Elektron demeti ve işinlamanin

ELEKTRON DEMETİ VE IŞINLAMANIN

ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI
Mehmet YALÇINTAŞ, Hasan ALKAN

Gamma-Pak Sterilizasyon Sanayi ve Ticaret A.Ş. – İSTANBUL

ÖZET

Hızlandırılmış parçacıklar 1930’lu yıllardan beri araştırma ve tıp alanında kullanılmaktadır. 1980’li yıllardan itibaren başta ışınlama teknolojisi olmak üzere baca gazlarının ve organik çözücülerle kirlenmiş yer altı sularının temizlenmesi, hastane atıklarının ve drenaj sularının patojen mikroorganizmalardan arındırılması gibi endüstriyel işlemlerde kullanılmaktadır.
Işınlama işlemi gama ışınları, elektron demetleri ve x-ışınları kullanılarak tıbbi ve farmasutik ürünlerin sterilizasyonu gıda ışınlaması (çimlenmeyi ve böceklenmeyi önlemek, raf ömrünü uzatmak ve patojen mikroorganizmalardan arındırmak ) polimerlerde yapı değişikliği (çapraz bağlama) yapmak suretiyle polimerleri güçlendirmek amacı ile yapılan ileri teknoloji bir işlemdir.
Dünyada üretilen tek kullanımlık tıbbi ürünlerin yarısı ışınlama yöntemi ile steril edilmektedir. Türkiye’ de ise 2 gama ışınlama tesisinde yılda 20.000 m³ tıbbi ürün steril edilmektedir. Gıda ışınlaması olarak Dünyada 100.000 tonun üzerinde ülkemizde yılda 1500 ton kadar baharat, kurutulmuş sebze, kuru yemiş, donmuş balık, kurbağa budu ve salyangoz ışınlama yöntemi ile mikroorganizmalardan arındırılmaktadır. Çapraz bağlama işlemi için dünyada 5000’in üzerinde elektron hızlandırıcısı kullanılmaktadır. Türkiye’de bu işlem kontrollü atmosferde gama ışınları ile yapılmaktadır. Ülkemizde 250.000 – 500.000 m polietilen yerden ısıtma borularında çapraz bağlama işlemi yapılmaktadır.
Anahtar Kelimeler: elektron, hızlandırıcı, ışınlama, sterilizasyon, çapraz bağlama.

GİRİŞ

Hızlandırılmış pozitif ve negatif iyonlar önceleri araştırma, tıp (radyoterapi ve izotop üretimi) ve daha sonrada sanayi alanında kullanılmağa başlanmıştır. Özellikle 1980’li yıllardan sonra sanayide ışınlama teknolojisi sterilizasyon, polimerlerde yapı değişikliği ve gıda ışınlaması alanında elektron hızlandırıcıları çok yaygın kullanım alanı bulmuştur. Ayrıca baca gazlarında bulunan bazı kompleks moleküllerin ve yer altı sularına sızmış organik çözücülerin parçalanmasın- da elektron hızlandırıcılarından yararlanılmaktadır. Hızlandırıcıların tarihsel gelişimine bakıldığında:

1. Van de GRAFF Jeneratörleri

İlk Van de Graff jeneratörü 1931 yılında nükleer fizik araştırmaları için planlanmıştır. 20 MeV’e kadar pozitif iyonlar hızlandırıldı. Daha sonra radyoterapi amacı ile 3 MeV kadar elektronlar hızlandırılarak x-ışınları üretildi [1]. İstanbul üniversitesi Fizik Bölümünde araştırma amacı ile uzun süre kullanıldı. Günümüzde artık kullanılmamaktadır.

2. Siklotronlar

İlk defa 1932 yılında pozitif iyon hızlandırılması için tasarlandı. Halen araştırma ve Nükleer Tıp’ ta izotop üretimi için kullanılmaktadır. Türkiye’de izotop üretiminde kullanılan 2 adet siklotron bulunmaktadır.


