37)

Sonsuz plaka için n=1:

t)t,x(C

D1

x)t,x(C

AB

2

(38)

Sınır koşulları:

Başlangıç Sınır Koşulu: iC)0,x(C

Simetri Sınır Koşulu:

0x)t,0(C

Konveksiyon Sınır Koşulu:

Ct,xCk

x)t,x(CD

LxLX

AB

-L

+L

x=0

128

Eşitlik 38, sınır koşulları kullanılarak çözüldüğünde:

1n2AB2

nnnnn

n

i LtD

expLxCos

CosSinSin2

CCC)t,x(C

(39)

Çözüm bütün hacim üzerinden yapıldığından:

L

L

L

L 1n2AB2

nnnnn

n

L

L

L

L i

dxA

dxALtD

expLxCos

CosSinSin2

dxA

dxACCC)t,x(C

(40)

1n2AB2

nnnnn

n2

i LtD

expCosSin

Sin2CCC)t(C

(41)

tanDL.kBiAB

(42)

Karıştırmadan dolayı k ve Bi kabul edilerek λ hesaplanır.

5. Antosiyaninin su içindeki DAB sini hesaplayınız.

3.3. Tartışma

Bu çalışmada farklı geometrilerde kararlı hal ve kararsız hal kütle transferi için gerekli

yaklaşımlar verilmiş, deneysel ve teorik olarak difüzyon katsayılarının hesaplanma yöntemleri

anlatılmıştır. Deneysel ve teorik olarak hesaplanan difüzyon katsayılarını karşılaştırarak

yorumlayınız.

Soru: Biot (Bi) ve Fourier (Fo) sayılarının fiziksel anlamları nedir?

Soru: Bi olması için ?

Soru: Havuç dilimi sonsuz plaka olarak kabul edilerek Eşitlik 41 den difüzyon katsayısı nasıl hesaplanır?

129

4. Simgeler ve Kısaltmalar

A Alan (m2) Bi Biot sayısı C A ve B bileşenlerinin toplam derişimi (gmol A + B/m3) CA A bileşeninin derişimi (gmol A/m3) DAB A bileşeninin B bileşeni içindeki moleküler difüzyon katsayısı (m2/s) JA A bileşeninin molar akısı (kgmol/m2.s) jA A bileşeninin kütlesel akısı (kgmol/m2.s) k Kütle transfer katsayısı (m/s) mA A bileşeninin kütlesi (kg) MA Molekül ağırlığı (kg/kgmol) N Mol sayısı (kgmol) NA A bileşeninin toplam molar akısı (kgmol/m2.s) P A ve B bileşenlerinin toplam basıncı (Pa) PA A bileşeninin kısmi buhar basıncı (Pa) R Evrensel gaz sabiti (8314.3 Pa.m3/kgmol.K) R Yarı çap (m) T Zaman (s) T Sıcaklık (K) V Hacim (m3) wA A bileşeninin kütle kesri xA A bileşeninin mol kesri z Yükseklik (m) ε Molar absorptivite katsayısı (L/mg.cm) ρA Kütle derişimi (kg/m3) ΩD,AB Çarpışma integrali σAB Ortalama çarpışma çapı (A)

5. Kaynaklar

[1] Geankoplis, C.J., “Transport Process and Unit Operations”, Prentice-Hall International, Inc., New Jersey, 921 s., (1993).

[2] Ekinci, E., Okutan, H., “Kütle İletimi”, İstanbul Teknik Üniversitesi Matbaası, İstanbul, 108 s., (1987).

[3] Incropera, P.F., DeWitt, D.P., “Isı ve Kütle Geçişinin Temelleri”, Literatür Yayıncılık, İstanbul, 960 s., (2001).

[4] Guisti, M.M., Wrolstad, R.E., Current Protocols in Food Analytical Chemistry In

“Current Protocols in Food Chemistry”, John Wiley, New York, (2001).

130

EK-1. Deneysel veri kayıt tabloları

Çizelge 1. Alkol yüksekliği (z)

t (dk) z (cm)

0

30

60

90

120

150

Çizelge 2. Naftalin çapı (r)

t (dk) r (mm)

0

30

60

90

120

150

Çizelge 2. Antosiyanin absorbansı

t (dk) ABS

0

30

60

90

120

150

131

GIDALARIN DONDURULMASI

1. GİRİŞ

1.1. DONDURMA İŞLEMİNİN TEMEL İLKESİ

Dondurma, gıda maddelerinin yapısında bulunan suyun dondurulması ile bozulma

nedeni olan mikroorganizmaların yararlanamayacağı bir ortam yaratarak, zararları en az

düzeye indirmek amacıyla uygulanan bir soğuk saklama tekniğidir.

