Doğal sedimentasyon ve santrifüj seperasyon
Doğal sedimentasyonun esası, ana faz akışkan içerisinde dağılmış bulunan sedimentlerin yerçekimi kuvveti etkisi altında ve farklı süreler sonunda ana fazdan ayrılmasıdır.
Santrifüj seperasyonun esası ise, ana faz içinde bulunan sedimentlerin santrifüj kuvveti etkisiyle ana fazdan ayrılmasıdır.
Santrifüj Sedimentasyon Hızı
Bir kabın içini akışkanla doldurup bu kabı dikey ekseni etrafında döndürdüğümüzde ortaya santrifüj hızını oluşturan bir santrifüj (merkezkaç) kuvveti çıkar.
Dönen kabın içindeki her sıvı noktacığı veya katı parçacık santrifüj kuvvetinin etkisi altındadır.
Santrifüj hızı, dönüş ekseninden itibaren uzaklaşan noktalarda dönüş hızına (açısal hıza) bağlı olarak artmaktadır.
Klarifikasyon
Basit filtrasyondan geçmiş ana faz içindeki, filtrelerin ayıramadığı katı, yarı katı veya yarı sıvı fazların santrifüj kuvveti ile sürekli olarak ayrılması işlemine klarifikasyon denir.
Örneğin,
Çiğ süt içindeki basit filtrelerin ayıramadığı taş ve toprak gibi kirlilik öğeleri, meme hücreleri ve kan pıhtıları,
Ön filtrasyondan geçirilmiş ham ayçiçeği yağı, zeytin yağı ve balık yağındaki kirlilik öğelerinin ana fazdan ayrılması yani ana fazın temizlenmesi,
Vidalı veya merdaneli preslerden geçirilmiş bulanık elma ekstraktının filtrasyonu
birer klarifikasyon işlemidir.
Santrifüj seperatörler
Şekil 4.25’de katı partiküllerin santrifüj kuvveti ile akışkandan sürekli olarak ayrılması işlemi kesit olarak gösterilmiştir.
Yatay duran kabın diğer yarısını da tamamlar ve 90º çevirirsek tıpkı bir seperatör kabına benzediğini görürüz.
Burada sedimentasyon alanını arttırmak amacıyla konik plakaların ortasına, seperatörün merkez ekseni boyunca bir levha geçirilmiştir.
Diskler birbirlerinin üzerine bir disk yığını oluşturacak şekilde takılmış, her disk arasına birer ayırma kanalı oluşturmak üzere radyal şeritler kaynaklanmıştır. Bu şeritler diskler arasındaki aralıkların sabit kalmasını sağlar.
Şekil 4.25 Santrifüj seperatör
Kanal boyunca geçiş sırasında parçacıklar, kanalın üst tarafındaki diskin altında toplanırlar.
Sıvının açısal hızı kanalın her noktasında aynı değildir.
Diske en yakın noktada hemen hemen sıfır değerde olan sıvı hızı, kanalın merkezinde maksimum değere ulaşır.
Tüm parçacıklar, santrifüj kuvveti etkisiyle ve sedimentasyon hızı ile seperatörün dışına doğru savurulurlar.
Klarifikasyonda kullanılan seperatörler
Klarifikasyon amacı ile yapılmış bir santrifüj seperatörde, ayırma kanallarına disk yığının dışından verilen sıvı, kanallar boyunca dönüş merkezine doğru radyal olarak ilerlemekte ve eksenel dönüş merkezindeki çıkış ağzından seperatörü terketmektedir.
Bu arada katı parçacıklar sıvıdan ayrılarak disklerin alt yüzeylerine ulaşır ve santrifüj kuvveti etkisiyle seperatör gövdesinin yan iç çeperlerine doğru fırlatılarak sediment birikme yerinde toplanırlar.
Seperasyon
Klarifikasyon işlemi uygulanmış sıvı faz hammadde içinde emülsiyon fazında dağılmış bulunan sıvı, yarı sıvı ya da yarı katı fazdaki öğelerin santrifüj seperasyon yardımıyla ayrılmasıdır.