3. Betatronlar


Radyoterapi amacı ile 1940-1980 yılları arasında hızlandırılmış elektron demeti ve yüksek enerjili x-ışını üretimi için kullanıldı [1]. Türkiye’de İ.Ü Tıp Fak. ve GATA’ da 1960-1980 yılları arasında radyoterapi amacı ile kullanıldı. Lineer hızlandırıcılar bütün dünyada olduğu gibi ülkemizde de betatronların yerini aldı.

4. Lineer Hızlandırıcılar

İlk lineer hızlandırıcı 1928 yılında pozitif iyonların hızlandırılması için Wideröe tarafından tasarlandı. Ancak asıl gelişme 1940’lı yıllarda yüksek frekanslı osilatörlerin geliştirilmesi ile başladı. Özellikle 1970’li yıllarda radyoterapide ve 1980’li yıllardan sonra başta ışınlama teknolojisinde olmak üzere sanayide çok büyük uygulama alanı bulmuştur.

Hızlandırma işlemi genellikle 2-5 metrelik vakumlu tüplerde doğrusal olarak yapılmaktadır.

Dünyada yüksek enerjili elektron demeti ve x-ışını üreten tıbbi ve endüstriyel amaçlı on binlerce lineer hızlandırıcı bulunmaktadır. Tıbbi amaçlı lineer hızlandırıcılar 35 MeV’e varan elektron ve x-ışını demeti üretebilmektedir [1]. Işınlama teknolojisinde ise radyoterapiye göre daha düşük enerjili ancak daha güçlü hızlandırıcılar kullanılmaktadır. Elektron demetleri için 10 MeV’e ve x-ışınları için 5 MV’a kadar izin verilmektedir. Şekil 1’de ışınlama amaçlı bir lineer hızlandırıcısının prensip şeması verilmektedir.

Şekil 1 Işınlama Amaçlı Lineer Hızlandırıcı Prensip Şeması
5. Dairesel Hızlandırıcılar: Rhodotronlar

Işınlama işlemlerinde kullanılan ilk Rhodotron elektron hızlandırıcısı 1994 yılında Belçika’ da bir grup bilim adamı sanayiden destek alarak geliştirmişlerdir. Hızlandırma işlemi vakumlu basık bir silindir içerisinde elektron demetleri duvardan duvara magnetlerle saptırılarak gerçekleştirilmek- tedir. Halen 10 MeV enerjide 35 kW , 80 kW ve 150 kW olmak üzere 3 ayrı tipte üretilmektedir [2]. Şekil 2’ de Rhodotron hızlandırıcıların prensip şeması gösterilmektedir.

Şekil 2 Rhodotron hızlandırıcıları prensip şeması
IŞINLAMA İŞLEMİ VE BAŞLICA ÖZELLİKLERİ

Işınlama işlemi gama ışınları, hızlandırılmış elektron demetleri ve yüksek enerjili x-ışınları ile sterilizasyon, gıda ışınlaması ve polimerlerde çapraz bağlama için kullanılan ileri teknoloji bir işlemdir. Diğer yöntemlere göre üstünlüğü şu şekilde sıralanabilir.

• 
  Soğuk bir yöntemdir. İşlem esnasında sıcaklık artışı çok azdır.
  
• 
  Ürünler kendi orijinal ambalajları içerisinde işlem görürler.
  
• 
  İşlem güvencesi (SAL) çok yüksektir.
  
• 
  Her türlü organizmaya karşı etkilidir.
  
• 
  Ürün üzerinde kalıntı bırakmaz. İşlem kontrolü tek bir parametre ile yapılır.
  
• 
  Karantina süresi gerektirmez, ürünler dozimetre raporu ile sevk edilir.
  

