Plakalı Isı Değiştiriciler İle Sütün Pastörizasyonu

Pastörizasyon gıda maddesi içindeki zararlı organizmaları ve bozulma etmenlerini yok etmek amacıyla uygulanan bir ısıl işlemdir. Plakalı ısı değiştiricileri kullanarak sıvı gıdaların pastörize edilmesiyle ise enerji tasarrufu sağlayarak ürünü istenilen seviyeye kısa sürede getiren bir sistemdir.
Laboratuar ortamında yapılan deneyde, gıda endüstrisinde kullanılan büyük ölçekli bir pastörizatörün laboratuar koşulları için hazırlanmış bir prototipinde çiğ süt pastörize edilmiştir. Armfield HTST pastörizatörü kullanılarak gerçekleştirilen pastörizasyon işlemi sonucunda plakalarda meydana gelen taşınım ısı transfer katsayısı 171.95 W/m2oC, akışın rejimi ise laminer bulunmuştur.
Giriş ve Literatür:
Sütün satışa sunulması veya bundan çeşitli ürünlerin üretilmesi sırasında içeriğindeki mikroorganizmaların yok edilmiş olması istenir. Bu ise pastörizasyon adı verilen bir ısıl işlem sayesinde sağlanır.
Pastörizasyon kelimesi bu işlemi bulan “Louis Pasteur” adındaki fransız bilim adamından gelmektedir. Pasteur şaraptaki bozuklukları önlemek için 1860-1864 yılları arasında şarabı birkaç dakika 50-60oC’de tutarak bozulmalarının önlendiğini buldu. Sütün çeşitli ürünlere işlenmesinde ısının kullanılması Pasteur’den önce3 denenmiştir: Sütün kaynatılarak içilmesi Türkler’de çok eskilerden beri uygulanmaktadır.
Sütün pastörizasyonunun amacı; süt ve süt ürünlerine bulaşmış bütün hastalık yapıcı mikropların öldürülmesi, sütün dayanma özelliklerinin arttırılması ve hilelerin önlenmesidir. Süt ve ürünleri için iki ana tip pastörizasyon kullanılmaktadır: Düşük ısı derecesinde uzun zaman tutma metodu (low temprature long time, LTLT) ve yüksek ısı derecesinde kısa zaman metodu (high tempratue short time, HTST). LTLT met****da süt 61.7oC’de en az 30 dakika tutulmalıdır. Türkiye’de bu yöntem 63-65oC’de uygulanmaktadır. HTST metodu ile pastörizasyonda sütün 71.1oC’de en az 15 saniye tutulması şarttır. Türkiye’de bu işlem 72-75oC’de 15-20 saniye olarak uygulanmaktadır. Süte uygulanacak pastörizasyon işleminin özelliği Coxiella burnettibakterisini yok edecek şekilde ayarlanır.
Gıda sanayiinde ısı transferi uygulamalarını en önemlilerinden birisi, çeşitli gıda maddeleri için, ısı değiştiriciler tasarımı alanındadır. Gıda işleyen fabrikalarda, borulu, plakalı, sıyırıcı yüzeyli, buhar enjeksiyonlu ve buhar enfüzyonlu tipleri dahil olmak üzere, çok çeşitli tiplerde ısı değiştiriciler kullanılmaktadır. Yukarıda sayılan beş tip ısı değiştiriciden ilk üçü, gıda maddelerinin ısıtılması veya soğutulması için kullanılabilir. Son ikisi ise sadece ısıtma amacıyla kullanılmaktadır.
Borulu ısı değiştiriciler: Borulu ısı değiştiriciler çok çeşitli şekillerde olabilirler. En çok rastlanılan iç içe geçmiş borular şeklinde olabilir. Bu düzende, ürün içteki borudan, ısıtma ortamı (su buharı) dıştaki ceketten ya aynı yöne ya da birbirlerine zıt yönlerde akarlar.
Üç borulu ısı değiştiriciler: Bu tip ısı değiştiricilerde, ısıtma ortamı, en iç ve en dıştaki borulardan, ürün ise ortandaki boru içinden akmaktadır.
Plakalı ısı değiştiriciler: Plakalı ısı değiştiricide, ürün çok ince bir film tabakası halinde, ısıtılmış iki yüzey arasında akmaktadır. Bu şekilde ürün sıcaklığı çok hızlı bir şekilde yükselir. Genel olarak, ürünün ısı transferini sağlayan yüzey üzerinden bir kere geçmesi yeterli olmaktadır. Plakalı ısı değiştiriciler için konveksiyon ısı transfer katsayısı, sıcak levha yüzeyine dik olarak, ısıtma ortamından ürüne ısı transferi dikkate alınarak hesaplanır.