Seperasyona ilişkin örnekler
Sütün içindeki yağ globüllerinin (kremanın) değişik oranlarda yapıdan alınması (standardizasyon),
Peynir altı suyunda bulunan yağın veya telemenin ayrılması,
İçinde süt bulunmayan süt yağındaki serum fazının ayrılması
Soya ve pamuk yağlarındaki sabun öğelerinin yüksek devirli santrifüj seperatörlerle ayrılarak hamyağ-solvent karışımının ekstraksiyon verimliliğinin arttırılması gibi
Şekil 4.28 Sütün kremasının ayrılması sırasında santrifüj seperatör disklerinin kesit görünümü
Sıvı faz içerisinde bulunan yarı sıvı bir başka fazın, örneğin sütteki yağ globüllerinin, ayrılma sırasında krema seperatörünün ayırma kanallarındaki (konik diskler) hareketleri görülmektedir.
Sütün kremasının ayrılması
Şekilde de görüldüğü üzere karışım faz seperatöre, seperatörün merkezinden giriş yapmakta, konik plakalar grubunun altından tekrar yukarıya doğru ilerlemektedir.
Konik diskler üzerinde dikey olarak aynı doğrultuda açılmış bulunan deliklerden yukarıya ilerleyen ve disk plakaları arasına geçen sıvı içerisindeki farklı yoğunlukta olan parçacıklar, santrifüj kuvveti etkisi altında iki plakanın iç veya dış yüzeylerine yerleşerek toplanırlar.
Yoğunluğu fazla olan katı parçacıklar disklerin dış yüzeylerine yerleşir ve zamanla kayarak sediment birikme yerinde toplanırken, yoğunluğu ana fazdan daha az olan diğer sıvı faz örneğin yağ globülleri, disklerin iç yüzeylerine yerleşir ve seperatörün dönüş eksenine doğru ilerlerler.
Böylece ana faz (örneğin yağı alınmış süt) seperatör merkezinden, yoğunluğu az olan faz ise (örneğin yağ globülleri) merkeze yakın kendi çıkış boğazından çıkarken, yoğunlukları daha ağır olanlar merkezdeki kendine ait diğer çıkış boğazından çıkarlar.
Otomatik Seperatörler
Seperatör gövdesinin çevresel iç yüzeyinde toplanan pislik, temizlenmek istenen ana fazdan farklı olan yoğunluktaki öğelerdir.
Eski model seperatörler, işlem sırasında belirli zamanlarda sökülerek temizlenmekteydi.
Günümüzde biriken pislik öğelerinin belirli zamanlarda otomatik olarak deşarj edildiği ve sökülmesine gerek duyulmayan “kendi kendini temizleyen” modern seperatörler kullanılmaktadır.
Bu seperatörlere “Otomatik seperatörler” denilmektedir.
Şekil 4.29 Pisliğin otomatik olarak atılması
Otomatik seperatörlerin gövdesinde bir yarık bulunmaktadır. Seperatörün çalışması sırasında bu yarık kapalıdır. Deşarj sırasında yarık çok kısa bir süre açılır ve bu sırada pislik öğeleri çevresel olarak seperatörün dışına atılırlar (Şekil 4.29).
Yarı açık ve hermetik seperatörler
Kendi kendini temizleyen modern seperatörler yarı açık ve hermetik (sızdırmaz) olmak üzere iki tiptir.
Yarı açık seperatörler
Şekil 4.30’da yarı açık seperatörlerde, sıvının seperatörün üst tarafındaki sabit bir giriş boğazından atmosfer basıncı ile girişi görülmektedir.
Ayırma plakaları yüksek devirle dönüş yaptığından sıvının hızının bu devire uyum sağlayabilmesi için sıvının hızı, seperatör girişinde bulunan “dağıtıcı”da arttırılır.
Santrifüj kuvveti sıvıyı seperatör gövdesi iç yüzeyine uyan bir çember oluşturacak şekilde dışa doğru fırlatır.
Seperatöre giriş sırasında atmosfer basıncı etkisinde olan sıvı dönüş ekseninden uzaklaştıkça artan ve çanak iç çevresinde maksimuma ulaşan bir basınca erişmektedir.