Dondurma işlemi ile mikroorganizma faaliyetlerinin yanında, gıdalarda bozulma

nedeni olan enzim aktivitelerine, kimyasal ve biyokimyasal olaylara da bir ölçüde engel

olunmakta ve bu tür olaylar yavaşlatılmaktadır (Bilişli, 1998).

1.2. DONDURMA İŞLEMİ

Sıvı bir maddeden enerji uzaklaşması sonucunda, maddenin sıvı fazdan katı faza

dönüşmesi olayına ‘donma’ denir. Enerjinin uzaklaştırılmasıyla sıvı fazdaki moleküllerin

serbest hareketleri gittikçe yavaşlar ve moleküller kendiliğinden kümeleşerek kendilerine

özgü düzenli bir yapıya dönüşme eğilimine girerler. Bu, faz değiştirmenin başlangıcıdır.

Suyun buz haline geçişinde kristallerin oluşumu ve kristallerin irileşmesi şeklinde iki aşama

bulunmaktadır. Oluşan kristallerin boyutları ortam sıcaklığına bağlıdır. Ortam sıcaklığı ne

kadar düşük olursa, oluşan kristalin boyutu da o kadar küçük olur. Kristallerin büyüme hızı da

ortamın sıcaklığı ile ortamdan ısının uzaklaştırılma hızına bağlıdır. Saf bir maddenin faz

değiştirmesi sadece kendine özgü bir sıcaklıkta gerçekleşebilmektedir. Su için bu sıcaklık

0C’dir (Cemeroğlu, Karadeniz ve Özkan, 2003).Gıdalar %60-90 oranında su içerirler.

Gıdalardaki su, çok sayıda çözünmüş madde içeren bir çözelti niteliğindedir. Bu nedenle

donma 0C’den daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşir. Su içinde çözünen madde derişimi

arttıkça donma noktası da düşer (Çizelge 1).

Çizelge 1. Bazı gıdaların su içerikleri ve donma noktaları (Cemeroğlu, Karadeniz ve Özkan, 2003). Gıda Grupları Su İçeriği (%) Donma Noktası (C) Sebze Meyve Et Balık Süt Yumurta

78-92 87-95 65-70 65-81

87 74

(-0,8)-(-2,8) (-0,9)-(-2,8) (-1,7)-(-2,2) (-0,6)-(-2,0)

-(-0,5) -(-0,5)

132

Donma işlemi 3 aşamada gerçekleşmektedir:

1. Ürünün sıcaklığının donma noktasına kadar düşürülmesi,

2. Ürünün donma noktasında buz kristalleri oluşturarak donması,

3. Donmuş ürünün sıcaklığının donmuş yapıda istenen depolama sıcaklığına kadar

düşürülmesi.

Gıda maddelerinde, sıcaklık azaldıkça donan su miktarının arttığı görülmüştür. Donma

noktası altında sıcaklığa bağlı olarak su aktivitesi değerleri de değişmektedir. Örneğin,

dondurma işlemi öncesinde 0C’de su aktivitesi değeri 1,00 olan bir gıda maddesinin –20

C’deki su aktivitesi değeri 0,823 düzeyine inmektedir. Bu durumda bakteri gelişiminin

engellendiği görülmüştür (Bilişli, 1998).

1.2.1. DONMA İŞLEMİ TEORİSİ

Gıda için tipik donma eğrisi şekil 1’deki gibidir.

Şekil 1. Gıdaların tipik donma grafiği

AB': Soğuma: Sıcaklık donma sıcaklığının altına düşer.

B': Aşırı soğuma (supercooling): su sıvı haldedir.

B'C: Buz kristalleri oluşmaya başlar, kristalizasyon gizli ısısı açığa çıkar, sıcaklık donma

sıcaklığına yükselir.

CD': Buzlanma: buzlanma nedeni ile donmamış halde bulunan su içindeki katı madde

konsantrasyonu devamlı olarak artar ve sonuç olarak donma noktasında sürekli düşme

gözlenir.

