Ohmik ısıtma literatürde Joule ısıtma, elektriksel direnç ısıtma, direkt direnç ısıtma, elektro-ısıtma, elektro-iletim ısıtma gibi adlarla da anılmaktadır. Ohmik ısıtma adını Ohm Kanunundan almaktadır.
Gıdalara uygulanan ısıtma işlemlerinin genel amaçları; gıdaların mikrobiyoloijk, kimyasal ve fiziksel zararlardan korunmasını duyusal ve besinsel kalitesinde en az değişiklikle sağlamaktır. Uygulanan ısıl işlem genellikle mikrobiyolojik ve biyokimyasal aktiviteyi azaltmak ya da yok etmek amacını taşır. Pastörizasyon ve sterilizasyon işlemlerinin yanı sıra gıdaların işlenmesinde diğer basamaklarda da ısıl işlem farklı amaçlarla kullanılabilmektedir; karıştırma, ekstraksiyon, kurutma, pişirme, çözündürme, vb.
Son yıllarda gıdalara minimum işlem uygulamasının ön plana çıkmasıyla farklı teknolojilerin kullanımına yönelme olmuştur. Özellikle elektro-ısı teknolojileri günümüzde gıdalara uygulanan ısıl işlemler arasında önemli yer tutmaya başlamıştır. Bu teknolojiler arasında üzerinde en çok çalışma yapılan ve ticari uygulamalara geçilenler mikrodalga, Ohmik ve radyo-frekans (RF) ısıtmadır (Manvell, 1996). Bu üç teknoloji de gıda içerisinde hacimsel ısıtma sağlayan sistemlerdir. Mikrodalga uygulamalarına et, balık ve meyve ürünlerinin çözündürülmesi ve pişirilmesi, tahıl bazlı ürünlerin ve bisküvilerin pişirilmesi; RF uygulamalarına ise piliç, domuz ve et dilimlerinin pastörizasyonu ve pişirilmesi örnek verilebilir. Ohmik ısıtma sistemlerinde ise % 50-70?in altındaki katı konsantrasyonuna sahip pompalanabilir gıda karışımları işlenebilir (Tempest, 1996). RF uygulamaları yeni olmasına rağmen, mikrodalga ve Ohmik, uzun yıllardır üzerinde durulan ve endüstriyel uygulamaları olan elektriksel bazlı ısıtma sistemleridir. Ohmik sistemlerin diğer elektro-ısı sistemlerinden farkı gıda ile temas eden elektrot sistemidir (Sastry and Barach, 2000)
. Ohmik ısıtma üzerindeki çalışmalara son 10 yıldır ağırlık verilmiş ve endüstriyel uygulamalarına ilk olarak APV?nin geliştirmiş olduğu ticari sistemle beraber 1989 yılında geçilmiştir (Fryer, 1995). Ohmik ısıtma sistemleri pompalanabilir gıda hatlarında aseptik işleme sistemlerine adapte edilebilir. Ön ısıtma ve pastörizasyon hatlarında kullanılabilir. Tüketime hazır gıdaların ısıtılması ve pişirilmesinde güvenilir bir yöntem olarak kullanılabilir. Ohmik ısıtmanın haşlama, buharlaştırma, kurutma, fermentasyon ve ekstraksiyon işlemlerinde de homojen ısıtma sağlayacak potansiyel bir uygulama olabileceği belirtilmektedir (Sastry and Barach, 2000; Butz and Tauscher, 2001).
Gıda Mühendisliğinde Ohmik İşleme:
Ohmik pastörizasyon veya sterilizasyon
Ön işlem olarak ohmik uygulama
Ohmik ısıtma literatürde Joule ısıtma, elektriksel direnç ısıtma, direkt direnç ısıtma, elektro-ısıtma, elektro-iletim ısıtma gibi adlarla da anılmaktadır. Ohmik ısıtma, APV?in geliştirmiş olduğu patentli sisteme vermiş olduğu isimdir. Ancak birçok çalışmada Ohmik ısıtma terimi tercih edilmektedir. Ohmik ısıtma adını Ohm Kanunundan almaktadır. Akım, voltaj ve direnç arasındaki ilişki Ohm Kanunu olarak bilinmektedir (Denklem 2.1). Ohm kanununa göre; akım ve direnç her bir rezistansa karşı I.R düşüşü oluşturur ve dirence bağlı olarak bu değerler değişebilir.