Yüksek hızda dönmekte olan sıvının kazandığı kinetik enerji, seperatör çıkışındaki özel bir pompa yardımıyla normal basınca dönüştürülerek pompalanmaktadır.
Şekil 4.30 Yarı açık otomatik seperatörün kesit görünümü
1. Dağıtıcı, 2. Disk yığını, 3. Krema ayırma odası, 4. Yavan süt ayırma odası
Hermetik (sızdırmaz) seperatörler
Milin altında bulunan santrifüj pompa sıvıya istenilen basıncı kazandırır.
Hermetik seperatörün içi, tahrik mili içi de dahil, çalışırken hiç hava kalmayacak şekilde tamamen sıvıyla dolmaktadır. Bu nedenle hermetik seperatör kapalı ve sızdırmaz iletim hattının bir parçası olarak kabul edilir.
Santrifüj pompanın oluşturduğu basınç yeterli bir akış direnci sağlayarak bunu seperatör çıkışına kadar devam ettirir.
Çıkış basıncının yüksek olmasının istendiği durumlarda çıkışa bir başka pompa konulur.
Hermetik seperatörler, özellikle sütün soğukken kremasının alınması ve içinde su bulunmayan (anhidro) kremadan serum fazının ayrılması işlemlerinde daha iyi sonuç verirler.
Şekil 4.31 Hermetik otomatik seperatörün kesit görünümü
Hermetik seperatörlerde sıvı, seperatörün içerisine alttan ve ortası kanal şeklinde açılmış olan seperatör ana tahrik mili yardımıyla verilmektedir.
Milin altında bulunan santrifüj pompa sıvıya istenilen basıncı kazandırır.
Sporlu bakteriler
Bazı bakteriler stoplazma içinde spor oluşturabilirler.
Sporlar dış etkenlere karşı oldukça dayanıklıdırlar.
Sporlu bir bakteri, uygun olmayan koşullarda vejetatif formdan spor formuna geçebilir. Buna metamorfoz denir.
Koşullar uygun olduğunda da sporlar vejetatif hale dönüşerek çoğalır ve bakteri oluştururlar.
Sporlarda metabolizma faaliyeti yoktur. Kuru ve çok soğuk koşullarda yıllarca yaşayabilirler.
Bakterilere kıyasla dezenfektanlara, ultraviole ışınlarına ve ısıl işlemlere daha dayanıklıdırlar.
Tamamen yok edilmeleri için 120ºC’de 20 dakika süre gereklidir.
İşlenecek hammadde içerisindeki sporlu bakteri ve sporların tamamen yok edilmesine gereksinme duyulduğu taktirde “baktofugasyon” uygulanır.
Baktofugasyon
Baktofugasyon, akışkan fazda spor veya spor yapan bakterilerin, “baktofugatör” olarak tanımlanan ve santrifüj kuvveti ilkesine göre çalışan çok yüksek devirli seperatörler yardımı ile ayrılmasıdır.
Örneğin, fermente süt ürünlerine işlenecek olan süte normal olarak klarifikasyon ve standardizasyon işlemleri uygulandıktan sonra baktofugasyon uygulanır.
Sütten bu yolla ayrılan bakteri ve sporlardan oluşan artığa baktofugat denir ve miktarı ana fazın %2-3’ü kadardır.
Baktofugat direkt buharla 130-140ºC’de 3-4 saniye süre ile sterilize edilip soğutulur.
Yüksek devir nedeni ile bu artık içinde sütten ayrılan bazı proteinler de bulunur. Bu nedenle sterilizasyondan sonra istenirse bu bölüm ana faza (süte) tekrar karıştırılabilir
Şekil. Baktofugatör
Dekanter Seperatörler
Santrifüj kuvveti ilkesine göre çalışan ve özellikle süt ürünleri işletmelerinde pıhtılaştırılmış kremasız sütten kazeinin ayrılması, yıkanmış kazeinin suyunun alınması ve laktoz üretimi amacıyla kurulmuş üretim hatlarında kullanılan bir diğer seperatördür
Şekil 4.34 Dekanter seperatörün dış görünümü
1. Besleme, 2. Sıvı faz çıkışı, 3. Katı faz çıkışı.
Dekanter Seperatörlerin çalışma prensibi
Şekil 4.34’te de görüldüğü gibi dekanter seperatör, çeperleri deliksiz silindirik bir gövde ile bu gövde içerisinde, gövde ile aynı yöne fakat daha hızlı devirle dönen sonsuz dişli bir rotordan oluşur.