133

D': Gıda maddesinde donmamış halde bulunan su, içindeki katı madde bakımından aşırı

doymuş hale gelir ve katı madde kristallizasyonu olur. Kristalizasyon gizli ısısı açığa çıkar.

Katı madde kristalizasyonunun başladığı noktadır.

D'E: Gıda maddesinin sıcaklığı dondurucu sıcaklığına düşer.

1.3. DONDURMA YÖNTEMLERİ

Bir gıdanın dondurulması, gıdadaki ısı enerjisinin bir soğutucuya (soğutma ortamı)

aktarılarak uzaklaştırılması suretiyle sağlanır. Soğutucu, gaz, sıvı veya katı halde bulunabilir.

1.3.1. Soğuk Hava İle Dondurma

En yaygın olarak kullanılan dondurma yöntemidir. Durgun havada ve hava akımında

dondurma olmak üzere iki şekilde uygulanır.

1.3.1.1. Durgun havada dondurma

Bu yöntemde kullanılan hava durgundur. Böyle bir dondurucunun esası, iyice izole

edilmiş bir soğuk odadır. Soğutma evaporatörü, tavanda, duvarda veya odanın ortasında

yukardan aşağıya uzanan borular demeti şeklinde bulunabildiği gibi dikine raflar şeklinde de

olabilir. Durgun havada dondurma yönteminde soğuk odanın sıcaklığı (-20)C- (-30)C

arasında bulunur. Hareketsiz veya çok yavaş hareketli bir havaya üründen olan ısı transferi

çok düşük olduğundan, dondurulmak üzere depoya konan gıda maddesinin donması çok uzun

süre alır. Donma süresi dondurulan materyalin büyüklüğüne, ambalajın niteliğine, dondurulan

birimler arasındaki boşluğa bağlı olarak birkaç saatten bir haftaya kadar değişebilir.

1.3.1.2. Hava akımında dondurma

Bu tip dondurucuların temel ilkesi havanın, dondurulan gıda maddesi ile evaporatör

arasında hızlı hareket etmesidir. Isı transfer katsayısı hava hızına bağlı olarak arttığından, gıda

maddesinin hızla dondurulması sağlanır. Bu yöntemde hava sıcaklığı -20C, -30C arasında

değişir. Hava akımında dondurma yönteminde çok değişik tipte donduruculardan yararlanılır.

Bunlardan en yaygın kullanılanı tünel donduruculardır. Tünel dondurucularda, dondurulacak

ürün ya bir bantla taşınır veya üst üste yerleştirilmiş kerevetlerden oluşan araba dizilerinin

tünel içindeki hareketiyle taşınır.

134

Akışkan Yatak Dondurucu

Bantlı dondurucularda bandın altından verilen çok yüksek hızlı havanın, bant

üzerindeki parçacıkları adeta havada yüzer halde tutmasına dayanan bir sistemdir. Bu tip

dondurucularda hava içinde yükselen ve geri düşen, adeta kaynamaya benzer bir hareket

gösteren parçacıkların her biri, tüm yüzeylerinden soğuk hava ile temas ederek hızla donar.

Bu şekilde her parçacığın ayrı ayrı donmasına, bireysel hızlı (Individually Quick Freezing-

IQF) denir. Kiraz, vişne, çekirdeksiz üzüm gibi bütün haldeki meyveler ile küp şeklinde

kesilmiş havuç ve patateslerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Spiral Bantlı Dondurucu

Yalıtılmış bir kabin içinde yer alan ve toplam uzunluğu 100-300 m arasında değişen

bir bant, dondurulacak ürünü spiral bir yol izleyerek aşağıdan yukarı doğru taşırken, soğuk

hava yanlardan verilir. Bandın spiral şekilde oluşu, az yer işgal eden küçük bir sistemde,

büyük miktarda hammaddenin dondurulmasına izin vermektedir.

1.3.2. Dolaylı Temas Metoduyla Dondurma

Bu yöntemde, içten soğutulan iki plaka arasına yerleştirilmiş ambalajlı ürünler, plaka

ile temas sonucunda dondurulur. Dondurulan ürün ile soğumayı gerçekleştiren soğutucu

arasında plaka bulunduğundan bu yönteme “dolaylı temas metoduyla dondurma” denir.

