Elektromanyetik dalgalar salınım halinde birbirine ve yayılma yönüne dik elektrik ve manyetik alandan oluşmaktadır. Elektromanyetik radyasyon, dalga boyu 10-16 m’den daha az kozmik ışınlarla 10 km’den daha büyük elektriksel güç dalgalarını da içerisine alan çok geniş bir aralığı kapsamaktadır. Elektromanyetik spektrumda ayrıca gama ışınları, X-ışınları, mor ötesi ışınları, görünür ışık, kızıl ötesi ışınları, mikrodalgalar ve radyo dalgaları yer alır [1].
Elektromanyetik radyasyonla ısıtma Mor ötesi, görünür ışık ve kızıl ötesi ışınlarını içerisine alan termal radyasyon bölgesinde veya mikrodalga ve radyo dalgalarını içerisine alan dielektrik ısıtma bölgesinde yapılabilir (Sekil 1).
Mikrodalga, 300 MHz ile 300 GHz aralığında frekansa sahip, nükleer veya iyonize olmayan bir ışın şekli olup, TV ve FM radyo dalgaları gibi elektro manyetik dalgalar şeklinde yayılan bir enerjidir.[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
Şekil-1: Elektromanyetik Spektrum [1]
Dielektrik Isıtma
Mikrodalgalar veya yüksek frekanslı radyo dalgaları kullanılarak yapılan ısıtma işlemine dielektrik ısıtma denmektedir. Elektromanyetik spektrumda frekansları 100 Hz ile 300 MHz arasında değişen dalgalara radyo dalgaları, frekansları 300 MHz ile 300 GHz arasında değişen dalgalara da mikro dalgalar denilmektedir[1].
Mikrodalgalar ve radyo dalgaları frekansa ve materyalin dielektrik özelliklerine bağlı olarak yansıtılabilir, absorbe edilebilir veya materyal tarafından absorbe edilmeden geçirilebilir. Biyolojik materyaller elektromanyetik dalganın elektrik alan enerjisini absorbe ederken manyetik alan enerjisini absorbe edemezler. Cam ve ısıya dayanaklı plastik maddeler gibi ambalaj materyalleri genelde dielektrik ısıtma frekanslarındaki elektromanyetik dalgaları çok az veya hiç absorbe etmeden geçirirler[1].
Termal Radyasyon
Termal radyasyon sıcaklığı 0°K üzerinde olan bütün maddeler tarafından yayılmaktadır. Termal radyasyon bir maddedeki molekül, atom veya elektronların titreşimsel ve döngüsel hareketleri sonucunda oluşmaktadır. Maddenin sıcaklığındaki artışla birlikte yaydığı termal radyasyon oranı da artmaktadır [1].
Termal radyasyonla dielektrik ısıtma arasındaki temel fark termal radyasyon bölgesindeki elektromanyetik dalgaların dalga boyu materyal içerisine nüfus edemeyecek kadar küçüktür. Bu nedenle termal radyasyon ile ancak gıda yüzeyi ısıtılabilir. Isının iç bölgelere iletilmesi gıdanın termal iletkenliğine bağlıdır. Ancak dielektrik ısıtma bölgesindeki mikrodalgalar ve radyo dalgaları gıda içerisine, frekansına bağlı olarak belli bir miktar nüfuz etmekte ve elektromanyetik enerji gıda içerisinde ısı enerjisine dönüşmektedir. Yine termal radyasyon ile transfer edilebilecek ısı miktarı cisimler arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Dielektrik ısıtmada ise cisimler arasındaki sıcaklık önemli değildir [1].
Mikrodalga Dalganın Üretilmesi
Geleneksel ısıtma metotlarında ısı, gıda maddesine kondüksiyon ve konveksiyon ile transfer olur. Tersine mikrodalga ısıtmada enerji direkt olarak gıda maddesinin içine girer. Mikrodalga ısıtmada malzeme içindeki moleküllerin titreşmesi sonucu meydana gelen ısı sonucu geleneksel ısıtmaya göre daha hızlı bir ısı artışı gözlenmektedir. Mikrodalga fırının ısıtma etkisi aynı süre içinde elektrikli ısıtıcıya göre daha fazladır[2].
Mikrodalgalar magnetron veya klystron gibi özel elektron tüplerinde elektrik enerjisi belli bir dalga boyundaki elektromanyetik radyasyona dönüştürülerek elde edilmektedir. Mikrodalgaları üreten sistemlerde elektromanyetik enerjiye dönüşen elektrik enerjisi gıdalar tarafından emilerek iç enerjiye dönüşmektedir [1].
Mikrodalgalar elektronik devrelerde elektronların hızlandırılmaları ile elde edilir. Yüksek güçteki mikrodalgalar vakum tüpleri ile üretilmektedir. Elektronik devrelerde, elektrik enerjisinin elektromanyetik yayılmaya dönüşüm veriminin yüksek olması ve bu devrelerin kolay kontrol edilebilmesi nedeniyle, mikrodalga ısıtma uygulamalarında magnetron veya klystron sürekli mikrodalga üreticisi olarak kullanılırlar[2].