Bu seperatörlerde parçalar yatay olarak yerleştirilmiştir.
Sıvı, seperatöre konik uçtan (1) giriş yapar ve rotor gövdesinin merkez hattı boyunca uzanan giriş borusunu izleyerek ilerler. Giriş borusu ucundan çıkan sıvı rotor gövdesi üzerinde birbirinden 90º’lik aralıkla açılmış dört adet delikten seperatör içine girer.
Santrifüj kuvveti etkisi ile silindirik gövdenin dış cidarlarında toplanan katı partiküller, rotor üzerindeki vida kanatları ile tekrar konik uca doğru hareket ettirilirler ve çıkış deliklerinden (3) dışarıya çıkarlar. Sıvı faz seperatörün geniş olan tarafından (2) alınır.
Seperatörün Yapısı
Santrifüj kuvveti ilkesine göre yapılmış bir seperatörün parçaları basit olarak ikiye ayrılır.
Tahrik düzeni parçaları
Üretim düzeni parçaları
Tahrik düzeni parçaları
Şekil 4.35’de seperatörün döşemeye bağlandığı tabla ile yatay ve dikey tahrik elemanlarının kesit görünümü verilmiştir.
Yatay tahrik elemanları arasında başlıcaları elektrik motoru, santrifüj kavrama düzeni ve ana tahrik milidir.
Elektrik motorundan alınan hareket, ana tahrik mili üzerinde bulunan büyük dişli yardımıyla üzerinde helezon dişli bulunan dikey tahrik miline aktarılır.
Titreşimi önlemek üzere bu tahrik milleri dikey ve yatay olarak çok hassas bilyalı rulmanlarla yataklandırılmıştır.
lÜretim düzeni parçaları
Seperatörün üretim düzeni ana parçaları arasında üst ve alt seperatör gövdesi, bunları birbirine birleştiren içten dişli kilit çemberi, gövde içerisinde konik-disk yığını, distribütör (dağıtıcı) ve basınç ayar saatleri sayılabilir.
Konik diskler 0.1-0.3 mm kalınlığında ve diskler arası mesafe 0.3-0.5 mm kadardır.
Şekil 4.35 Seperatör tahrik düzeninin dikey ve yatay parçalarının görünümü
Şekil 4.36. Seperatör üretim düzeni parçalarının görünümü.
lSiklon Seperatörler
Bir gaz akımı içindeki katı parçacıkların ayrılmasında kullanılan santrifüj seperatörlerde, genellikle sistemde hareketli makina parçası bulunmaz.
Tozlu hava (gaz-katı parçacık karışımı) sisteme girişte bir dönüş hareketi kazandığından, radyal hareket eden santrifüj bir kuvvet oluşur. Bu kuvvet hava içindeki parçacıkları (toz ve diğer zerreleri) silindir iç duvarına doğru fırlatır.
Şekil 4.37. Siklon seperatörün çalışma ilkesi
Siklon seperatörler
Siklon seperatörde oluşan santrifüj kuvveti, yerçekimi kuvvetinden daha büyüktür.
Hava, önce siklonun içinde dibe doğru ve silindir iç yüzeylerine yapışarak spiral bir biçimde iniş yapar ve konik gövdenin dibine ulaşır.
Daha sonra spiralin içinden yukarıya doğru ve yine bir dönüş hareketi ile yükselerek seperatör tepesindeki boğazdan dışarıya çıkar.
Her iki spiralin dönüş yönü aynıdır
Siklon seperatörlerin kullanım alanları
Siklon seperatörler, gıda endüstrisinin fırıncılık ürünleri ile süt tozu ve çocuk maması endüstrisi dallarında yaygın olarak kullanılırlar.