En yaygın plakalı dondurucular, çoklu plakalı dondurucu şeklinde olanlardır. Bunlarda

iyi izole edilmiş bir kabin içinde, raf şeklinde bir çok plaka yer almaktadır. Paketlenmiş gıda

maddesi bu plakalar arasına düzenli bir şekilde yerleştirilir. Raf dizisi hidrolik bir düzenle

yavaş bir şekilde sıkıştırılır. Plakalar yüklendikten sonra kabin kapıları kapatılır ve soğutucu

istenen derecede çalıştırılır. Kabin şeklindeki plakalı dondurucular, kesikli çalışmakta ve

genellikle her 2 saatte bir boşaltılmaktadır.

Sürekli çalışan plakalı dondurucular da vardır. Örneğin bu sistemlerden birisinde, bir

seri çift ‘raf plaka’ bulunur. Bir raf çiftinin, dondurucunun dışında bulunduğu sırada, bantla

taşınan ambalajlı ürünler otomatik olarak buraya doldurulur. Bu istiflenmiş raf, dondurucuya

girip yukarı doğru hareket ederken, biraz önce boşaltılmış rafa yeni bir yerleştirme başlar. Her

raf dondurucuda bir devir yapınca donma tamamlanır ve donması tamamlanmış her raf sıra ile

boşaltılır.

135

1.3.3. Daldırarak Dondurma

Bu yöntemde dondurulacak ürün, ambalajlanmış veya ambalajlanmamış olarak, düşük

derecelere kadar soğutulmuş uygun bir sıvıya daldırılmakta veya bu sıvı ürün üzerine

püskürtülmektedir. Daldırarak dondurma işlemi için kullanılan sıvılar, düşük sıcaklıklarda

dahi donmamalıdır; gıda ile doğrudan temas eden sıvılar toksik etkili olmamalı, yabancı renk,

koku ve tat içermemeli, gıdanın rengini değiştirmemelidir.

Daldırarak dondurmada kullanılan donma noktası düşük sıvılardan en yaygınları,

salamura, şeker şurubu ve gliserol çözeltileridir. Bu sıvılarla donma noktası -20C,-30C’ye

düşürülebilir.

1.3.4. Kriyojenik Sıvılarla Dondurma

Kriyojenik dondurmada herhangi bir soğutma sistemine gerek bulunmamakta, soğuma

ve donma doğrudan bir kriyojen maddeden yararlanılarak sağlanmaktadır. Kriyojenik madde,

soğutulan materyalden ısı absorbe ederek (gizli ısı) faz değiştiren soğutucu maddedir.

Çok değişik kriyojenik maddeler bulunmaktadır, fakat günümüzde gıdaların

dondurulmasında sadece sıvı azot ve sıvı karbondioksit kullanılmaktadır. Karbondioksitin

kaynama noktası -57,6C; sıvı azotun kaynama noktası ise -196C’dir. Bir çok kriyojenik

maddenin kaynama noktası çok düşüktür. Çok düşük kaynama noktasına sahip kriyojen

maddeler ile dondurma işlemi sırasında ani ısı transferi sonucunda, gıdanın çatlaması,

parçalanması gibi mekanik zedelenmeler meydana gelir. Bu sebeple, kriyojen maddelerin

kaynama noktalarının -50C ve -60C arasında olması ve yüksek bir buharlaşma gizli ısısına

ihtiyaç duymaları istenir (Cemeroğlu, Karadeniz ve Özkan, 2003).

1.4. DONDURULMUŞ GIDALARIN ÖZELLİKLERİ

1.4.1. Yoğunluk

Su, donarken hacmi artmakta, yoğunluğu azalmaktadır. Buzun yoğunluğu suyun

yoğunluğundan daha düşüktür. Donmuş bir gıdanın yoğunluğu da donmamış gıdanın

yoğunluğuna göre daha düşük olacaktır. Dondurulan gıdanın yoğunluğunun donma süresince

sabit kaldığı varsayılmaktadır ancak gerçekte donma süresince değişmektedir (Şekil 2).

136

Şekil 2. Çileğin dondurulması sırasında yoğunluğunun sıcaklıkla değişmesi (Singh ve

Heldman, 2001)

1.4.2. Isıl İletkenlik

Buzun ısıl iletkenliği suyun ısıl iletkenliğine göre daha fazladır. Dondurulmuş gıdanın

ısıl iletkenliği de sıcaklığının azalmasıyla artmaktadır (Şekil 3).