DÜNYADA VE TÜRKİYE’ DE KURULMUŞ IŞINLAMA TESİSLERİ

Dünyada ilk ışınlama işlemi 1921 yılında güçlü röntgen ışınları ile domuz etindeki parazitlerin zararsız hale getirilmesinde kullanıldı ve ABD de patent alındı. 1970 yılına kadar sterilizasyon, gıda ışınlaması ve çapraz bağlama alanlarında pek çok deneme yapıldı. Patentler alındı. Ancak asıl gelişme 1960’lı yıllarından itibaren ticari olarak ışınlama tesislerinin kurulması ile başladı. Özellikle 1980 yılından sonra FAO, IAEA ve WHO bilimsel komitenin ışınlanmış gıda ürünlerinin insan tüketimi için bir sakınca olmadığı raporunun yayınlanmasından sonra ışınlama tesislerin sayısı artmağa başladı.
Bu gün dünyada 50 ülkede olmak üzere 200 adet gama ışınlama tesisi ve çoğunluğu çapraz bağlama işlemlerinde kullanılan 5000’ in üzerinde fason ve üretim bandına bağlı elektron hızlandırıcısı ışınlama cihazı bulunmaktadır. Türkiye’ de “birisi TAEK bünyesinde (1 MCi) diğeri ise Gamma-Pak bünyesinde (3 MCi) olmak üzere 2 adet Co-60 kaynaklı gama ışınlama tesisi bulunmaktadır. Gamma-Pak bünyesinde elektron hızlandırıcısı ışınlama tesisi kurulması için çalışmalar başlatılmıştır. Şekil 3’de gama ışınlama tesisi ve Şekil 4’de ise elektron hızlandırıcısı içeren ışınlama tesisi gösterilmektedir.

Şekil 3 Gama ışınlama tesisi



Şekil 4 Elektron hızlandırıcılı ışınlama tesisi
IŞINLAMA İŞLEMİNİN UYGULANDIĞI ALANLAR
Işınlama işlemi başlıca üç alanda büyük ölçüde uygulanmaktadır.

1. 
   Sağlık Alanında
   

• 
  Tek kullanımlık tıbbi ürünler
  
• 
  İlaçlar, ilaç hammaddeleri ve ilaç kapları
  
• 
  Sağlık bakım ürünleri
  
• 
  Kozmetik ürünler ve hammaddeleri
  

Dünyada üretilen sağlık ürünlerin yarısı yaklaşık 1000 kalem ürün ışınlama yöntemi ile sterilize edilmektedir. Türkiye’ de 20.000 m³ tıbbi ürün steril edilmektedir [3, 4].

2. Gıda Işınlaması

6 Kasım 1999 yılında çıkarılan gıda ışınlaması yönetmeliği doğrultusunda ülkemizde de gıda ışınlaması yapılmağa başlanmıştır. Başlıca şu amaçlarla kullanılır.

• 
  Gıda ürünlerinde filizlenme, çimlenme ve böceklenmenin önlenmesi,
  
• 
  Gıdaların korunması ve raf ömürlerinin arttırılması,
  
• 
  Gıdaların patojen mikroorganizmalardan arındırılması,
  
• 
  Gıdaların bozulmasına neden olan küf, maya v.b. mikroorganizmaların kontrol altına alınması.
  

Dünyada 44 ülkede gıda ışınlamasına onay verilmiş olup, 100.000 tonu aşkın gıda ürünü ışınlama işlemine tabi tutulmaktadır. Türkiye’de 15000 ton kadar baharat, kurutulmuş sebze ve meyve , dondurulmuş balık kurbağa budu ve salyangoz ışınlanarak mikroorganizmalardan temizlenmektedir.

3. Polimerlerde Yapı Değişikliği

Polimerler ışınlanmak suretiyle moleküller arasında çapraz bağlama meydana getirilmekte ve bu şekilde ürünlerde erime noktası yükselmekte dayanıklılık kazanmaktadır. Bu yöntemle dayanıklı plastik gaz ve su boruları, kablo izolasyonları ve makine parçaları yapılmaktadır. Dünyada 5000’ in üzerinde çapraz bağlama amacı ile kullanılan elektron hızlandırıcı bulunmaktadır. Türkiye’ de ise gama ışınlama tesislerinde yılda 250.000-500.000 m kadar yerden ısıtmada kullanılan polietilen boru azot ortamında ışınlanarak çapraz bağlama işlemi yapılmaktadır.