Şekil 4.38. Siklon seperatör dizisi
Şekil 4.38’de püskürterek kurutma yapan bir dehidratöre seri olarak konumlandırılmış bir siklon seperatör düzeni görülmektedir.
Membran Filtrasyon
Süt endüstrisinde kullanılan membran teknolojisi başlıca aşağıdaki teknikler
Ters Osmoz (RO): Suyun uzaklaştırılması ile çözeltilerin konsantre edilmesidir.
Nanofiltrasyon (NF): Organik bileşenlerin, sodyum ve klorür gibi iyonların uzaklaştırılması ile ortamın konsantre edilmesidir (kısmi demineralizasyon).
Ultrafiltrasyon (UF): Ortamda sayıca çok olan makro moleküllerin konsantre hale getirilmesidir.
Mikrofiltrasyon (MF): Bakterilerin uzaklaştırılması ve makro molekül ağırlıklı ögelerin ayrılmasıdır.
Membran filtrasyon
Sıvı ürün basınç altında bir membran filtreden geçirilmekte, farklı boyutlardaki katı ve yarı katı bileşenler (filtre keki) membranda tutulurken (retentant) ayrılan diğer faz (permeat) yani filtrat, membran filtreden geçirilmektedir.
Kullanım alanları
Ters Ozmoz (RO) peynir suyunun konsantre hale getirilmesinde,
nanofiltrasyon (NF) peynir suyunun kısmi desalinasyonunda,
ultrafiltrasyon (UF) tipik olarak süt ve peynir suyundaki süt proteinlerinin konsantre hale getirilmesinde, peynir, yoğurt ve diğer ürünlerin imalatında kullanılacak sütün protein standardizasyonununda;
mikrofiltrasyon (MF) ise yavan süt, peynir suyu ve salamuradaki bakteri sayısının azaltılmasında, peynir suyu ile taşınan yağın geri kazanımında, peynir suyu protein konsantratı ve protein fraksiyonu eldesinde kullanılmaktadır.
Şekil 4.40 Membran filtrasyonu ilkeleri
Geleneksel filtreler ile membran filtreler arasındaki farklar
Geleneksel filtrelerde suspansiyon partiküllerin ayrılmasında kağıt, bez, bitkisel lifler, pamuk diskleri gibi filtrasyon malzemeleri kullanılır ve ayırma yerçekimi ivmesi veya basınç ile gerçekleştirilir.
Membran filtrelerde çeşitli polimerler, seramik, selüloz ve asetat gibi malzemeler kullanılır ve ayırmada basınç uygulanır.
Membran seperasyonda akış çapraz veya tanjant akış olarak tasarımlanmıştır. Beslenen sıvı yüzeye paralel olarak akıtılır.
Filtrasyon modülleri
Filtrasyon modülleri değişik konfigürasyonlarda olabilir. Örneğin;
Tasarım şekli Tipik uygulaması
Spiral sarımlı RO, NF, UF
Plakalı UF, RO
Polimer elemanlı borulu UF, RO
Seramik elemanlı borulu MF, UF
Silindir fiberli UF
Spiral Sarımlı Sistemler
Spiral sarımlı bir sistem, herbiri iki katman ve arasında permeatı geçiren gözenekli bir malzemenin bulunduğu bir veya birden çok membran “zarfı”ndan oluşur
Şekil 4.43 Spiral sarımlı sistem modulü
Plakalı Sistemler
Plakalı ısı değiştiricilere benzeyen membranların membran destek plakaları arasına bir sandviç gibi yerleştirildiği sistemlerdir.
Ürün paralel veya seri-paralel kombinasyonu dar kanallardan basınçla geçirilir. (Şekil 4.44).
Şekil 4.44 Plakalı sisteme örnek (UF)
Borulu Sistemler
Bir borulu sistem modülünde paslanmaz çelikten yapılmış borular bulunur.
Örneğin polimer elemanlı borulu sistemlerde boruların içine yine boru şeklinde polimer filtre malzemesi yerleştirilmiştir.
