Derin Okuma — Şeker Rafinerisi

Tavanın kenarındaki kristal

Kışın ortasında Konya Ovası'ndan gelen kamyonlar, fabrikanın pancar yıkama kanalına boşalırken buhar bacadan yükselir. İçeride, altı metre çapındaki vakum tavasının ceketinde 65 derece dolaşan su, içindeki şurubu kaynatır. Operatör panelde aşırı doygunluk değerini izler. Bir noktadan sonra şurup artık şeker tutamaz hale gelir ve kristal doğar. O eşiğin bir tarafında beyaz küp şeker, diğer tarafında fabrikanın kazanına geri dönen melas vardır.

Rafineri dediğin şey aslında bir ayrıştırma fabrikası. Pancar ya da kamıştan gelen ham şekerin içindeki renk verici maddeleri, külü ve organik kalıntıyı temizler. Sonunda elinde yüzde 99,9 saflıkta sakaroz kalır. Ama bu saflığa giden yol, tek bir kimyasal reaksiyon değil, birbirine bağlı altı ayrı fiziksel işlemden geçer.

Peki neden bu kadar işlem gerekir? Ham şekerin saflığı yüzde 96-98 bandındadır. Kalan yüzde 2-4, ürünün raf ömrünü, rengini ve çözünürlüğünü bozar. Çikolatacı beyaz şeker ister, meşrubatçı berrak şurup ister. Rafinerinin işi, o son yüzde 2'yi kovalamaktır.

Ham şekerin içindeki kir nereden gelir

Pancardan gelen ham şeker, aslında yarı mamuldür. Fabrikada pancar dilimlenir, sıcak suyla difüzyona sokulur ve şekerli su çıkarılır. Suya kireç ve karbondioksit verilir. Kireç, proteinleri ve pektini çöktürür. Karbonatlaşma kazanında pH 11 civarına çıkarılır, sonra kükürt dioksit ile 7'ye düşürülür.

pH salınımı, renk verici bileşiklerin çoğunu bağlar. Ama hepsini değil. Kalan melanoidinler ve karamelize şekerler, ham şekerin içinde rafineriye kadar taşınır. Kamış şekeri tarafında ise başka bir kir vardır. Kamışın doğal polisakkaritleri, nişasta ve dekstran, filtrasyonu tıkayan jölemsi bir tabaka oluşturur.

Rafineriye giren ham şekerin rengi, çözelti halinde ölçülür. Uluslararası standart olan ICUMSA birimiyle ifade edilir. Ham şeker tipik olarak 800-1500 ICUMSA aralığındadır. Rafine beyaz şeker ise 45'in altına inmek zorundadır. Bu, kabaca otuz katlık bir renk düşüşü demektir.

ICUMSA ölçümü, 420 nanometre dalga boyunda yapılır. Bu, mavi ışığın dalga boyudur ve sarı-kahve tonlarını en keskin yakalayan banttır. Numune, standart bir küvet içinde spektrofotometreye verilir. Sonuç, çözeltinin brix değerine bölünerek normalize edilir. Yani ölçüm, sadece renge değil, şurubun yoğunluğuna da bağlıdır. Aynı renk, daha yoğun bir şurupta daha düşük ICUMSA verir.

Kireç ve karbonun yaptığı iş

Rafinasyonun ilk istasyonu, "defekasyon" adı verilen kireçleme kazanıdır. Ham şeker eritilir, yaklaşık yüzde 65 brix konsantrasyonunda bir şurup elde edilir. Brix, çözeltideki çözünmüş kuru madde yüzdesidir. Şuruba kalsiyum hidroksit eklenir ve pH 11-12 bandına çıkarılır. Kireç, proteinleri, pektini ve fosfatları çöktürür.

Ardından karbonatlaşma kazanına geçilir. Buraya karbondioksit gazı verilir. Gaz, kireçle reaksiyona girip kalsiyum karbonat oluşturur. Kalsiyum karbonat, ince bir çökelek halinde şurubun içinde gezinir ve renk verici molekülleri yüzeyine tutar. Bu, kimyanın en eski numaralarından biridir. Bir katı yüzey, çözeltideki renkli molekülleri adsorbe eder.

Filtrasyon sonrası şurup, kükürt dioksit ile muamele edilir. Kükürt, kalan rengi açar ve pH'ı 7 civarına çeker. Aşamada şurup artık "ince şurup" adını alır. Rengi hala 100-200 ICUMSA bandındadır. Beyaz şeker için bu yeterli değildir. Şurup, kemik kömürü ya da aktif karbon kolonlarından geçirilir.