ELEKTRON IŞINLAMA TESİSLERİNİN TÜRKİYE’DE SAĞLIKLI GIDA ÜRETİMİNDE VE İHRACATINDA KULLANILMASI

Kuru meyve ve sebzelerde kurtlanmayı önlemek ve ihracatta karantina işlemleri için metil bromür kullanılmaktadır. Ancak metil brömür ozon inceltici etkisi nedeniyle gelişmiş ülkelerde 2005 yılında gelişmekte olan ülkelerde ise 2015 yılında kullanımdan kalkacaktır. Türkiye 2007 yılında kullanımına son verecektir.

Türkiye Atom Enerjisi Kurumu, Uluslar arası Atom Enerjisi Ajansının desteği ile Ege Bölgesinde yürüttüğü projede Ege Bölgesinin ışınlamaya uygun ürünler bakımından çok elverişli olduğunu metil bromüre karşı alternatif yöntem olarak ışınlama yöntemini önermiştir. Yatırımcılara bu bölgedeki potansiyel anlatılarak ışınlama tesisi kurmaları için yatırıma davet etmiştir [6].

TAEK raporuna göre bölgesinde ışınlamaya uygun yılda 35.000 ton kuru incir 250.000 ton kuru üzüm ve çok çeşitli kurutulmuş sebze ve meyve ile hububat ürünleri üretilmektedir [6]. Ayrıca Antalya ve İzmir yörelerinde büyük miktarlarda kesme çiçek ve yaş sebze üretilmektedir. Bu ürünlerin hepsi raf ömürlerini uzatmak, böceklenmeyi önlemek ve karantina amaçlı ışınlanabilir. Ancak TAEK raporunda da belirtildiği gibi bu ürünlerin hepsi yıl boyunca düzgün dağılım göstermemektedir. Ürünlerde mevsimsel yığılma olmaktadır. Özellikle kuru incir ve kuru üzüm 2 ay gibi kısa bir sürede ışınlanması gerekmektedir.

SONUÇ

Gamma-Pak şirketi Ege bölgesindeki ışınlamaya uygun ürün potansiyeli , 10 yıllık ışınlama tesisi işletmeciliği deneyimini göz önüne alarak bölgede bir ışınlama tesisi kurma kararı vererek uygun cihaz seçimi için çalışmaları başlatılmıştır. Buna göre:

Gama ışınlama tesislerinin daha ucuz yatırım maliyeti olması, kolay işletimi ve basit dozimetrisi gibi avantajlarına rağmen doz hızlarının yavaş olması ve doz esnekliğinin bulunmaması nedeniyle mevsimsel yığılmalara cevap veremezler. Elektron hızlandırıcıları ise daha yüksek yatırım maliyetleri, karmaşık işletim sistemi ve dozimetrisine karşılık doz hızlarının çok yüksek olması ve doz esnekliği olması nedeniyle mevsimsel ürünlere kolayca cevap verebileceği anlaşılmıştır.

Gamma–Pak olarak bölgede x- ısını çevrimi bulunan 10 MeV enerjisinde ve 80 kW gücünde Rhodotron elektron hızlandırıcısı üzerende çalışmalarımızı yoğunlaştırarak üretici firma ile görüşmeler sürdürülmektedir.

KAYNAKLAR

[1] William R. HENDI (1977). Medical radiation physics. Years book medical publishers, INC. Chicago, London.
[2] Y. Jongen (1998). Review of compact commercial accelerator products and applications. Ion Beam Applications, Louvain – la – Neuve, Belgium.
[3] J. Hansen and J.L. Whitby (1993). Sterilization practice in USA. Sixth International Kilmer Memorial Conference Brussels, Belgium.
[4] Hasan ALKAN (2003). Türkiye’de endüstriyel gama ışınlaması uygulamaları. 3. Sterilizasyon ve Dezenfeksiyon Kongresi, Kongre kitabı. Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun.
[5] Hasan ALKAN (2002). Gıda ışınlama yöntemi ile gıdaların korunması ve gıda kaynaklı hastalıkların önlenmesi. Gıda Dergisi, İstanbul.
[6] M. Ahmad and J.P. Lacroix (2001). Potential application of food irradiation in Turkey. Feasibility study of a commercial food irradiation facility. IAEA, Vienna.