Borular seri olarak demet halinde bağlanmıştır.
Şekil 4.45 Seramik elemanlı borulu sistem
Silindir Fiberli Sistemler
Silindir fiberli modüller her kartuşta 45 ila 3000’in üzerinde silindir fiber elemanı içeren sistemlerdir.
Fiberler birbirine paralel bir demet halinde uçları reçine içine yerleştirilmiş ve epoksitten yapılmış bir permeat toplama borusuna bağlanmıştır.
Şekil 4.48 Silindir fiberli kartuş (A) filtrasyon (B) temizlik (C) temizlik çözeltisi ile temizlik
Membranların Ayırmadaki Sınırları
Membranlarda ayırma sınırı ayrılabilen en küçük molekül ağırlığı ile tespit edilir.
Sınırlı ayırmaya sahip membranlar tamamen molekül ağırlığı küçük olan herşeyi ayırırlar,
Difüz sınırı olanlar ise daha yüksek molekül ağırlığında bazı materyalin geçmesine izin verirken daha küçük olanları tutarlar.
Membranların ayrırma kapasitesine etki eden faktörler
Membran direnci: Bu özellik her membran için karakteristiktir ve membran kalınlığı, yüzey alanı ve gözenek çapı ile tayin edilir.
Taşıma direnci: Taşıma direnci polarizasyon veya tıkanma etkisi olup filtrasyon sırasında membran yüzeyinde oluşur.
Membranlarda İşletme Tasarımı
Pompa(lar)ın kapasitesi istenilen akış hızıyla ve modül tasarımı ve boyutuna göre büyük ölçüde değişen modül(ler)in nitelikleriyle uyumlu olmalıdır.
Pompa(lar), modül viskozite sınırlarına kadar olan viskozite değişikliklerinden etkilenmemeli, işlem ve temizlik için uygulanan sıcaklıklarda verimli çalışmalıdırlar.
Membran ayırma sistemleri kesikli ve sürekli sistemlerin ikisinde de kullanılır. Besleme sıvısı kaba partiküller içermemelidir. Aksi halde membranlarda hasara sebep olur. Bu nedenle çok ince gözenekli süzgeçler sisteme entegre edilmiştir.
Kesikli sistemler, laboratuvar ve araştırma üniteleri gibi ürün hacımının az olduğu sistemlerde kullanılır. İşlenen ürün bir ara tankta belirli miktarda tutulur. Bu miktar istenilen konsantrasyon elde edilinceye kadar sirküle ettirilir.
FABRİKA KURULUŞ TEKNİKLERİ
Fabrika kuruluş çalışmaları
Kuruluş etüd ve çalışmaları
Yerleşim planlarının yapılması
Yerleşim Teknikleri
Kuruluş etüd ve çalışmaları
Fizibilite raporu
Kapasite tayini
Teknoloji seçimi
Enerji kullanımı
Üretim akış şemaları
Yerleşim planı ve iş akış modeli seçimi
Yer seçiminden oluşur
Yerleşim planlarının yapılması
Arsa yerleşim planı
İşletme binası yerleşim planı
Arsa yerleşim planı
Hammadde iletim ve taşınım faktörleri
Yardımcı kilit tesisler ile ilgili faktörler
Enerji donanımları ile ilgili faktörler
Atık su ve pis su donanım faktörleri
İşletme binası faktörleri
Yardımcı diğer bina ve tesislerle ilgili faktörler
İşletme binası yerleşim planı
Ekonomik faktörler
Güvenlik ve proses faktörleri
İşletme ve bakım faktörleri
Yapısal ve görünüm faktörleri
Tevsi (eklenti) faktörleri
lOtomasyon faktörleri
Yerleşim Teknikleri
Yerleşim planlarının geliştirilmesi
Blok maket yapımı
Arsa vaziyet planı çizimleri
İşletme binası yerleşim kesit plan çizimleri
Boru donanım modelleri yapımı
Gelecek derste,
Karıştırma ve karışımlama makinaları
Boyut küçültme makinaları
Anlatılacaktır.

…