Kemik kömürü, adı üstünde hayvan kemiklerinin yakılmasıyla elde edilir. Gözenekli yapısı, renk verici molekülleri ve kalan külü tutar. Bir kolon, tipik olarak 12-24 saat çalışır, sonra rejenere edilir. Rejenerasyon, 900 dereceye kadar ısıtma gerektirir. Bu, rafinerinin en pahalı yardımcı işlemlerinden biridir.

Tavada kristalin doğduğu an

Rafinasyonun kalbi, vakum tavasıdır. İçine konulan şurup, düşük basınç altında 60-70 derecede kaynatılır. Düşük basınç, kaynama noktasını düşürür ve şekerin yanmasını engeller. Şurup aşırı doygun hale geldiğinde, operatör tavaya "aşı" adı verilen ince kristal tozu verir.

Aşı, kristal büyümesinin çekirdeğidir. Verilmezse şurup kendiliğinden, kontrolsüz bir anda kristalleşir ve iri, düzensiz taneler oluşur. Aşı verildiğinde ise kristaller kontrollü büyür. Tava operatörü, aşırı doygunluk katsayısını 1,15-1,25 bandında tutar. Katsayı 1,3'ü geçerse yeni çekirdekler doğar ve tane boyutu dağılır.

Aşırı doygunluk katsayısı, şurubun çözünmüş şeker konsantrasyonunun, aynı sıcaklıktaki doygunluk konsantrasyonuna oranıdır. Katsayı 1,0 ise şurup tam doygun, 1,2 ise yüzde 20 fazla şeker taşıyor demektir. Fazlalık, kristalin büyümesini besler. Ama katsayı 1,3'ü aşarsa şurup kendi kendine çekirdek üretmeye başlar. Buna "yanlış tane" denir ve parti ıskartaya çıkar.

Kristal büyümesi sırasında tavaya besleme şurubu sürekli eklenir. Su buharlaşır, şeker kristale geçer, safsızlıklar ana çözeltide kalır. Ana çözeltiye "melas" denir. Tava boşaltıldığında elinde kristal ve melas karışımı vardır. Santrifüjde ayrılırlar. Kristal kalır, melas kaçar.

Bir tavanın bir partisi kabaca 40-60 ton şurup işler. Partiden çıkan kristal verimi, ham şekerin kalitesine göre yüzde 55-65 arasında değişir. Kalan kısım melasa gider. Melasın içindeki şeker geri kazanılmaya çalışılır ama bir noktadan sonra ekonomik olmaz.

Tava operatörünün en kritik kararı, "kesme" anıdır. Parti, hedeflenen tane boyutuna ulaştığında operatör tavayı boşaltır. Kesme çok erken olursa taneler küçük kalır ve yüzey alanı artar. Yüzey alanı artınca santrifüjde yıkama suyu daha çok safsızlık çözer. Kesme çok geç olursa taneler irileşir ve ambalaj standardını tutmaz. Küp şeker için hedef tane boyutu tipik olarak 0,6-0,8 milimetre arasındadır.

Melasın dibindeki kayıp

Melas, rafinerinin en büyük ekonomik sızıntısıdır. İçinde hala yüzde 45-50 oranında sakaroz vardır. Ama bu şeker, yüksek kül ve renk verici madde yükü nedeniyle beyaz şekere dönüştürülemez. Rafineri bu melası hayvan yemi katkısı, fermantasyon hammaddesi veya etanol üretimi için satar.

Melasın şeker içeriğini düşürmek için iki yol vardır. Birincisi, tavayı daha uzun süre çalıştırmak. İkincisi, melası yeniden eritip ikinci bir kristalizasyon turuna sokmak. İkinci turda çıkan ürüne "B şekeri" denir. Şekerin rengi daha koyudur ve tekrar rafine edilmesi gerekir.

Melasın viskozitesi, ikinci turun önündeki en büyük engeldir. Melas, oda sıcaklığında bala benzer bir akışkanlığa sahiptir. İçindeki kül ve organik madde oranı yüzde 10'u geçtiğinde, kristal büyümesi neredeyse durur. Şeker molekülleri, kristal yüzeyine ulaşmak için bu koyu çorbayı geçmek zorundadır. Difüzyon hızı, viskoziteyle ters orantılıdır.

