Derin Okuma — Süt Tozu Sprey Kurutma

Kulenin tepesinden düşen süt

Yirmi beş metre yüksekliğinde, paslanmaz çelikten bir silindir düşün. Tepesinde bir püskürtme memesi, içinde 180 santigrat dereceye yakın kuru hava, dibinde ise sürekli toplanan ince bir toz tabakası. İçeri giren şey sıvı süt. Dışarı çıkan şey, elinle dokunduğunda un gibi dağılan beyaz bir toz.

Aradaki mesafe on, en fazla otuz saniye. Kısa yolculukta süt, yüzde seksen yedi oranında suyundan kurtulur. Peki bir sıvı, bu kadar kısa sürede nasıl toza dönüşür ve neden bu yöntem, yüz yıldır gıda sanayisinin belkemiği olmayı sürdürüyor?

Suyu uçurmak, sütü yakmamak

Sütü kaynatıp suyunu buharlaştırmayı düşün. Tencerede saatler geçer, süt önce kaymak bağlar, sonra proteinleri bozulur, rengi koyulaşır, tadı yanık bir hal alır. Sprey kurutma bu sorunu, temas süresini kısaltarak çözer.

Mantık şudur. Bir sıvıyı milyonlarca küçük damlacığa bölersen, toplam yüzey alanı devasa büyür. Bir litre sütü tek bir damla olarak düşünürsen yüzeyi birkaç santimetrekare. Aynı litreyi on mikrometre çapında damlacıklara bölersen, toplam yüzey alanı bir futbol sahasına yaklaşır. Su, bu geniş yüzeyden neredeyse anında buharlaşır.

Kritik nokta şu. Buharlaşma, damlacığın yüzeyinde bir soğuma etkisi yaratır. Damlacık içindeki sıcaklık, kuru hava 180 derece olsa bile, su buharlaştığı sürece 60-70 derece bandında kalır. Sütün proteinleri bu sıcaklıkta bozulmaz. Su bitince damlacık sıcaklığı hızla yükselir ama o noktada zaten kuru toz oluşmuştur ve kule dibine düşer. İşin sırrı, ısıyı değil, ısının suyu ne kadar hızlı kovaladığını yönetmekte.

Damlacık nasıl doğuyor

Süreç, konsantre sütün kule tepesine pompalanmasıyla başlar. Buradaki süt, önce bir buharlaştırıcıda yüzde 12 kuru madde seviyesinden yüzde 45-50 seviyesine çıkarılır. Yani kuleye giren şey zaten yarı yoğunlaşmış bir sıvıdır. Ön adım, kulenin enerji yükünü kabaca yarıya indirir.

Buharlaştırıcı, çok etkili bir vakum sistemidir. İlk etkte 70 derece civarında kaynayan süt, ikinci etkte bir önceki etkin çıkış buharıyla ısıtılır. Yedi etkli bir buharlaştırıcı, bir kilogram buhar ile altı kilogramdan fazla suyu uçurabilir. Bu, tesisteki en büyük tek enerji tasarrufu kalemidir. Konsantre çıkışı, 45-50 derece sıcaklıkta ve yüzde 45-50 kuru maddede tutulur.

Kule tepesindeki nozul ya da döner disk, bu konsantreyi damlacıklara böler. Nozul sistemlerinde 150-250 bar basınçla sıkıştırılan sıvı, milimetrenin yüzde biri çapında deliklerden geçerken parçalanır. Döner disk sistemlerinde ise 15.000-25.000 devir/dakika hızla dönen bir çark, sıvıyı merkezkaç kuvvetle savurur. İki yöntem de aynı hedefe gider. Damlacık ne kadar küçükse, kuruma o kadar hızlı, ama toz o kadar ince ve toz toplama sistemi o kadar zorlanır.

Damlacık boyutu dağılımı, sürecin en yanlış anlaşılan değişkenidir. Ortalama çap 50-150 mikrometre bandında tutulur. Çap 20 mikrometrenin altına inerse toz siklonlardan kaçar, filtre yükü artar, kayıp yüzde 5'i aşar. Çap 300 mikrometreyi geçerse damlacığın merkezi kurumadan kule dibine düşer, toz nemli ve yapışkan çıkar. Yani atomizasyon, sadece "küçültmek" değil, dar bir pencereyi korumaktır.