Mikrodalgalar temas ettikleri madde ile etkileşime girerler. Örneğin, absorbe edilir, yansıtılır veya hiçbir değişikliğe uğramadan yollarına devam ederler. Mikrodalgalar gıda maddeleri tarafından absorbe edildiği zaman mikrodalga ışının pozitif ve negatif merkezlerinin yön değiştirmelerine paralel olarak, üründe bulunan polar moleküller yön değiştirirler. Saniyede milyonlarca kez oluşan bu hareket sonucu moleküler sürtünme ısısı açığa çıkar ve madde ısınır. Yani mikrodalga enerjinin ısı enerjisine dönüşümü bu dalgaların bazı mikroskobik emme sistemleri tarafından emilmesi ve daha sonra emici madde moleküllerinin ısı titreşimlerine değişimi şeklindedir[2].
Mikrodalga ve Radyo Dalgalarının Isıtma Mekanizmaları
Radyo ve mikrodalga frekanslarındaki elektromanyetik dalganın etkisi elektromanyetik dalganın elektrik alanı bileşeni ile gıdaların kimyasal bileşenlerinin etkileşimi sonucu ortaya çıkmaktadır[1].
Dipol Dönmesi
Gıdalar basta su olmak üzere çeşitli polar moleküller içermektedir. Bu moleküller gıda içerisinde gelişigüzel bir şekilde bulunurlar. Elektrik alanı uygulandığında gıda içerisindeki elektriksel olarak asimetrik ve polar moleküller frekansa bağlı olarak polaritesi hızla değişen elektrik alanı nedeniyle dönme eğilimi (dipol dönmesi) göstermektedir. Örneğin 2450 MHz de çalışan ev tipi mikrodalga fırınlar da elektrik alanın yönü saniyede 2.45 milyar kez değişmektedir. Hızla değişen elektrik alanının polaritesine uyum sağlamak için dönen polar moleküllerin, birbirleri ile ve ortamdaki diğer moleküllerle sürtünmelerinden dolayı ısı açığa çıkmaktadır [1].
Şekil-2: Malzemenin mikrodalga ile etkileşimi [5]
Pozitif yükler kısmi olarak hidrojen atomları ve negatif yükler de kısmi olarak oksijen atomu üzerinde toplandığı için su molekülü polar bir moleküldür. Su bu özelliği sayesinde elektriksel enerjiyi pek çok molekülden daha iyi absorbe edebilmektedir[1].
İyonik Polarizasyon
Ayrıca gıda içerisinde ki çözülmüş tuzların iyonik bileşenleri, üzerlerindeki elektriksel yük nedeniyle uygulanan elektrik alanının polaritesine zıt istikamette hızlanarak hareket etmeye başlamaktadır. İyonların birbirleriyle çarpışması hareket eden iyonların kinetik enerjilerinin termal enerjiye dönüşmesine neden olmaktadır [1].
Kaynaklar:
1) Uslu, M.K., Certel, M., 2006. Dielektrik Isıtma ve Gıda İşlemede Kullanımı. Gıda Teknolojileri Elektronik Dergisi 3: 61-69.
2) Anonim, 2007. Mikrodalga Ve Gıda Sanayiinde Kullanımı. http://www.odew.net/3-11251-mikrodalga%20ve%20g%C4%B1da%20sanayiinde%20kullan%C4%B1m%C4%B1.htm (04.2007).
3) Yıldız, K., Alp, A., 2007. Metalurjik Proseslerde Mikrodalga Kulllanımı. Metalurji Sayı:125 Cilt:4 http://www.metalurji.org.tr/dergi/dergi125/d125_2429.html (02.2007).
4) Oktay, A., 2005. RF ve Mikrodalga Enerjisinin Endüstriyel Uygulamaları. 1. RF ve Mikrodalga Ölçümleri Ulusal Çalıştayı. http://www.ume.tubitak.gov.tr/meeting/emd/sunular/UludagUni_RFveMikrodalgaEnerjisi_AOktay.pdf (04.2007).
5) Kutbay, I., Kuşkonmaz, N., 2007. Mikrodalga Isıtmanın Seramik Üretiminde Kullanımı. Metalurji Sayı: 137 http://www.metalurji.org.tr/dergi/dergi137/d137_5256.pdf (04.2007).
6) Göksoy, E.Ö., Kurt, E., 2001. Gıdaların Isıtılmasında Mikrodalga Fırın Kullanımı. İstanbul Üniversitesi Veteriner Fakültesi Dergisi 27: 301-307. http://veteriner.istanbul.edu.tr/vetfakdergi/yayinlar/2001-1/Makale-30.pdf (04.2007).
7) Metaxas, A.C., Meredith, R.J., 1988. Industrial Microwave Heating. Power Engineering Series 4. Short Run Press Ltd., Exeter.