Rafinerinin verim hesabı burada karmaşıklaşır. Ham şekerden ne kadar beyaz şeker çıktığı, sadece tavanın performansına bağlı değildir. Buhar basıncı, soğutma suyu sıcaklığı, şurup konsantrasyonu ve santrifüj yıkama suyu miktarı hepsi sonucu etkiler. Bir fabrikada yüzde 92 verim normaldir. Yüzde 88'e düşerse müdahale gerekir.

Santrifüj aşaması da başlı başına bir kayıp noktasıdır. Kristal keki, yüksek devirde dönerken üzerine sıcak su püskürtülür. Su, kristalin yüzeyindeki melas filmi yıkar. Ama fazla su verilirse, kristalin kendisi de çözünür ve kaybolur. Tipik bir santrifüjde yıkama suyu, kek ağırlığının yüzde 3-5'i kadardır. Oran, verimi doğrudan belirler.

Piyasa Hafızası - 1974 şeker krizi

1974 yılında dünya şeker fiyatı, bir yıldan kısa sürede varil başına değil, libre başına 3 sentten 65 sente fırladı. ABD'de market rafları boşaldı, tüketiciler stok yapmaya başladı. Krizin tetikleyicisi tek bir olay değildi. Sovyetler Birliği'nin 1972'de ABD'den beklenmedik ölçüde büyük bir tahıl ve şeker alımı yapması, küresel stokları eritti. Aynı dönemde petrol fiyat şoku, gübre ve nakliye maliyetlerini yukarı çekti.

Rafineriler bu fiyat sinyaline kapasite artışıyla cevap veremedi. Yeni bir rafineri kurmak, izinlerden devreye almaya kadar 4-6 yıl sürer. Fiyat 1974'te zirve yaptıktan sonra 1975'te hızla çöktü. Yatırım kararı verenler, tesisi açtığında fiyatın dibinde olduğunu gördü.

Ders şudur. Rafineri kapasitesi, fiyat sinyaline değil, uzun vadeli talep eğrisine göre kurulur. Kısa vadeli fiyat hareketi, yatırım kararının en kötü rehberidir.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, günde 1.000 ton ham şeker işleyen temsili bir rafinerinin bir günlük ekonomisini gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablodaki en hassas kalem, verimdir. Verim yüzde 92'den 88'e düşerse, üretilen beyaz şeker 40 ton azalır. Bu, 28.800 USD'lik gelir kaybı demektir. Brüt kar 46.400'den 17.600'e iner, marj yüzde 6,9'dan yüzde 2,6'ya çöker. Dört puanlık bir verim kaybı, karın yüzde 62'sini siler.

Aynı hassasiyet ham şeker fiyatında da vardır. Alış fiyatı 550'den 570'e çıkarsa, maliyet 20.000 USD artar. Marj yüzde 6,9'dan yüzde 3,7'ye düşer. Rafineri, hem girdi fiyatına hem verimine karşı çift taraflı açıktadır. O yüzden rafineriler uzun vadeli tedarik sözleşmesi yapar ve tava operatörünü en kıdemli personel arasında tutar.

Enerji kalemi de sessiz bir tuzaktır. Buhar maliyeti, doğalgaz fiyatına bağlıdır. Doğalgaz yüzde 30 artarsa, enerji maliyeti 38.000'den 49.400'e çıkar. Brüt kar 46.400'den 35.000'e iner. Rafineriler bu yüzden kendi kojenerasyon tesislerini kurar ve buharı kendi üretir.

Üç katmanlı okuma

Birinci ders, rafinerinin karının hacimde değil verimde olduğudur. Bin ton ham şeker işlemek, dokuz yüz yirmi ton beyaz şeker çıkarmak anlamına gelmez. Aradaki fark, tavanın sıcaklık eğrisinde, santrifüjün yıkama suyunda ve melasın dibinde saklıdır.

İkinci ders, kapasitenin zamana yayılmış bir bahis olduğudur. 1974'te fiyat zirvesinde yatırım kararı verenler, tesisi açtığında fiyatın çöktüğünü gördü. Rafineri, kısa vadeli fiyat sinyaline göre kurulmaz.

Üçüncü ders, tedarik zincirinin en kırılgan halkasının ham madde değil, dönüşüm verimi olduğudur. Pancar tarlada yetişir, kamyonla gelir, ama beyaz şeker tavada doğar. O tavadaki birkaç derecelik sapma, tonlarca ürünün kaderini belirler.