Şekil 3. Donmuş yağsız biftekte, ısıl iletkenlik katsayılarının sıcaklıkla değişmesi

(Singh ve Heldman, 2001)

1.4.3. Entalpi

-40C ‘de entalpi 0 kj/kg’a yaklaşmaktadır. Sıcaklığın -40C’den 0C’ye yükselmesi

durumunda ise entalpi değeri artmaktadır (Şekil 4).

137

Şekil 4. Kirazın dondurulmasında, entalpisinin sıcaklığa göre değişmesi (Singh ve

Heldman, 2001)

1.4.4. Özgül Isı

Gıdaların nem içeriklerine göre özgül ısıları değişmektedir; nem içeriği azaldıkça

özgül ısı azalmaktadır. Sıcaklık -40C’ ye yaklaştıkça gıdaların özgül ısıları azalmaktadır.

Şekil 5. Kirazın dondurulması sırasında özgül ısı değerinin sıcaklıkla değişmesi (Singh

ve Heldman, 2001)

1.4.5. Isıl Yayınım Katsayısı

Isıl yayınım katsayısı, gıdanın ısıl iletkenlik, yoğunluk ve özgül ısı değerlerine göre

değişmektedir. Donma noktası altında yoğunluk ve özgül ısı değeri azalmakta, ısıl iletkenlik

138

değeri artmaktadır. Bu değerlere bağlı olarak, ısıl yayınım katsayısı artmaktadır (Singh ve

Heldman, 2001).

Şekil 6. Bazı gıdaların ısıl yayınım katsayılarının sıcaklıkla değişmesi (Singh ve

Heldman, 2001).

1.5. DONMA SÜRESİ

Isıl merkez (ürünün en geç soğuyan noktası) sıcaklığının, başlangıçtaki sıcaklıktan, bu

noktada kristallenme başlayıp, donma noktasının altında belirli bir sıcaklığa düşmesi için

gereken süre donma süredir. Donma süresini, gıdanın ısıl iletkenlik katsayısı, ısı transferinin

gerçekleştiği yüzey alanı, gıdanın kalınlığı, gıdanın ambalajı, gıdanın ve dondurucu ortamın

sıcaklık farkı ile yüzey filmi etkilemektedir. Dondurma işlemi sırasında oluşan, gıdanın

yüzeyinde hareketsiz duran ve ısı transferini güçleştiren tabakaya yüzey filmi denilmektedir.

Bu filmin kalınlığı arttıkça ısı transferi güçleşir. Akışkanın hızı arttıkça bu filmin kalınlığı

azalır ve ısı transferi artar.

1.6. DONMA SÜRESİNİN HESAPLANMASI

Donma süresinin hesaplanmasında, gerçeğe oldukça yakın sonuç veren en basit eşitlik

Planck tarafından önerilmiştir. Planck eşitliğinin doğruluğunu artırmak için birçok araştırmacı

bu eşitlikte iyileştirme yapmıştır. Bazı araştırmacılar da donma süresinin hesaplanması

amacıyla daha karmaşık yeni yöntemler ve farklı eşitlikler önermişlerdir. Bunların başlıcaları,

Cleland ve Early, Hung ve Thomson ve Pham tarafından önerilenlerdir.

139

Üründen ortama ısı Üründen ortama ısı

aktarımı, q aktarımı, q

Th

a

Şekil 7. Donma sırasında sıcaklık profili

Donmuş plakada iletimle ısı transferi, yalancı kararlı hal koşulları kabul edilebilecek

kadar yavaş olmaktadır. Şekil 7’de a kalınlığında bir plaka, her iki tarafından konveksiyonla

soğutulduğunda, t zaman sonra plakanın iki yüzeyinden x kalınlık donmaktadır. Ortam

sıcaklığı sabit T ve donma sıcaklığı TF ise maddenin merkezindeki donmamış bölge de TF

sıcaklığında olur. t zamanında maddeden uzaklaşan q ısısı, yalancı-kararlı hal koşulları kabul

edildiğinden ısıl taşınılma (konveksiyon) uzaklaşan ısıdır (Geankoplis, 1993, Sigh ve