Nozul aşınması, bu pencerenin sessiz düşmanıdır. Yüksek basınçla akan konsantre, tungsten karbür ya da elmas uçlu nozulun deliğini yavaşça genişletir. 500-800 saatlik çalışmadan sonra delik çapı yüzde 5-10 büyür. Bu, damlacık boyutunu yukarı çeker, ortalama çap 150 mikrometreyi aşar ve toz irileşir. Operatör bunu fark etmez, sadece "toz akışkanlığı bozuldu" der. O yüzden düzenli nozul değişimi, kalite yönetiminin görünmez kalemidir.

Hava ile damlanın buluşması

Kule içindeki hava, genellikle bir ısıtıcıdan geçirilerek 160-220 derece aralığında içeri verilir. Hava akışı ile damlacık akışı ya aynı yönde (eş akımlı) ya da ters yönde (karşı akımlı) düzenlenir. Eş akımlı tasarımda en sıcak hava, en yaş damlacıkla buluşur. Bu, yüzeyde ani buharlaşma ve ani soğuma demektir. Karşı akımlı tasarımda ise kuru toz, en sıcak havayla son temasını yapar. Bu, daha iyi nem giderme sağlar ama yanma riskini artırır.

Türkiye ve Avrupa'daki büyük süt tozu tesislerinin çoğu, eş akımlı çok aşamalı kuleleri tercih eder. İlk aşamada kule içindeki nem, tozu yüzde 6-8 seviyesinde bırakır. İkinci aşamada, kule dibine yerleştirilmiş akışkan yatak, 60-80 derece sıcaklıktaki havayla tozu son neme indirir. Üçüncü aşamada ise harici bir akışkan yatak ya da vibro-kurutucu, tozu yüzde 3 seviyesine çeker. Kademeli yaklaşım, kulenin boyunu yarıya indirir ve toplam enerji tüketimini yüzde 20-25 düşürür.

Çıkış havası sıcaklığı, sürecin en kritik kontrol değişkenidir. Genellikle 80-95 derece bandında tutulur. Değer düşerse toz nemli kalır ve akışkanlığını yitirir. Yükselirse tozda yanık tat oluşur. Operatörün elindeki asıl ayar, giriş sıcaklığı değil, çıkış sıcaklığıdır. Giriş sıcaklığı bir tavan değeri verir, çıkış sıcaklığı ise kurumanın bittiği yeri işaret eder.

Kule içindeki kalış süresi de bir bütçedir. Damlacık, kule boyunca ortalama 15-40 saniye asılı kalır. Süre, kule yüksekliği ve hava hızıyla belirlenir. Hava hızı 0,2-0,5 metre/saniye bandında tutulur ki damlacık yeterince yavaş düşsün. Hız artarsa damlacık kuleyi çabuk terk eder, nem kalır. Hız düşerse toz kule duvarına yapışır, zamanla yanar ve ürüne karışır. Duvar birikintisi, tesislerin en sık yaşadığı kalite sorunudur.

Duvar birikintisinin kimyası ilginçtir. Kule duvarına yapışan toz, sıcak yüzeyle temas ettiğinde Maillard reaksiyonuna girer. Protein ve laktoz, sıcaklıkla birlikte kahverengileşir. Birikinti zamanla sertleşir, bir gün kendiliğinden kopar ve ürün akışına karışır. Tek bir kahverengi parçacık, bir torba tozu geri çağırma sebebi olabilir.

O yüzden kuleler, vardiya aralarında otomatik yıkama sistemleriyle (CIP) temizlenir. Asidik ve bazik döngü, 80-90 derece sıcaklıkta 30-45 dakika sürer.

Tozun toplanması ve son işlem

Kule dibine düşen toz, siklon ayırıcılarda ve torbalı filtrelerde havadan ayrılır. Siklon, dönen hava akımıyla iri partikülleri savurup dibe indirir. Filtre ise mikron altı ince tozu tutar. İki aşamanın verimi, tesisin toplam randımanını belirler. İyi bir tesiste toz kaybı yüzde 1-2'nin altındadır.

Siklonun kesme noktası, tipik olarak 5-10 mikrometre bandındadır. Yani 10 mikrometreden iri partiküller siklon dibine iner, altındakiler üst akıntıyla filtreye gider. Torbalı filtrede kullanılan bez tipi, sıcaklığa ve neme göre seçilir. Polyester bez 130 dereceye kadar dayanır, aramid bez 200 dereceye. Filtre delikleri zamanla tıkanır, basınç farkı 1.500-2.000 paskal seviyesine çıktığında ters jet temizliği devreye girer. Otomatik döngü, tesisin sessiz ama pahalı bir kalemidir.