Sıyırıcı yüzeyli ısı değiştiriciler: Sıyırıcı yüzeyli ısı değiştiriciler veya votatör özellikle yüksek viskoziteli ve newtonian olmayan akışkanlar için olmak üzere, gıda sanayinde yaygın olarak kullanılan bir ısı değiştirici tipidir. Bu tip bir ısı değiştirici çift borulu ısı değiştiricilere çok benzer. Fakat ek olarak ısı transfer yüzeyi üzerinde devamlı hareket eden sıyırıcı bıçaklar vardır.
Doğrudan temaslı ısı değiştiriciler: Ürünle ısıtma ortamının doğrudan temasını sağlayan iki tip ısı değiştirici buhar enjeksiyon ve buhar enfüzyonu sistemlerini kapsar. Buhar enjeksiyonu sisteminde, bir boru içinden akmakta olan ürün üzerine buhar enjeksiyonu yapılır. Böylece buhar zerrecikleriyle ve ürün arasında ısı değişimi olur ve sonuçta buhar, tamamen yoğunlaşır. Buhar enfüzyonu sisteminde, sıvı halde bulunan ürün, ısıtma ortamı olarak buhar içeren ısı değiştirici içine püskürtülür. Buhardan sıvı gıda maddesinin damlacıklarına ısı transferi olur ve sonuçta buhar yoğunlaşır, oluşan su ürünle karışır. Genel olarak, her iki sistemde de, sisteme ilave edilen suyu ortamdan uzaklaştırmak için, vakum tekniklerinden yararlanılır.
Zıt yönlü akışta sıcak ve soğuk akışkanlar birbirlerine ters yönde akmaktadırlar. Paralel akışta ise sıcak ve soğuk akışkan aynı yönden girerler ve aynı yöne doğru akarlar. Çıkış noktaları da aynıdır.

Materyal:
Bu deneyde;
·Armfield plakalı ısı değiştirici
·Süt
kullanılmıştır.

Metot:
·Ekipman hipoklorit çözeltisi ile temizlenir.
·Besleme ünitesine 1 litre süt ilave edilir.
·Pastörizasyon işlemi başlatılır.
·İşlem sonrasında ekipman temizlenir.

Sonuçlar:
Pastörizasyon işlemi sonunda tablo1’deki sonuçlar elde edilmiş ve taşınım ısı transfer katsayısı hesaplanmıştır.

Tablo1:işlem sıcaklık değerleri
Rejeneratöre giren pastörize süt sıcaklığı
T1
76oC
Sıcak su giriş sıcaklığı
T2
80.4oC
Sıcak su çıkış sıcaklığı
T3
77oC
Rejeneratöre giren çiğ süt sıcaklığı
T4
64.8oC
Rejeneratörden çıkan ve pastörizatöre giren çiğ süt sıcaklığı
T5
69.7oC
Rejeneratörden çıkan pastörize süt sıcaklığı
T6
65.5oC


Besleme debisi: V=200ml/30s=0.4lt/dk=0.4*10-3m3/dk
Aplaka=5.676*10-3m2
Kullanılan plaka sayını N=19
Sütün viskozitesi: m=1.41*10-3 pa.s
Cp=3.850 kj/kgoC
rsüt=1028 kg/m3
d=7.086mm
Tm=(LT1-LT2)/ln(LT1/LT2) = [(T1-T4)-(T5-T6)]/ln[(T1-T4)/(T5-T6)]
Tm= [(76-64.8)-(69.7-65.5)]/ln[(76-64.8)/(69.7-65.5)]
Tm=7.14oC
M=1028*0.4*10-3=0.4112 kg/dk
AT=19*0.005676=0.107844 m2
U* AT* Tm=M* Cp*LT
Taşınım ısı transfer katsayısı U= 0.4112 kg/dk*3.850 kj/kgoC*(69.7-64.8)oC/0.107844 m2/7.14oC*1000j*1dk/1kj/60s
U=171.95 W/m2oC
Re=1028 kg/m3*0.007086m*0.1691m/s /1.41*10-3 pa.s
Re=873.8 è laminer akış
Tartışma:
Besleme ünitesinden gelen çiğ süt önce rejeneratöre girer. Burada ısısını pastörizatörden gelen sütün ısısını alarak yükseltir. Çiğ süt ısısını bir miktar yükseltmiş olarak pastörizatöre girer. Pastörizasyon işleminden sonra soğutucuya giderken tekrar rejeneratöre girerek ısısının bir kısmını çiğ süte devreder. Bu sistem sayesinde sistem içindeki enerjinin bir kısmı devir daim şeklinde kullanılarak kayıp olması engellenir. Dolayısıyla enerjiden ve maliyetten tasarruf edilmiş olur.
Sistemde pastörizasyon sırasında uygun sıcaklığına ulaşamamış süt elde ediğinde, bu sütün (sıcaklığı sensör tarafından belirlendikten sonra) besleme ünitesine geri gönderildiği gözlemlenmiştir.
Deney sonucunda bulunan 171.95 W/m2oC değerinin literatür değerlerine yaklaşık bir değer olduğu gözlenmiştir.