Heldman 2001). Üründen ortama ısıl taşınım;

( )sq hA T T (1.1)

Burada A, yüzey alanıdır ve ısı donmuş bölgenin x kalınlığı boyunca kararlı koşullarda

iletimle iletilir. Ürünün donmuş bölgelerinde ısı iletimi;

( )F skAq T Tx

(1.2)

Eğer dt süresince maddenin dx kalınlığı donuyorsa; A yüzey alanına sahip maddenin donmuş

bölgesinin ağırlığı şöyle hesaplanabilir;

f f fm V Adx (1.3)

Kütle, gizli ısı ile çarpılıp dt zamanına bölünürse q aşağıdaki eşitlik gibi düzenlenebilir.

f ff f

Adx dxq Adt dt

(1.4)

Burada ρ, donmamış maddenin yoğunluğudur. Eşitlik (1.1) ve (1.2)’leri kullanılıp Ts değeri

elimine edilerek denklem yeniden düzenlenirse aşağıdaki eşitlik elde edilir.

( )/ 1/F

f

T T Aqx k h

(1.5)

Eşitlik (1.4) ve (1.5) eşitlenirse eşitlik (1.6); tekrar düzenlenip t=0 ve t=t ile x=0 ve x=a/2

aralıklarında integrali alınırsa eşitlik (1.7) elde edilir.

Donmuş

Bölge

k

x

Donmamış

Bölge

TF TF

Donmuş

Bölge

x

140

( )/ 1/F

f ff

T T A dxAx k h dt

(1.6)

/ 2

0 0

1( ) ( )t a

F f ff

xT T dt dxk h

(1.7)

İntegral çözüldüğünde, Plank’a göre sonsuz plakanın donma süresini veren eşitliğe ulaşılır. 2

( )2 8

f f

F f

a atT T h k

(1.8)

Eşitlik 1.8, diğer tüm şekiller için genelleştirildiğinde Plank eşitliğinin yaygın olarak

kullanılan formu elde edilir (Eşitlik 1.9). Sonsuz plakanın kalınlığı olan a, sonsuz silindir ve

küre için çaptır (Sigh ve Heldman 2001). 2

' 'f ff

F f

a at P RT T h k

(1.9)

f su sum x ( %sum örnek su miktarı ; 333.2 /su kJ kgK )

Çizelge 2. Gıdanın geometrik şekline göre P’, R’ ve E değerleri

Gıdanın Geometrik Şekli P' R' E Sonsuz plaka 1/2 1/8 1 Sonsuz silindir 1/4 1/16 2 Küre 1/6 1/24 3

Planck eşitliğinin kullanılabilmesi için gerekli koşullar ve varsayımlar:

1- Dondurulacak materyalin donma başlangıç sıcaklığına ulaştığı andan sonra geçen

süreyi kapsamaktadır. Materyalin dondurucuya girdiği andan, donma başlangıç

sıcaklığına kadar geçen süre hesaplama dışında kalmaktadır.

2- Dondurulan gıdanın yoğunluk ve ısıl iletkenlik katsayılarının donma süresince

sabit kaldığı,

3- Donma noktasının sabit kaldığı,

4- Gıdadaki suyun miktarına bağlı olarak donma gizli ısı da değişmektedir. Donma

gizli ısısının değişmediği kabul edilir.

141

Donma süresinin hesaplanmasında kullanılan diğer bir eşitlik Cleland eşitliğidir. Bu eşitlik

aşağıda verilmiştir:

2

12

2

1

1 BiTH

TH

hRt plaka (1.10)

Et

t plaka (1.11)

E şekil faktörüdür; sonsuz plaka, sonsuz silindir ve küre olmayan gıdalar için aşağıdaki

formülden hesaplanır.

Bi

Bi

Bi

BiE22

212

12

21

2

211

(1.12)

21 RA

(1.13)

3

1

2

34 R

V

(1.14)

f

hRBik

(1.15)

1 3u u iH C T T (1.16)

2 3f f f fH C T T (1.17)

TTT f 105,0263,08,13 (1.18)

31 2

iT TT T

(1.19)

TTT 32 (1.20)

[Ti: Patatesin başlangıç sıcaklığı (°C); T∞: Dondurucu ortam sıcaklığı (°C); Tf: Dondurulmuş

patatesin son sıcaklığı (°C)]

1.7. DONMA HIZI

142

Donma hızı (C/saat), gıdanın ilk sıcaklığı ve son sıcaklığı arasındaki farkın donma

süresine bölümüyle elde edilir (Singh ve Heldman, 1993).