Toplanan toz, gıda uygulamasına göre farklı işlemlerden geçer. İçme sütü tozunda lektinasyon (tozun kendi nemiyle topaklanıp sonra kurutulması) uygulanır ki suya atıldığında topaklanmadan çözünsün. Lektinasyon, tozun yüzeyine buhar püskürtülmesiyle başlar. Yüzey nemlenir, partiküller birbirine yapışır, ardından akışkan yatakta kurutulur. Sonuç, 200-400 mikrometre çapında gözenekli aglomeradır. Toz, suya atıldığında içine su girer, partikül parçalanır, topaklanma olmaz.

Bebek maması üretiminde ise toz, 200-400 bar homojenizasyon ve ısıl işlemle patojen riskinden arındırılır. Ürünlerde Cronobacter sakazakii, kritik bir tehlikedir. Toz, ısıl işlemden sonra aseptik koşullarda paketlenir. Her ürün tipi, kulenin parametrelerini baştan ayarlamayı gerektirir. Aynı kule, bir hafta içme sütü tozu, sonraki hafta bebek maması üretebilir. Geçiş temizliği, üretim planlamasının en zor kısmıdır.

Tozun nem içeriği, raf ömrünü doğrudan belirler. Standart içme sütü tozunda nem yüzde 2,5-4 aralığında tutulur. Nem yüzde 5'i geçerse Maillard reaksiyonu hızlanır, toz sararır ve tat bozulur. Yüzde 2'nin altına inerse toz higroskopik (nem çekici) hale gelir, ambalaj açıldığı anda havadan nem emer ve topaklanır. O yüzden paketleme, nem kontrollü odalarda yapılır. Paket içi bağıl nem, yüzde 40'ın altında tutulur.

Su aktivitesi (aw), nem yüzdesinden farklı bir kavramdır. Nem, toplam su miktarını söyler. Su aktivitesi ise o suyun ne kadarının mikroorganizmalar tarafından kullanılabilir olduğunu gösterir. Süt tozunda aw değeri 0,2-0,3 bandındadır. Düşük değer, bakterilerin çoğalmasını engeller.

Ama aw 0,4'ü aşarsa küf ve maya riski başlar. O yüzden raf ömrü testleri, sadece nem değil, su aktivitesi üzerinden yürütülür.

Enerji nerede kayboluyor

Bir sprey kurutucunun enerji tüketimi, büyük ölçüde suyu buharlaştırmaya gider. Bir kilogram suyu buharlaştırmak teorik olarak yaklaşık 2.260 kilojoule enerji ister. Gerçek tesiste, ısı kayıpları ve hava ısıtma verimsizliği nedeniyle bu rakam 3.500-4.500 kilojoule bandına çıkar. Yani her kilogram toz için harcanan enerjinin yüzde 60-70'i, sadece suyu uçurmaya gider.

O yüzden modern tesisler, çıkış havasının ısısını bir geri kazanım ünitesiyle giriş havasına aktarır. Yüzde 50-60 ısı geri kazanımı, toplam enerji faturasını kabaca üçte bir oranında düşürür. Bir başka yol, çok aşamalı kurutmadır. Kule çıkışındaki nemli toz, ayrı bir akışkan yatak kurutucuda son nemini kaybeder. Bu, kulenin boyunu kısaltır ve enerjiyi düşürür.

Enerji hesabında gözden kaçan kalem, hava ısıtmanın kendisidir. Kuleye verilen hava, ortam sıcaklığından 180 dereceye çıkarılır. Isıtma, buharlaşma enerjisinin yanında küçük görünür ama sürekli bir yüktür. Bir tesiste toplam enerjinin yüzde 15-25'i, sadece havayı ısıtmaya gider. O yüzden giriş havasını ön ısıtan reküperatörler, marj üzerinde doğrudan etkilidir.

Enerjinin ikinci büyük kalemi, fanlar ve pompalardır. Bir sprey kulesi, saatte 30.000-80.000 metreküp hava hareket ettirir. Hava debisi, yüksek statik basınca karşı çalışan büyük radyal fanlarla sağlanır. Fan motoru, 200-500 kilovat gücünde olabilir. Bu, tesisin toplam elektrik yükünün yüzde 20-30'una denk gelir. Günlük 100 ton süt işleyen bir hatta, fan elektriği tek başına yılda milyonlarca liralık bir kalem oluşturur.