Ohmik ısıtma, gıda maddesi ile temas halinde olan elektrotlardan alternatif akım geçirilmesi ve iletkenlik özelliğine sahip olan gıda maddesinin direnç olarak kullanılması prensibine dayanır (Şekil 2.1).
Şekil 2.1 Ohmik ısıtmada gıda maddesi direnç olarak kullanılır (Tempest, 1996).
Gıda maddesinin elektrik akımına karşı göstermiş olduğu direnç, gıda içerisinde ısı jenerasyonuna yol açar. Başka bir deyişle elektriksel enerji ısı enerjisine dönüşür (Sastry, 1989). Oluşan homojen ısı jenerasyonu özellikle sıvı gıdalarda homojen ısı dağılımı ve dolayısıyla homojen sıcaklık dağılımına sebep olur. Gıda maddesinden geçen akıma bağlı olarak oldukça hızlı bir ısıtma gerçekleşir. Pratikte frekans değiştiricisine gerek kalmadan, düşük frekanstaki alternatif akım (50 veya 60 Hz) uygulaması ile ısıtma gerçekleştirilebilir. Bu nedenle güç kaynağı sağlayıcısı basittir ve maliyeti düşüktür. Ayrıca çalışılan bu frekans aralığı, gıdalar içindeki elektrokimyasal reaksiyonların oluşumun en az olduğu bölgedir (Tempest, 1995). Ticari sistemlerde kullanılan elektrotlar geliştirilmiş ve elektroliz oluşumu nedeniyle olabilecek metal geçişi de engellenmiştir (Reznick, 1996). Ohmik ısıtma işleminde mikrodalga işlemindeki ısı penetrasyonu sorunu yoktur. Gıda içerisinde yüksek sıcaklık gradyanı oluşmaz. Ancak bazı donmuş katı gıdalarda, uygulanan elektrot alanı ve örnek boyutlarına bağlı olarak sıcaklık gradyanı oluşabildiği belirtilmiş ve sıcaklık kontrol sistemleri geliştirilmiştir (Roberts et al, 1998). Ohmik ısıtmayı diğer ısıtma yöntemlerinden ayıran ve tercih edilmesine neden olan pek çok özelliği vardır.
Ohmik ısıtmada gıda maddesinden geçen elektrik akımı ani olarak ısı oluşumuna sebep olur. Isıtma hacimsel olarak gerçekleşir; ürün içerisinde sıcaklık dağılımı homojendir. 1 s?den daha az bir süre içinde bile 55°C?lik sıcaklık farkı oluşturulabilir (Reznick, 1996). Bir karışımda bulunan sıvı ve katı, elektriksel iletkenliklerinin aynı olması durumunda, aynı sıcaklığa aynı süre içinde ısıtılabilir. Bunun sonucunda Ohmik ısıtma gıdalarda oluşabilecek ısı zararı ve besin kayıplarını da önemli ölçüde azaltabilir. İstenilen doku özelliklerine sahip, parçacık bütünlüğünü koruyan, minimum aroma kaybına sahip güvenilir ürünler işlenmesini sağlar (Tempest, 1996). Ohmik ısıtma sistemleri aseptik ürün hatlarına adapte edilebilir. Bu nedenle mikrobiyolojik güvenlik açısından daha üstün özelliklere sahip, soğuk zincir donanımı olmaksızın taşınabilen ve daha düşük bozulma riski ile uzun süre rafta kalabilen ürünlerin elde edilebilmesi mümkün olabilmektedir. Bu özellikler gıda üreticisi, nakliye ve satıcısı ile tüketici açısından oldukça önem taşımaktadır (Biss et al., 1989). Geleneksel sterilizasyon yöntemiyle elde edilmiş uzun ömürlü sütlerde bazı tüketiciler tarafından istenmeyen aroma oluşumu gözlenmektedir. Ohmik ısıtma uygulanan sütlerde, HTST ve UHT işlemleri sonucunda oluşan oksidatif ürünlere rastlanmadığı ve taze sütle aynı tat ve kokuya sahip ürün elde edilebildiği bildirilmiştir (Reznick, 1998; Anonymous, 2000).