2.1. MATERYAL

Deneyde dondurucu (durgun ve hava akımlı), silindir kalıp, ısıl çift, sonsuz silindir

şeklinde alüminyum cisim ve iki adet patates kullanılacaktır.

2.2. METOT


a) Donma Sürelerinin Belirlenmesi

Deney, durgun ve hareketli havada dondurma olmak üzere iki şekilde yapılacaktır.

Silindir kalıp ile patatese sonsuz silindir şekli verilir. Patatesin merkezine ve dondurucu

içerisine ısıl çift yerleştirilir. Patates dondurucuya konulur ve dondurma işlemi başlatılarak

patatesin merkez sıcaklığı ile dondurucu ortamın sıcaklığı belli zaman aralıklarında kaydedilir

(30 sn de bir veri alınması yeterli olmaktadır). Deneysel olarak donma süresi belirlenir.

b) Dondurma İşlemi İçin Isı Trasfer Katsayısı Değerinin (h:W/m2K) Belirlenmesi

Sonsuz silindir şeklindeki alüminyum cismin merkezine ve dondurucu içerisine ısıl çift

yerleştirilir. Daha sonra cisim dondurucuya yerleştirilir ve dondurma işlemi başlatılarak

cismin merkez sıcaklığı ile dondurucu ortamın sıcaklığı belli zaman aralıklarında kaydedilir

(30 sn de bir veri alınması yeterli olmaktadır). Deney durgun ve hareketli hava koşullarında

ayrı ayrı yapılır.


a) Donma Sürelerinin Belirlenmesi

Planck eşitliği ve Cleland eşitliği kullanılarak donma süresi hesaplanır.

b) Dondurma İşlemi İçin Isı Trasfer Katsayısı Değerinin (h:W/m2K) Belirlenmesi

143

Dondurma işlemi için ısı transfer katsayısı Lumped Sistem metodu kullanılarak

belirlenecektir. Sonsuz silindir şeklindeki alüminyum cismin ısıl iletim katsayısı (k) oldukça

yüksektir ve cismin merkezi ile yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı ihmal edilebilir düzeydedir.

Cisim içerisinde sıcaklık konuma bağlı olarak değişmezken sadece zamanın bir

fonksiyonudur.

Lumped sistemde alüminyum silindir soğurken cismin iç enerji değişimi yüzeyde

konveksiyonla olan ısı kaybına eşit olmaktadır (Eşitlik 1.21);

pdThA T T mcdt (1.21)

0

ln ln lni

t

p ip p i

d dTT Tdt dt

d hA d hA T ThA mc dt tdt mc mc T T

(1.22)

p

hA tmc

i

T TeT T

(1.23)

lni

T TT T

ye karşı (t) zaman grafiğe geçirildiğinde elde edilen eğrinin lineer kısmının

eğimi;-p

hAmc

değerini verir. Bu eşitlikten de ortamın ısı transfer katsayısı (h) değeri hesaplanır.

T: Cismin zamanla değişen sıcaklığı (°C);

Ti: Cismin başlangıç sıcaklığı (°C)

T∞: Dondurucu ortam sıcaklığı (°C);

h: Ortam ısı transfer katsayısı (W/m2K)

A: Cismin yanal yüzey alanı (m2)

m: Cismin kütlesi (kg)

cp: Cismin ısı kapasitesi değeri (J/kgK)

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA

144

3.1. DENEYSEL VERİLER

Patatesin nem içeriği = % k Al = W/mK k patates = W/mK ρ patates = kg/m3 λdonma gizli ısısı(su) = kj/kg D Al = m D patates = m (durgun hava deneyindeki) D patates = m (hareketli hava deneyindeki)

MAl = kg cp Al = J/kgK LAl = m İşlenmemiş veri tablosu;

Durgun hava deneyi için veriler Hareketli hava deneyi için veriler

t (dk) Tmerkez Al

(C)

Tortam (C) t (dk) Tmerkez Al

(C)

Tortam (C)

