plastik-ambalaj.com

Ekstrüzyon koşullarının son ürüne etkisi üzerine bir uygulama

Özet

Bu çalışmada gıda endüstrisinde kullanılan çift vidalı ekstrüder ile mısır nişastasından cips üretilmiştir. Proses parametrelerinden vida dönme hızı, besleme hızı ve hammaddenin içerdiği su miktarının ürün özelliklerine etkisi ürüne verilen özgül mekanik enerji (ÖME) ile ilişkilendirilerek son ürünün su soğurma indisi, genleşme oranı ve gözenekliliği araştırılmıştır. Analiz sürecinde etken-yanıt fonksiyonu ilişkisi yüzey yanıt tasarım yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Cips hamurunun parçalanması mekanik enerji ile sağlanır. Verilen mekanik enerji arttıkça nişasta zincirleri kısalarak çözünmesi kolaylaşır. ÖME vida dönme hızı ile artarken besleme hızının artması ile azalır.  

Bu çalışma ekstrüzyon parametrelerini değiştirerek en uygun özellikleri taşıyan ürünün istatiksel bir yöntemle elde edilmesi açısından önem taşımaktadır.  

Anahtar kelimeler: Ekstrüzyon, özgül mekanik enerji, vida dönme hızı, besleme hızı, öğütülmüş mısır, yüzey yanıt tasarımı

Giriş

Malzemenin bir açıklıktan ittirilmesi ve istenilen şekil verilmesi işleminde kullanılan ekstrüder, polimer işleme sanayisinde en çok kullanılan makinedir. Polimer ekstrüzyonu ile boru, pencere profili, kablo kılıfı gibi birçok plastik ürün elde edilir. Ekstrüzyon işleminde genellikle; polivinil klorür, polietilen, polipropilen, polisitren polimerler kullanılır [1].

Polimer sanayisinde; kablo kaplama ekstrüder, levha ve film ekstrüder, çok kafalı ekstrüder gibi birçok modifiye tip bulunmaktadır. 

Ekstrüderler kullanım amaçlarına göre çeşitli modellerde üretilmektedirler. Ekstrüderler kesikli (pistonlu) ve sürekli (vidalı) olmak üzere iki ana tipten oluşur. Bu makineler üretilecek ürüne göre homojenleştirici üniteli, ısıtmalı, su ceketli ve vakumlu olabilir [2].  

Kullanılan vida tipine göre ise; tek vidalı ve çift vidalı ekstrüder tipleri bulunmaktadır. PVC boruların %90’ı çift vidalı ekstrüder ile üretilir. Daha çok karıştırmak, birleştirmek veya reaksiyon var ise kullanılmaktadır. Vida dönüş yönüne göre veya vidaların yerleşme düzenine göre farklı tip çift vidalı ekstrüderler mevcuttur [1]. 

Ekstrüzyon işlemi ile polimer alanı dışında; metal, kil, seramik ve gıda ürünleri gibi birçok malzeme üretilmektedir.

Bu çalışmada, gıda sanayisinde kullanılan yüksek basınçlı ve sıcaklıkta uygulanan, çift vidalı bir pişirme ekstrüderi ile atıştırmalık ürün üretilerek; ekstrüzyon koşullarının malzemeye etkisi araştırılmıştır. 

Pişirme ekstrüderinde; ısıl enerji, makinede bölge bölge bulunan kovanlara elektrik veya buhar verilerek elde edilir. Mekanik enerji ise vidaların hareketinin neden olduğu kayma kuvveti ile sağlanır. Enerjinin 2/3’ü mekanik enerjiden geri kalanı ise ısıl enerjiden elde edilir [3]. Gıda endüstrisinde tek vidalı ektstrüderler yerini süreç ve ürün özelliklerinin kontrolünün kolay olması nedeniyle çift vidalıya bırakmıştır [4].

Yağ içeriği sürtünmeyi azaltarak mekanik enerjinin ısı enerjisine dönüşünü engeller. Tek vidalı ekstrüderlerde %12-17 çift vidalı ekstrüderlerde ise %17 üstündeki yağ içerikliklerinde çalışılır [3,5].