Isı pompası entegrasyonu, son yılların en dikkat çeken yatırımıdır. Çıkış havası 80-95 derece bandında olduğu için, bir ısı pompası bu düşük sıcaklık ısıyı toplayıp giriş havasını 60-70 dereceye ön ısıtabilir. Bu, doğrudan yakıt tüketimini azaltır. Ama yatırım maliyeti yüksektir, geri ödeme süresi 4-6 yıl bandındadır. O yüzden yalnızca büyük ölçekli tesisler bu yatırımı yapar.

Piyasa Hafızası - 2013'te Yeni Zelanda'nın süt tozu krizi

Ağustos 2013'te Yeni Zelanda'nın en büyük süt kooperatifi Fonterra, bir üretim tesisinde kullanılan whey protein konsantresinde botulizm bakterisi şüphesi tespit etti. Şirket, bu partiyi kullanan ürünleri geri çağırdı ve ihracatı geçici olarak durdurdu. Yeni Zelanda, dünya süt tozu ihracatının yaklaşık üçte birini karşılıyordu. Haber, küresel süt tozu fiyatlarını birkaç gün içinde yüzde 10'un üzerinde sıçrattı.

Sonradan yapılan testler, şüphelenilen organizmanın botulizm değil, zararsız bir tür olduğunu gösterdi. Ama piyasa etkisi çoktan gerçekleşmişti. Ders şudur. Süt tozu, dünya gıda ticaretinde bu kadar merkezi bir ürün olduğu için, tek bir tesisin tek bir partisindeki kalite sorunu, küresel fiyatları saniyeler içinde oynatabiliyor. Sprey kurutma, sadece bir mühendislik süreci değil, aynı zamanda bir tedarik zinciri riski yönetimidir.

Küçük Bir Hesap

Temsili bir tesiste, günde 100 ton sıvı süt işleyen bir sprey kurutma hattının ekonomisine bakalım. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Duyarlılık burada başlıyor. Kule çıkış sıcaklığını 5 derece düşürürsen toz nemi yükselir, akışkanlık bozulur, paketleme hattı tıkanır. 5 derece yükseltirsen enerji tüketimi artar ve yanık tat riski doğar. 500 TL ekler. 500 TL daha düşürür.

Bir başka duyarlılık, nozul aşınmasıdır. Nozul deliği yüzde 10 genişlediğinde ortalama damlacık çapı yüzde 5-7 büyür. Bu, tozun irileşmesi, akışkanlığın bozulması ve paketleme hatlarında tıkanma demektir. Aynı zamanda kule çıkış nemi yüzde 0,3-0,5 puan artar. Bu, akışkan yatakta ek kurutma yükü doğurur. Aylık nozul değişim maliyeti, toplam bakım bütçesinin yüzde 8-12'sini oluşturur.

İki iyileştirme birleştiğinde, brüt marj yüzde 28'den yüzde 31'e çıkar. Küçük görünen bu fark, yılda milyonlarca lira demektir.

Üç katmanlı okuma

1. Mühendislik katmanı. Sprey kurutma, damlacık boyutu, hava sıcaklığı ve temas süresi arasındaki hassas dengedir. Çıkış sıcaklığı, sürecin tek en kritik kontrol değişkenidir. Nozul aşınması, kule sıcaklığından daha sessiz ama en az onun kadar pahalı bir değişkendir.

2. Enerji katmanı. Maliyetin belkemiği, suyu buharlaştırmaya harcanan enerjidir. Isı geri kazanımı ve çok aşamalı kurutma, marjı doğrudan belirler. Fan elektriği ve buharlaştırıcı etkileri, toplam faturayı belirleyen görünmez kalemlerdir.

3. Tedarik zinciri katmanı. Süt tozu, küresel gıda ticaretinin merkezinde durur. Tek bir tesisin kalite sorunu, dünya fiyatlarını oynatabilir. 2013 Yeni Zelanda vakası bunun kanıtıdır.

Bir kuleye giren sıvı süt, on saniye içinde toz olur. Ama o tozun fiyatı, kulenin içinde değil, dünyanın dört bir yanındaki alıcıların ekranında belirlenir.