Durgun hava deneyi için veriler Hareketli hava deneyi için veriler

t (dk) Tmerkez patates Tortam (C) t (dk) Tmerkez patates Tortam (C)

145

(C) (C)

3.2. DENEY SONRASI YAPILACAK HESAPLAMALAR

146

1. Sonsuz silindir şeklindeki alüminyum cismi kullanılarak zamana karşı sıcaklık

değişimlerini kaydettiğiniz deneyde her iki durum için (durgun hava ve hareketli hava)

elde ettiğiniz deneysel verileri kullanarak her bir t anı için lni

T TT T

değerlerini

hesaplayınız ve zamana karşı grafiğe geçiriniz. Elde ettiğiniz eğrilerin lineer

kısımlarının eğimlerini kullanarak; her iki durum için ayrı ayrı ısı transfer katsayısı (h)

değerlerini hesaplayınız.

2. Patatesin durgun havada ve hareketli havada dondurulması işlemleri sırasında elde

ettiğiniz sıcaklık verilerini zamana karşı grafiğe geçirerek tek bir grafikte sıcaklık-

zaman eğrilerini gösteriniz.

3. Her iki durum için deneysel donma sürelerini belirtiniz.

4. Planck eşitliğini ve Cleland eşitliğini kullanarak teorik donma süresini hesaplayınız.

5. Her iki dondurma işlemi için donma hızlarını hesaplayınız.

3.3. TARTIŞMA VE ÖNERİLER

- Zamana karşı sıcaklık grafiğinden, örneğin donma sıcaklığını tanımlayınız.

- Her iki dondurma işlemi için de deneysel ve teorik donma sürelerini tanımlayarak bu süreler

arasındaki farklılığın sebebini açıklayınız.

- Durgun hava ve hareketli havadaki donma hızlarını karşılaştırarak donma hızını etkileyen

faktörleri açıklayınız.

- Durgun havada ve hareketli havada dondurma işlemlerinin avantaj ve dezavantajlarını

açıklayınız.

- Donma sürelerini göz önünde bulundurarak Planck eşitliği ve Cleland eşitliğini


SİMGELER VE KISALTMALAR

tf : Donma süresi, saniye

147

ρ : Dondurulan gıdanın yoğunluğu, kg/m3 λ : Donma gizli ısısı, kj/kg TF : Donma başlangıç sıcaklığı, C T∞ : Ortam sıcaklığı, C Ti : Gıdanın başlangıç sıcaklığı, K Tf : Gıdanın son sıcaklığı (merkez), K a : Dondurulan gıdanın kalınlığı, m (Küre veya silindir şeklindeki materyallerde

çap, plaka için kalınlık) h : Isı transfer katsayısı, W/m2K k : Donmuş gıdanın ısı iletim katsayısı, W/mK Cu : Donmamış gıdanın ısı kapasitesi, kj/kgK Cf : Donmuş gıdanın ısı kapasitesi, kj/kgK ΔH1 : Donmadan önceki soğuma sırasındaki volumetrik entalpi değişimi ΔH2 : Donma sırasındaki ve sonrasındaki volumetrik entalpi değişimi ΔT1 : Donmadan önceki soğuma sırasındaki sıcaklık farkı ΔT2 : Donma sırasındaki ve sonrasındaki sıcaklık farkı Bi : Biot sayısı P' : Dondurulan gıdanın geometrik şekline bağlı katsayı R' : Dondurulan gıdanın geometrik şekline bağlı katsayı A : Radyal yöndeki en küçük kesit alanı, m2 V : Toplam hacim, m3 R : Termal merkezden yüzeye olan en küçük uzaklık, m

4. KAYNAKLAR

Bilişli, A. “Gıdaların Dondurularak Muhafazası”, Tarımsal Araştırmaları Destekleme ve Geliştirme Vakfı, Yalova, (1998) Cemeroğlu, B. Özkan ve M. Karadeniz, F. “Meyve ve Sebze İşleme Teknolojisi”, Başkent Klişe Matbaacılık, Ankara, (2003) Geankoplis, C. “Transport Processes and Unit Operations”, Prentice-Hall International, Inc. USA, (1993) Singh, P.R. ve Heldman, D.R. “Introduction to Food Engineering” Academic Pres, INC. USA, (2001)

gida mÜhendİslİĞİ laboratuvari · raporların ilk sayfasına “gıda mühendisliği...

Documents