Gıda endüstrisinde kullanılan ekstrüder tiplerinde besleme, yoğurma ve pişirme olarak üç ana bölge bulunmaktadır. 

Besleme bölgesi: Hammadde ve su ekstrüdere girer ve buradan yoğurma bölgesine sıkıştırılarak iletilir. Su maddenin akışkan özelliklerini iyileştirerek ısı aktarımını kolaylaştırır.

Yoğurma bölgesi: Vida aralıklarının sıklaştığı bu bölgede kayma kuvveti önemli derecede etkilidir; akışkanın sıcaklığını arttırır ve en yüksek sıkışma bu bölgede gerçekleşir. Ekstrüde olan madde granül yapısını kaybederek hamur haline gelir.

Pişirme bölgesi: Plastikleşmiş malzeme kafaya doğru itilir. Sıcaklık ve basınç hızlıca yükselir; kayma hızı vida yerleşiminden dolayı en yüksektir. Kafadan çıktıktan sonra basınç farkından dolayı ani bir genleşme ile ürün elde edilir [5].

Gıda ekstrüderinde sıklıkla kullanılan nişasta da amiloz ve amilopektin glükozdan oluşan bir polimerdir. Nişasta yaklaşık 2500 glükoz molekülü (C6H10O5)n içerir. Ekstrüzyon işlemi sırasında nişasta ısıl işlem ile kristal yapısını kaybeder ve erir; kayma gerilimi de polimer moleküllerin parçalanmasına neden olarak homojen bir faz elde edilir (Şekil 1) [6,7].

Elde edilen ürün özellikleri ekstrüder çalışma parametreleri ile değişir.  Bu etkiyi anlamak için malzemeye verilen mekanik enerji ile parametreler ilişkilendirilebilir. Birim zamanda, birim kütle başına verilen mekanik enerjiye (P) özgül mekanik enerji denir (ÖME) (Denklem 1). ÖME maddenin parçalanmasına, reolojik özelliklerin değişmesine neden olur. ÖME, vida dönme hızı (n) ve besleme hızı (m) gibi ekstrüzyon çalışma koşullarından ve su içeriğinden etkilenir [9].

Malzeme ve Yöntem

Ekstrudat (mısır cipsi) hazırlamak için %76 nişasta içeren doğal mısır unu hammadde olarak kullanılmıştır. Aynı yönde dönen çift vidalı; üretim hızı 80 kg/saat olan bir ekstrüder (Coperion Werner & Pfleiderer, Typ ZSK 26 Mc) kullanılmıştır. Deneme sayısını azaltabilmek ve istatiksel analizini yapabilmek için fraksiyonel faktöriyel tasarım ile deney planı elde edildi. Bu amaç ile Design Expert 7.0 (Stat-Ease)  yazılım programı kullanıldı [10].  Ön denemeler sonucunda çalışılacak parametre aralıkları; 

n (vida dönme hızı) = 320-1200 devir/dakika

(m) (besleme hızı) = 30-60 kg/saat

Sİ (su içeriği) = %20-30 olmak üzere toplamda 20 adet deney ile sonuca ulaşan istatiksel deney planı elde edilmiştir. 

Bu çalışmada ekstrüder çalışma koşullarından vida dönme hızı (n), besleme hızı (m) ve su içeriği (Sİ) etkisinin ürün özelliklerine etkisi ÖME ile ilişkilendirilerek incelenmiştir. Ürün özellikleri olarak; ürününün suda çözünürlük indisi (SÇİ), su soğurma indisi (SSİ), hacimsel genleşmesi (HG) ve gözenekliliği () incelenmiştir. 

Kuramsal

SÇİ ve SSİ belirlemek için; öğütülmüş ektrudat (m_katı) su içerisinde (ağırlıkça %10) çözülerek sonrasında süzüntü ve çökelek çöktürme işlemi ile ayrılır. Ayrılan süzüntü ve çökelek kütlesi (sırasıyla m_süzüntüve m_çökelek) belirlenerek SÇİ ve SSİ Denklem 2 ve 3’teki gibi hesaplanır.