Oldukça yüksek sıcaklıklara daha düşük zaman içinde çıkılabilmesi, Ohmik ısıtmanın farklı alanlarda uygulanmasını sağlamaktadır. Ohmik ısıtma bir çok gıda maddesine uygulanabilirliği olan bir ısıtma yöntemidir. Gıda üreticilerine farklı ürün geliştirme ve çok değişik özelliklerde paketleme malzemesi kullanabilme şansı vermektedir (Skudder, 1989; Zoltai and Swearingen, 1996). Katı-sıvı karışımı olan gıda maddelerinde, geleneksel ısıtma yöntemlerinin tersine, Ohmik ısıtma ile elektriksel iletkenlik değerlerine bağlı olarak katıların sıvılardan daha çabuk ısınması mümkün olabilmektedir. Elektriksel iletkenlik değerine bağlı olarak yüksek katı içeriklerinde bile aseptik işlenmesine olanak sağlar (Kim et al., 1996a). Ürün içerisinden homojen geçen akım, homojen ısıtmaya sebep olur. Herhangi bir ısıtma yüzeyi olmadığı için, ısı değiştiricilerdeki birikim ya da yanık tabaka oluşumu sorunu yoktur. Normal koagülasyon sıcaklığının üstüne çok kısa sürede çıkılabilir. Ardından ani soğutma uygulanırsa koagülasyon gerçekleşmeden yüksek sıcaklıklara ısıtma işlemi uygulanabilir. Yanık tabaka, birikim ve koagülasyonun oluşmaması sebebiyle temizlik ve bakım masraflarında azalma gözlenmektedir. Ayrıca bakım işlerindeki azalma günlük çalışma süresi açısından da yarar sağlar. Sistem günde 24 saat, haftada 7 gün aralıksız çalışabilir (Tempest, 1995; Reznick, 1996). Elektriksel akımın mikroorganizmaların üreme mekanizmaları üzerine zarar verdiği belirlenmiştir. Kan plazmasından elde edilen protein bazlı ürünlerdeki çoğu zararlı bakteri ve virüsün Ohmik ısıtma işlemi ile yok edilmesinin mümkün olduğu belirtilmiştir (Palaniappan and Sastry, 1990). Ohmik ısıtma sıvı yumurtanın koagülasyon gerçekleşmeden pastörizasyonu için kullanılabilen bir ısıtma işlemidir (Reznick, 1998).
Karıştırma işlemine gerek kalmadan ısıtma işlemi gerçekleştirilmektedir. Sistemin hareketli parçaları yoktur. Özellikle mekanik zararlara hassas olan gıda karışımları için oldukça uygundur. 50 ya da 60 Hz alternatif akım ile çalışıldığında kompleks güç kaynağı sistemine gerek kalmaz. Genel olarak sistemin yatırım ve işletme maliyeti diğer ısı transfer ekipmanlarına oranla düşüktür ( Allen et al., 1996; Tempest, 1996; Reznick, 2000). Ohmik ısıtma ekipmanının kullanımı pratiktir ve sistem diğer ısıtma ekipmanlarına göre çok daha az yer kaplar. Endüstriyel çapta Ohmik ısıtma sistemi her biri 30-40 cm uzunluğundaki 6 adet tüpün, boru sisteminin bir parçası olarak birleştirilmesinden meydana gelmektedir (Reznick, 2000). Sistem çok sessiz çalışabilir (Skudder, 1989). Akım kesildiğinde sistemde ısı birikimi durur. Geri besleme kontrolörlü sıcaklık ölçer ile kurulmuş bir Ohmik ısıtma sisteminde, işlem boyunca uygulanan voltaj kontrol edilebilir (Stirling, 1987; Tempest, 1996; Reznick, 2000). Bu olumlu özelliklerinin yanı sıra, sistemin iyi elektriksel izolasyona ve kontrol sistemi tasarımına ihtiyacı vardır. Sistemde çalışacak personelin yetişmiş olması ve elektriksel izolasyona sahip çalışma giysisi giymesi gerekmektedir. Sistemin mekanizması hala çalışma ve araştırma safhasındadır. Ürüne göre farklı işlem koşullarının uygulanması gerektiğinden, her ürün için Ohmik ısıtma hızını etkileyebilecek tüm değişkenlerin belirlenmesi zorunludur. Gıda içerisine elektriksel akımın doğrudan uygulandığı bu ısıtma yönteminde, ısıtma işleminin gıda üzerine yapacağı olumlu ve olumsuz tüm etkiler çok iyi tespit edilmelidir.