Enine genleşme mikrometre ile ölçülen ekstrudat çapının (D_E) kafa çapına (D_D) oranının karesi olarak hesaplanır (Denklem 4).

BG değeri hamurun elastikliği ile değişip Denklem 5’te verildiği üzere hamur yoğunluğuna , (ρ_D) ekstrudat yoğunluğuna (ρ_E), hamurun su içeriğine (Sİ_D) ve ekstrudatın su içeriğine (Sİ_E) bağlı olarak hesaplanır.

Enine ve boyuna genleşme değerlerinin çarpımı, hacimsel genleşme (HG) olarak tanımlanır (Denklem 6).

HG=BG x EG Denklem 6

Ekstrudat gözenekliliği () ; gaz piknometrisi ile elde edilen katı yoğunluğu (ρ_D) ve ekstrudat hacmi (V_ekstrudat) kullanarak hesaplanır (Denklem 7).

Sonuçlar

Ekstrüzyon çalışma koşullarının ekstrudat özelliklerine (SÇİ, SSİ, gözeneklilik, genleşme) etkisi ÖME ile ilişkilendirilerek incelenmiştir. Ekstrudat özelliklerinin vida dönme hızı, besleme hızı ve su içeriği arasındaki ilişkiler aşağıdaki model denklikler ile belirtilmiştir;

Şekil 3’te verilen grafik ve korelasyonda görüldüğü üzere ÖME; vida dönme hızı ile doğru, besleme hızı ile ters orantılıdır. Vida dönme hızı 400 devir/dakika üstüne çıkınca malzemeye verilen enerji arttığı için ÖME de hızlıca artmaktadır. Besleme hızı arttıkça; birim kütleye dağılan enerji miktarı azalacağı için ÖME de azalır. 

Nişastanın su içeriği plastikleştirici gibi davranarak enerji dağılımının azalmasına neden olur.  Elde edilen korelasyon ÖME’nin en çok su içeriği ile değiştiğini gösterir.

Akışkana verilen enerji miktarı maddenin özelliklerinin değişmesine neden olarak ürün kalitesini etkiler. Cipsin nem tutma, suda çözünürlük, gözeneklilik gibi özellikleri ürün kalitesi açısından önemlidir. 

Vida dönme hızının artması ve besleme hızının azalması; birim kütleye verilen enerjiyi arttırarak, kolay şişebilen ve kolay çözünebilen moleküllerin elde edilmesini sağlar.

SÇİ ve SSİ değerleri, moleküllerin parçalanmasının ve nişasta dönüşümünün bir göstergesidir. Vida dönme hızının artması ile ÖME artarak, akışkanın parçalanmasına neden olur ve ekstrudatın suda çözünmesi (SÇİ) artar (Şekil 4). Besleme hızının ve nişastanın su içeriğinin artması ile birim kütleye iletilen enerji miktarı azalır ve daha büyük moleküllü ekstrudat elde edildiği için suda çözünme özelliği azalır.  

Ekstrudatın SSİ özelliği, maddenin nem miktarına ve molekül büyüklüğüne bağlı olarak değişir. Vida dönme hızı artınca daha küçük moleküllü ekstrudat elde edileceği için SSİ değeri de düşmektedir. 

Ekstrudatın hacimsel genleşmesi süreç parametreleri ile ilişkilendirildiğinde ikinci dereceden bir denklem elde edilir. Su içeriği artınca eriyik elastisitesi azalacağı için genleşme de azalmaktadır. Hacimsel genleşme akışkanın vizkozitesinden etkilenir ve besleme hızı ile ters, vida dönme hızı ile doğru orantılı olarak değişir (Şekil 5a). 

Ekstrudatın gözeneklilik yapısı, eriyik haldeyken içinde bulundurduğu hava kabarcıklarının kaçamaması sonucunda elde edilir ve akışkanın yoğunluğuna bağlıdır. Basınç farkı ile suyun ani buharlaşması sonucunda daha gözenekli bir yapı elde edilir. Nişastanın su içeriği artınca eriyik elastisitesi azalarak akışkanın yoğunluğu artar bu da gözenekliliğin azalmasına neden olur. Vida dönme hızının ve besleme hızının gözenekliliğe etkisi yok sayılacak kadar azdır (Şekil 5b). 

Sonsöz

Bu çalışmada çift vidalı gıda ekstrüderi kullanılarak, mısır cipsi üretilmiştir. Ekstrüzyon koşullarının ekstrudat özelliklerine etkisi incelenmiştir. Uygun bir deney planı ile uygulanacak deney sayısı azaltılmıştır. Bu çalışma istenilen özelliklerde ürün elde etmek için uygulanacak istatiksel yol önermesinden dolayı önem taşımaktadır. 

Vida dönme hızı artınca sisteme verilen enerji miktarının artması ile ekstrudatın suda çözünme özelliği artmıştır. Vida dönme hızının ekstrudat gözenekliliğine ve genleşmesine etkisi ihmal edilebilecek düzeydedir. 

Besleme hızı artınca birim kütleye düşen enerji miktarı azalır ekstrudatın çözünme özelliği de azalır. Ekstrudat genleşmesi ve gözenekliliği en çok nişastanın su içeriğinden etkilenmektedir. 

Bilgilendirme: Yazar, bu çalışmada kendisini yönlendiren Karlsruhe Üniversitesi Gıda Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Prof. Dr. H.P. Schuchmann’a en içten teşekkürlerini sunar. Ayrıca, bu çalışma, 15-16 Ekim 2015 tarihleri arasında Yıldız Teknik Üniversitesi tarafından İstanbul’da düzenlenen 1. Ulusal Plastik Teknolojileri Sempozyumunda (UPTS) sözlü olarak sunulmuştur.

Kaynaklar

1.  Fatahi, S. , Extrussion Processinghttp://www.aiquruguay.org/congreso/download/P5.pdf Ulaşım tarihi: 01.09.2015

2.Yıldırım Z.ve Ercan, R. ,1996, Gıda Endüstrisinde Ekstruzyonla Pişirme Tekniği, Gıda Teknoloji, 21(1) 9-16

3. Schuchmann , H. P., 2008, Extrusion zur Gestaltung vonLebensmittelstrukturen,  Chemie Ingenieur Technik, 80(8): 1097–1106

4. Hirth, M., Leiter, A. Beck, S., Schuchmann , H. P. , 2014, Effect of extrusion cooking process parameters on the retention of bilberry anthocyanins in starch based food, Journal of Food Engineering, 125(1):139–146.

5 M.N. Riaz, 2000, Extruders in Food Applications, ISBN 978-1-56990-516-6 ,Hanser, Cincinnatti 

6 Schuchmann, H.P., Leeb, C. V., 2007, “Product Design and Engineering – Best Practises”, Wiley VCH, Weinheim, Volume 2: Raw Materials, Additives and Applications, Chapter 5, 395-419

7. Qing-Bo Ding, Ainsworth, P. Tucker, G., Marson. H., The effect of extrusion conditions on the physicochemical properties and sensory characteristics of rice based expanded snacks. Journal of Food Engineering 66:283, 2005.

8. Barron, C. Della G., Valle, Colonna, P. ve Vergnes,B. 2002, Energy Balance of Low Hydrated Starches Transition Under Shear., Journal of Food Science, 67(4) 1426-1437

9. Moraru,C.I, ve Kokini, J.L, 2003, Nucleation and Expansion During Extrusion and Microwave Heating of Cereal Foods, Comprehensive Reviews  Food Science and Food Safety, 2 (4) 147-165

10. John, P.W.M., 1971Statistical Design and Analysis of Experiments, SIAM Classics in Applied Mathematics, Philadelphia

Göksenin KURT ÇÖMLEKÇİ

Ege Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü