Süt Eşanjörleri ve Süt Tozu Eşanjörleri

Süt Eşanjörleri ve Süt Tozu Eşanjörleri

Süt Eşanjörleri ve Süt Tozu Eşanjörleri: Detaylı Teknik Bilgiler

Süt endüstrisinde ısı değişimi, süt eşanjörleri ve özellikle süt tozu eşanjörleri ile sağlanır. Bu özel ısı eşanjörleri, sütün veya süt ürünlerinin güvenli ve verimli bir şekilde ısıtılması, soğutulması ve işlenmesi için kritik öneme sahiptir. Bu makalede, süt eşanjörlerinin ve süt tozu üretiminde kullanılan eşanjörlerin malzeme özelliklerinden çalışma prensiplerine, tasarım inceliklerinden verimlilik kriterlerine ve bakım süreçlerine kadar derin teknik detaylar ele alınacaktır. Sade ve anlaşılır bir dille, ancak teknik ayrıntılardan ödün vermeden hazırlanan bu içerik, sektör profesyonelleri için kapsamlı bir kaynak niteliğindedir.

 Tanım ve Genel Bakış

Süt eşanjörleri, süt ve süt ürünlerinin ısıtılması veya soğutulması işlemlerinde kullanılan ısı değiştirici sistemlerdir. Bu sistemler, iki akışkan arasında (örneğin süt ve ısıtıcı akışkan veya süt ve soğutucu akışkan) ısı transferini gerçekleştirerek sütün istenen sıcaklığa getirilmesini sağlar. Isı eşanjörleri, pastörizasyon, sterilizasyon (UHT gibi) veya soğutma gibi süreçlerde sütü hızlı ve kontrollü şekilde ısıtıp soğutabilme kabiliyetine sahiptir. Süt eşanjörlerinin kullanımı, hem ürün kalitesini korumak hem de enerji verimliliği sağlamak açısından endüstride vazgeçilmezdir.

Süt tozu eşanjörleri ise sütü toz haline getirme sürecinde devreye giren özel ısı değiştiricilerdir. Süt tozu üretimi, sütün su içeriğinin büyük bölümünün buharlaştırılarak uzaklaştırılması ve geriye kalan konsantre sütün kurutulması ile gerçekleştirilir. Bu işlem aşamalarında, süt tozu eşanjörleri sütü buharlaştırmak için ısı sağlayan evaporatörler veya kurutma havasını ısıtan sistemler olarak görev yapar. Süt tozu eşanjörleri, sütü düşük basınç (vakum) altında ve nispeten düşük sıcaklıklarda yoğunlaştırarak hem enerji tasarrufu yapar hem de sütün besin değerini ve kalitesini mümkün olduğunca korur.

Genel olarak süt eşanjörleri, gıda endüstrisinde hijyenik tasarım ilkelerine uygun olarak üretilir. Bu, sütün temas ettiği tüm yüzeylerin gıda ile uyumlu malzemelerden yapılması, yüzeylerin pürüzsüz olması ve temizlenebilirliğin yüksek olması anlamına gelir. Ayrıca, ısı eşanjörleri tasarımları gereği kapalı sistemler olduğundan, sütün dış ortamla teması engellenir ve kontaminasyon riski en aza indirilir. Süt ve süt tozu eşanjörlerinin doğru seçimi ve kullanımı, hem ürün güvenliği hem de işletme verimliliği açısından önem taşır.

 Süt Eşanjörlerinde Kullanılan Malzemeler 

Süt ve gıda ürünleriyle temas eden ekipmanların malzeme seçimi, hijyen ve dayanıklılık açısından kritiktir. Süt eşanjörlerinde kullanılan malzemeler, hem gıda güvenliği standartlarını karşılamalı hem de ısı transferi, basınç ve korozyon dayanımı gibi teknik gereksinimleri sağlamalıdır.

Paslanmaz Çelik (AISI 304/316): Süt eşanjörlerinin ana malzemesi genellikle yüksek kaliteli paslanmaz çeliktir. Özellikle AISI 316 veya AISI 316L kalite paslanmaz çelik, süt ve süt ürünlerinin içerdiği bileşenlere karşı mükemmel korozyon direnci gösterir. Bu çelik türü, temizlikte kullanılan kimyasalların (kostik soda, asitler vb.) ve sütün içindeki tuzların etkilerine karşı dayanıklıdır. Gövde, plakalar ve borular gibi sütün temas ettiği tüm yüzeyler bu paslanmaz çelikten imal edilir. Paslanmaz çelik, pürüzsüz yüzeyi sayesinde mikrop barındırmaz ve kolay temizlenebilir, bu da hijyenik tasarımın temelini oluşturur.

Conta ve Sızdırmazlık Elemanları: Plakalı eşanjörlerde plakalar arasına yerleştirilen contalar, sıvıların karışmasını engelleyen kritik malzemelerdir. Bu contalar genellikle gıda uyumlu elastomerlerden yapılır. Örneğin, EPDM (Etilen Propilen Dien Monomer) veya NBR (Nitril Kauçuk) gıda endüstrisinde yaygın kullanılan conta malzemeleridir. EPDM, yüksek sıcaklıklara ve güçlü temizlik kimyasallarına dayanabildiği için süt pastörizasyonu gibi uygulamalarda tercih edilir. Contaların malzemesi, hem sıcaklık aralığına hem de sütün kimyasal bileşimine uygun seçilmelidir. Ayrıca bu contalar düzenli aralıklarla kontrol edilmeli ve gerektiğinde değiştirilmelidir; zira zamanla elastikiyetlerini kaybedip sızdırmazlık özelliğini yitirebilirler.

Yüzey Kaplamaları ve Bitirimi: Süt eşanjörlerinde, ısı transfer yüzeylerinin pürüzsüzlüğü ve temizlenebilirliği için genellikle yüzeyler özel olarak parlatılır veya elektropolisaj uygulanır. Elektropolisaj, paslanmaz çelik yüzeyini mikroskopik düzeyde düzleştirerek daha az pürüzlü hale getirir. Bu sayede mikroorganizmaların veya ürün artıklarının yüzeye tutunması zorlaşır ve temizlik kolaylaşır. Bazı uygulamalarda, aşınmayı azaltmak veya yapışmayı engellemek amacıyla teflon kaplama veya benzeri özel kaplamalar da kullanılabilir; ancak bu, süt eşanjörlerinde nadirdir çünkü genellikle paslanmaz çelik kendi başına yeterli performansı gösterir.

Diğer Malzeme ve Bileşenler: Eğer sistemde borulu (gövde-borulu) bir eşanjör kullanılıyorsa, boruların malzemesi de yine paslanmaz çeliktir. Boru demetini taşıyan tüp levhaları, eşanjör gövdesi, bağlantı flanşları gibi parçalar da korozyona dayanıklı malzemeden yapılmalıdır. Yine, sistemdeki contaların yanı sıra vanalar, bağlantı elemanları ve contalar gibi diğer yardımcı ekipmanlar da gıda ile uyumlu olmalıdır. Örneğin, süt ile temas eden vanaların conta kısımları ve iç yüzeyleri de paslanmaz çelik ve gıda sınıfı plastik/polimer malzemelerinden üretilir.

Özetle, malzeme seçimi süt eşanjörlerinin dayanıklılığı, güvenliği ve ömrü üzerinde doğrudan etkilidir. Gıda standartlarına uygun paslanmaz çelik ve elastomerler kullanılarak imal edilen süt eşanjörleri, hem uzun süreli kullanımda korozyona karşı direnç gösterir, hem de ürünle temas eden yüzeylerde istenmeyen madde geçişini engelleyerek süt ürünlerinin saflığını korur.

 Çalışma Prensibi ve Isı Transferi Temelleri

Süt eşanjörlerinin çalışma prensibi, temel ısı transferi ilkelerine dayanır. Genel olarak bir ısı eşanjörü, sıcak bir akışkandan soğuk bir akışkana ısı aktarmak üzere tasarlanmıştır. Süt işlemelerinde, genellikle süt bir tarafta, ısıtıcı veya soğutucu bir akışkan (örneğin sıcak su, buhar ya da soğuk su, glikol çözeltisi vb.) diğer tarafta dolaşır. İki akışkan birbiriyle karışmadan, ince bir metal yüzey (plaka veya boru duvarı) üzerinden ısı alışverişinde bulunur.

Isı Transferinin Mekanizması: Isı eşanjörlerinde ısı transferi üç temel mekanizmanın birleşimiyle gerçekleşir:

- İletim (Konduksiyon): Metal plaka veya boru duvarı, ısının bir taraftan diğerine iletilmesini sağlar. Örneğin, plakanın süt tarafı ısınınca, plakayı oluşturan metal sayesinde ısı diğer tarafa iletilir.

- Taşınım (Konveksiyon): Her iki akışkanda da, akışkanın hareketiyle ısı transferi hızlanır. Süt ve ısıtıcı akışkan yüzey boyunca akarken, sınır tabakadaki konvektif ısı transferi sayesinde ısı sürekli aktarılır. Akışın türbülanslı olması, konvektif ısı transfer katsayısını artırarak daha verimli bir ısı geçişi sağlar.

- Radyasyon (Işınım): Süt eşanjörlerinde genellikle ihmal edilebilir düzeydedir çünkü çalışma sıcaklıkları ve mesafeler radyasyonla ısı geçişini belirgin kılmayacak kadar düşüktür.

Pratikte süt eşanjörleri karşı akışlı (counter-current) ısı değişimi prensibiyle çalışır. Bu tasarımda, sıcak akışkan ile soğuk akışkan ters yönlerde akar. Karşı akış, eş akışlı (parallel) düzene göre çok daha verimli ısı transferi sağlar çünkü sıcaklık farkı ısı eşanjörü boyunca daha dengeli yüksek tutulur. Örneğin, bir plakalı pastörizatörde soğuk süt bir yönde akarken, sıcak su veya buhar ters yönde akar; bu sayede süt, eşanjör boyunca kademeli ve etkin bir şekilde ısınır.

Süt Eşanjörlerinde Isı Transfer Katsayısı: Isı transferinin performansı, toplam ısı transfer katsayısı (U değeri) ile ifade edilir. Bu katsayı, süt tarafı ve ısıtıcı/soğutucu tarafındaki konvektif ısı transferi ve plaka/boru duvarının iletim kabiliyetinin birleşik bir göstergesidir. Süt gibi suya benzer fiziksel özelliklere sahip akışkanlar için konvektif ısı transfer katsayısı genellikle yüksektir, ancak sütün içinde bulunan yağ ve protein gibi bileşenler farklı akış ve ısınma davranışları gösterebilir. Örneğin, süt ısındıkça proteinler denatüre olabilir ve bu durum uzun süreli çalışmada yüzeyde bir tabaka (kirlenme tabakası) oluşturabilir. Bu tabaka, ısı transfer katsayısını düşüren ek bir termal direnç yaratır (fouling direnci). Bu nedenle, süt eşanjörleri tasarlanırken sadece temiz yüzeylerle değil, belirli bir çalışma süresi sonrası kirlenmiş yüzeylerle de kabul edilebilir performans gösterecek şekilde tasarlanır.

Akış Dinamikleri ve Türbülans: Süt eşanjörlerinde, akışın karakteristiği (laminer veya türbülanslı oluşu) ısı transferini doğrudan etkiler. Türbülanslı akış, akışkan parçacıklarının karışmasını artırarak ısıyı daha hızlı yayar ve duvar üzerindeki sıcak/soğuk sınır tabakasını incelterek ısı transferini yükseltir. Bu yüzden plakalı eşanjörlerde plaka yüzeyleri genellikle dalgalı / gofrajlı bir desene sahiptir. Bu desen, süt ve diğer akışkanın plaka boyunca akarken sürekli yön değiştirmesine ve karışmasına yol açarak yüksek türbülans yaratır. Borulu eşanjörlerde de benzer şekilde, gerektiğinde boru içine yerleştirilen spiraller veya karıştırıcılar akışı türbülanslandırabilir. Ancak türbülansın artması, basınç düşüşünü de artırır; dolayısıyla pompa enerjisi ihtiyacı yükselir. Tasarım mühendisleri, ısı transferi ile basınç düşüşü arasında bir denge kurarak hem verimli hem de ekonomik bir akış tasarımı hedeflerler.

Özetle, süt eşanjörlerinin çalışma prensibi, iki akışkan arasında hızlı ve verimli bir ısı geçişi sağlamaktır. Bu prensip, doğru akış düzeni (tercihen karşı akış), uygun yüzey alanı ve malzeme, ile akışın türbülans seviyesinin optimize edilmesi ile hayata geçirilir. Sonuçta süt, istenen sıcaklığa getirilirken ürün kalitesi korunur ve enerji mümkün olduğunca verimli kullanılır.

 Tasarım Özellikleri ve Eşanjör Tipleri 

Süt endüstrisinde kullanılan ısı eşanjörleri, tasarım olarak çeşitli tiplere ayrılabilir. Her tasarımın kendine özgü avantajları ve uygulama alanları vardır. Süt ve süt tozu işlemlerinde en çok kullanılan eşanjör tipleri plakalı eşanjörler, borulu (gövde-borulu) eşanjörler ve özel durumlar için kazımalı yüzeyli eşanjörlerdir. Bu bölümde, bu tasarım tiplerinin özellikleri ve süt proseslerindeki rollerine değineceğiz.

 Plakalı Eşanjörler 

Plakalı ısı eşanjörleri, ince metal plakaların bir araya getirilmesiyle oluşan, yüksek verimli ısı değiştirici cihazlardır. Süt pastörizasyonu gibi uygulamalarda en yaygın kullanılan tiptir. Plakalı eşanjörlerin tasarım özellikleri ve avantajları şunlardır:

- Yüksek Isı Transfer Yüzeyi: Plakalar geniş bir yüzey alanı sağlar ve akışkanlar plakaların zıt yüzeylerinde ince film halinde aktığı için ısı transferi çok etkilidir. Plakaların dalgalı (gofrajlı) yapısı, yüzey alanını arttırdığı gibi türbülansı da yükselterek ısı transfer katsayısını ciddi oranda artırır.

- Modüler Yapı: Plakalı eşanjörler genellikle bir çerçeve içine sıkıştırılmış plaka paketlerinden oluşur. İhtiyaca göre plakaların sayısı artırılıp azaltılabilir. Bu modülerlik, istenen kapasiteye göre sistemin kolayca ölçeklendirilmesine imkân tanır.

- Contalı veya Kaynaklı Tasarım: Gıda sektöründe çoğunlukla contalı plakalı eşanjörler kullanılır. Her plaka etrafında elastomer contalar bulunur ve bu contalar akışkanların istenen kanallarda akmasını, birbiriyle karışmamasını sağlar. Contalar sayesinde eşanjör gerektiğinde sökülüp temizlenebilir. Alternatif olarak, bazı özel uygulamalarda kaynaklı plakalı eşanjörler kullanılabilir (plakalar arasında conta yerine kaynak vardır), ancak bunlar temizlik ve bakım açısından zorluk çıkarabileceği için süt gibi kir bırakabilen sıvılarda nadir tercih edilir.

- Yüksek Rejenerasyon Kabiliyeti: Plakalı eşanjörler, özellikle pastörizasyon sistemlerinde, aynı ünite içinde hem ısıtma hem soğutma işlemini yaparak enerji geri kazanımı sağlar. Örneğin, gelen soğuk süt ile giden sıcak (pastörize olmuş) sütü karşılaştırmalı akışta aynı plakalı eşanjör içinde temas ettirip, sıcak sütten soğuğa ısı aktararak rejeneratif ısı geri kazanımı yapılır. Bu sayede enerji tasarrufu %90'ların üzerine çıkabilir. Nitekim modern süt pastörizatörlerinde, pastörize sütün ısısının %94-95’i, çiğ sütü ön ısıtmada yeniden kullanılarak geri kazanılabilmektedir ([Süt ve Pastörizasyon Eşanjörleri Nelerdir?](https://www.erkproses.com/blog/post-sut-ve-pastorizasyon-esanjorleri-nelerdir:~:text=so%C4%9Futulmas%C4%B1%20gerekir,95%27i%20geri%20d%C3%B6n%C3%BC%C5%9Ft%C3%BCr%C3%BClebilir)).

- Kompakt ve Verimli: Plakalı eşanjörler, birim hacimde sağladıkları yüksek ısı transfer alanı sayesinde oldukça kompakt bir yapıya sahiptir. Bu da fabrika alanından tasarruf ve ekipmanın kolay entegrasyonu anlamına gelir. Ayrıca akışkanlar ince kanallarda aktığından, düşük hacimli ürün tutma özelliği vardır; yani içlerinde çok az miktarda ürün barındırır ve bu da ürün kayıplarını en aza indirir.

Plakalı eşanjörlerin tasarımında dikkat edilen bir diğer husus akış düzenlemesidir. Plakalar arasındaki kanallar genellikle seri veya paralel şekilde düzenlenerek istenen sıcaklık profili ve debi sağlanır. Örneğin, bir pastörizatörde ilk plakalar grubunda süt, sıcak pastörize süt ile ön ısıtılır (rejenerasyon bölgesi), sonraki plakalarda sıcak su/buhar ile istenen pastörizasyon sıcaklığına ulaşır (ısıtma bölgesi), ardından bir tutma tüpünde belirli süre bekletilip yine plakalı eşanjörde soğuk su ile soğutulabilir (soğutma bölgesi). Tüm bu işlemler tek bir plakalı eşanjör sistemi içinde farklı bölümlerde gerçekleşebilir.

Hijyenik tasarım gereği, plakalı eşanjörlerin tüm süt temas yüzeyleri kolay temizlenebilir ve ölü nokta barındırmayacak şekilde tasarlanmıştır. Plakalar arasındaki contalar sızıntı olduğunda dışarı akacak biçimde konumlanır; böylece süt ile ısıtıcı akışkanın karışması engellenir ve herhangi bir conta arızası hemen fark edilir. Bu, ürün güvenliği için kritiktir (özellikle eğer ısıtıcı akışkan olarak gıda-dışı bir sıvı veya kimyasal kullanılıyorsa sütün kirlenmesini önler).

 Borulu (Gövde-Borulu) Eşanjörler (H3: Daha Detaylı Alt Başlık)

Borulu eşanjörler, bir demet boru ile bu boruları saran bir gövde (kılıf) yapısından oluşur ve endüstride klasik ısı değiştirici tasarımlarından biridir. Süt endüstrisinde, özellikle partikül içeren ya da yüksek viskoziteli ürünlerde veya büyük kapasiteli UHT (Ultra High Temperature) sistemlerinde borulu tasarımlar tercih edilir. Borulu eşanjörlerin özellikleri şöyledir:

- Dayanıklılık ve Basınç Direnci: Borulu (gövde-borulu) eşanjörler, plakalılara göre daha yüksek basınç ve sıcaklık dayanımına sahiptir. Bu nedenle UHT sterilizasyon gibi 140°C civarı yüksek sıcaklıklara ulaşan ve sistemin basınçlandığı proseslerde güvenilir bir seçenektir. Ayrıca, viskozitesi yüksek ürünlerin (örn. konsantre süt, meyveli yoğurt karışımları vb.) pompajıyla oluşan yüksek basınç farklarını da tolere edebilir.

- Farklı Akışkan Düzenleri: Genellikle süt veya ürün boruların içinde, ısıtıcı/soğutucu akışkan ise gövde tarafında (boruların dışında) sirküle edilir. Borulu eşanjörlerde de ters akış (karşı akış) düzeni uygulanır: örneğin süt boru içinde bir yönde akarken, buhar veya sıcak su gövde içinde zıt yönde akar. Bu, ısı transfer verimliliğini maksimize eder.

- Borulu Eşanjör Tipleri: Süt uygulamalarında birkaç borulu tasarım görülebilir:

  - Çift Borulu Eşanjör: Bir borunun içinde bir başka boru olacak şekilde tasarlanır. Süt iç borudan, ısıtıcı akışkan dış boru ile kılıf arasından geçer. Temizlemesi kolay ve basit bir yapıdır, daha küçük kapasiteler için uygundur.

  - Çoklu Borulu (Demetli) Eşanjör: Bir tüp levhasına sabitlenmiş çok sayıda ince borudan oluşur. Bu demet, silindirik bir gövde içinde yer alır. Büyük ölçekli ısı transferi için kullanılır. Süt ya boruların içinde ya da bazı tasarımlarda dışında olabilir. Eğer süt boru içinde ise boru çapları, içinde akışı sağlamak ve kir birikimini minimize etmek üzere yeterince büyük seçilir.

  - Yükseltilmiş Yüzeyli Borular: Isı transferini arttırmak için boru yüzeyleri içinde veya dışında yivli/kanatçıklı yapılabilir. Ancak gıda uygulamalarında, özellikle süt gibi ürünlerde iç yüzeyde girinti çıkıntı hijyen açısından istenmez, bu yüzden kanatçıklar daha çok buhar tarafında (boru dışında) kullanılır.

- Temizlik ve Hijyen: Borulu eşanjörlerin temizliği plakalılara göre biraz daha zordur, çünkü plakalı eşanjörler tamamen açılıp plakalar tek tek temizlenebilirken borulu eşanjörler sabit bir demetten oluşur. Ancak CIP (Yerinde Temizlik) sistemleri ile borulu eşanjörlerin içi ve dışı etkin biçimde temizlenebilir. Boru demetinin tasarımı öyle yapılır ki tüm yüzeyler temizlik solüsyonlarının akışıyla temas edebilsin ve ölü bölgeler (akışın durgun kaldığı yerler) oluşmasın. Gerekirse belirli aralıklarla kimyasal sirkülasyon yanında basınçlı su veya buhar ile temizlik de yapılabilir.

- Özel Güvenlik Tasarımları: Süt uygulamalarında, özellikle steril ürün proseslerinde, çift cidarlı borular kullanılabilir. Örneğin, bazı UHT sistemlerinde her boru aslında iç içe geçmiş iki borudan oluşur; içteki boru sütün geçtiği asıl yüzeydir, dıştaki boru ise bir kılıf gibidir. İç boru çatlayıp sızıntı olursa, süt ile ısıtıcı ortamın karışması yerine aradaki boşluktan dış ortama sızıntı olur ve bu hemen tespit edilir. Bu sayede kontaminasyon riski ortadan kaldırılır (benzer prensip contalı plakalıda contaların sızdırmazlık düzenine benzer). Bu çift cidar tasarımı, özellikle bebek maması sütleri gibi kritik uygulamalarda tercih edilir.

Borulu eşanjörler, süt tozu üretiminde de evaporatör olarak kullanılır (örneğin düşen film evaporatör boruları). Bu konuya ilerleyen bölümlerde detaylı olarak değineceğiz. Genel olarak borulu eşanjörler, daha yüksek viskozite veya partikül ihtiva eden akışkanlar için, uzun çalışma süreleri ve daha zorlu şartlar için güvenilir bir seçenektir. Ancak ilk yatırım maliyeti ve yerleşim alanı, plakalılara göre daha yüksek olabilir, çünkü aynı ısıtma kapasitesini sağlamak için genellikle daha büyük bir ısı transfer yüzeyi (dolayısıyla daha büyük bir ekipman) gerekir.

 Kazımalı Yüzeyli Eşanjörler 

Bazı özel süt ürünleri proseslerinde veya çok yüksek katı madde içerikli akışkanlarda, kazımalı yüzeyli ısı eşanjörleri kullanılır. Kazımalı yüzeyli eşanjörlerde (İngilizce "scraped-surface heat exchanger"), ısı transfer yüzeyini sürekli temizleyen ve akışkanı karıştıran bir bıçak veya bıçaklar sistemi bulunur. Bu tasarım, özellikle yüksek viskoziteli veya kolayca yapışıp yanabilen ürünlerde etkilidir.

Süt endüstrisindeki kullanım alanlarına örnek vermek gerekirse:

- Dondurma Karışımı Dondurucuları: Bir tür kazımalı yüzeyli eşanjördür. Silindirik bir dondurma dondurucusunda, iç yüzeyde amonyak veya freon gibi soğutucu dolaşırken, içte dönen bir bıçak sistemi dondurmayı silindir yüzeyinden sürekli kazıyarak hem karıştırır hem soğutur. Bu sayede dondurma karışımı donarken yüzeye yapışmaz ve homojen bir doku kazanır.

- Tatlı ve Kremalar: Süt bazlı muhallebi, krem patiseri gibi ürünlerin pişirilmesinde de kazımalı yüzeyli ısıtıcılardan faydalanılır. Isıtma yüzeyi kazınarak karıştırıldığı için topaklanma ve yanma önlenir.

Kazımalı yüzeyli eşanjörlerin teknik özellikleri:

- Sürekli Yüzey Temizliği: Dönen bıçaklar veya paletler, ısı transfer yüzeyine yapışabilecek ürün tabakasını anında sıyırır. Bu, hem ısı transferini yüksek tutar (çünkü fouling tabakası oluşmaz veya minimize edilir) hem de ürünün yanarak kalitesinin bozulmasını engeller.

- Yüksek Viskoziteye Uygunluk: Akışkan çok koyu bile olsa (bal kıvamında dahi olsa), mekanik karıştırma ile akış sağlanır. Bu, normalde laminer akacak viskoz bir üründe efektif ısı transferini mümkün kılar.

- Kısıtlı Isı Transfer Alanı: Bu sistemler, hareketli parça içerdiği ve karmaşık olduğu için, genelde diğer eşanjörler kadar geniş bir yüzey alanı sağlamakta ekonomik değildir. Daha çok daha küçük debiler veya özel işlem adımları için kullanılır.

- Temizlik ve Bakım: Kazımalı yüzeyli eşanjörler de CIP ile temizlenebilir, ancak bıçak mekanizması nedeniyle temizliğin etkin olması için sistemin uygun şekilde dizayn edilmesi şarttır. Bazı tasarımlarda temizlik için bıçaklar çıkarılabilir. Ayrıca bu hareketli aksam periyodik olarak bakıma (bıçak değiştirme, motor/conta bakımı) ihtiyaç duyar.

Süt tozu üretiminde kazımalı yüzeyli eşanjörler pek yaygın değildir, çünkü süt tozu prosesinin ana kısımları (evaporasyon ve sprey kurutma) daha çok düşen film evaporatörler ve sıcak hava akımlarıyla yürütülür. Ancak, süt tozu üretimi öncesi çok yüksek konsantrasyonlu süt şurubunun son kademede koyulaştırılması gerekiyorsa veya yan ürün (örneğin sweetened condensed milk - şekerli kondanse süt) üretiminde, kazımalı tip evaporatörler nadiren de olsa kullanılabilir. 

Özetle, süt eşanjörlerinin tasarım özellikleri, kullanım amacına göre çeşitlilik gösterir. Plakalı eşanjörler hijyenik uygulamalarda yüksek verim ve esneklik sunarken, borulu eşanjörler zorlu koşullar ve büyük kapasiteler için sağlam çözümler sağlar. Kazımalı yüzeyli eşanjörler ise özel durumlar için bir niş çözüm olarak öne çıkar. Mühendislik bakış açısıyla, doğru eşanjör tipinin seçimi ürün özellikleri, işlem gereksinimleri ve hijyen koşullarının tümü göz önüne alınarak yapılmalıdır.

Verimlilik Kriterleri ve Isı Transfer Performansı 

Bir süt eşanjörünün başarısı, sadece ısı transferini gerçekleştirmesiyle değil, bunu ne kadar verimli ve süreklilikle yaptığıyla ölçülür. Verimlilik, enerji tüketimi, ısı geri kazanımı, uzun süre kararlı çalışabilme ve ürün kalitesini koruma gibi birçok unsuru kapsar. Bu bölümde, süt ve süt tozu eşanjörleri için önemli verimlilik kriterlerini ve ısı transfer performansına etki eden faktörleri inceleyeceğiz.

 Isı Transfer Katsayısı ve Akışkanlar Arası Sıcaklık Farkı (H3: Daha Detaylı Alt Başlık)

Isı eşanjörlerinde anlık ısı transfer hızı, temel olarak şu formül ile verilir: 

\[ Q = U \times A \times \Delta T_{\text{ort}} \]

Burada Q, aktarılan ısı gücünü (örneğin kW), U toplam ısı transfer katsayısını (kW/m²K), A ısı transfer yüzey alanını (m²), ve ΔT_ort iki akışkan arasındaki ortalama sıcaklık farkını (K veya °C) temsil eder. Bu formülden de görüldüğü gibi, yüksek verimlilik için:

- U katsayısının yüksek olması (iyi bir ısı transferi),

- Yüzey alanının ihtiyaca uygun ve mümkün olduğunca geniş olması,

- Sıcaklık farkının etkin bir şekilde kullanılması (özellikle rejenerasyon ile her iki akışkanın giriş-çıkış sıcaklıklarını optimize etmek) gerekir.

Isı Transfer Katsayısının Artırılması: Daha önce bahsedildiği gibi, akışın türbülanslı hale getirilmesi U katsayısını artırır. Bu nedenle verimli bir süt eşanjörü tasarımında plaka desenleri veya boru içi hız profilleri dikkatlice belirlenir. Ayrıca, malzeme kalınlığının minimum düzeyde tutulması (yeterli dayanım sağlanarak) ısı iletim direncini azaltır. İnce plakalar ve iyi bir ısı iletkenliğine sahip malzeme (paslanmaz çelik iyi iletken olmasa da ince yapıldığında iletim direnci düşüktür) tercih edilir. Gerekli görülen yerlerde, U değerini düşüren ölü bölgeler (durgun akışlı kısımlar) ortadan kaldırılarak her noktada akışkanların yeterli hızda akması sağlanır.

Sıcaklık Farkı ve Rejenerasyon: ΔT (sıcaklık farkı), eşanjör boyunca değişkendir, bu nedenle logaritmik ortalama sıcaklık farkı (LMTD) hesaplarda kullanılır. Ancak pratik bir yaklaşım olarak, eğer çıkışta sıcak akışkan çok soğumadan ve soğuk akışkan çok ısınmadan süreç yönetilirse, yüksek rejenerasyon sağlanabilir. Örneğin, çiğ sütü 4°C'den 72°C'ye ısıtıp pastörize ederken aynı anda pastörize sütü 72°C'den 10°C'ye soğutmak için kullanmak, harici enerji ihtiyacını minimuma indirir. Ne kadar fazla ısı geri kazanılırsa, o kadar az buhar veya sıcak su harcanır. Bu da termal verimlilik demektir. Süt tozu üretiminde de benzer şekilde, çok kademeli evaporasyon ile bir kademede üretilen buharı bir sonraki kademede ısıtma amaçlı kullanmak, her kademede taze buhar ihtiyacını azaltarak toplam enerji tüketimini düşürür.

Verimlilik Hesapları ve Performans Kriterleri: Süt eşanjörü performansı değerlendirirken bakılan bazı kriterler:

- Termal Verimlilik (%): Özellikle pastörizatörlerde, giriş-çıkış ısıları kullanılarak ne oranda ısı geri kazanıldığı hesaplanır. Bu, (rejenerasyonla kazanılan ısı / toplam ısı ihtiyacı) × 100 formülüyle ifade edilebilir.

- Basınç Düşümü (ΔP): Eşanjör içindeki akışkanların basınç kayıpları, pompa enerji tüketimini etkiler. Aşırı basınç kaybı, enerji maliyetini artırır ve bazı durumlarda akışkanın faz değişimine (örneğin süt içerisinde çözünmüş havanın çıkışında kabarcıklara) yol açabilir. İyi tasarlanmış bir sistemde, basınç düşümü, ısı transferini optimize edecek şekilde makul seviyede tutulur.

- Kapasite ve Ölçeklenebilirlik: Eşanjörün istenen debide ürünü işlemesi ve gerektiğinde kapasitenin artırılabilmesi de bir verimlilik konusudur. Modüler plakalı eşanjörler bu açıdan avantajlıdır çünkü kapasite artışında plakalar eklenebilir. Borulu eşanjörlerde ise yeni bir modül eklemek gerekebilir.

- Anlık Tepki ve Kontrol: Süt işleme prosesleri dinamik olabilir; örneğin giriş debisi veya sıcaklığı değişebilir. Eşanjörün bu değişimlere hızlı tepki verebilmesi (termal ataletinin düşük olması) istenir. Plakalı eşanjörler düşük sıvı hacmi tuttukları için anlık değişimlere hızlı adapte olurlar, bu da verimli bir kontrol sağlar. Termal atalet, verimliliği etkileyen ve istenmeyen bir durumdur; fazla ise sistemin istenen ayar noktalarına gelmesi gecikir, enerji israfı olabilir.

  Enerji Geri Kazanımı ve Çok Kademeli Sistemler 

Enerji verimliliğini artırmak amacıyla süt endüstrisinde ısı eşanjörleri genellikle çok kademeli veya entegre sistemler halinde çalışır. Bu, bir süreçte kullanılan ısının başka bir süreçte veya sürecin başka bir aşamasında yeniden kullanılması demektir.

Pastörizasyon ve Rejenerasyon: Yukarıda da bahsedildiği gibi, klasik bir süt pastörizatöründe soğuk süt, pastörize süt tarafından ön ısıtılır. Bu entegre düzenlemeye rejeneratif ısı değişimi denir. Pastörize sütün sahip olduğu ısı enerjisi boşa atılmaz, bunun büyük kısmı çiğ süte aktarılır. Sadece son ısı farkını kapatmak için buhar veya sıcak su kullanılır. Aynı şekilde pastörize sütü nihai hedef sıcaklığına kadar soğutmak için de soğuk su veya buzlu su kullanılır, ancak bunun da öncesinde mümkün mertebe çiğ süt tarafından zaten soğutulmuş olur. Modern tesislerde %90'ın üzerinde rejenerasyon oranları standarttır. Bu sayede enerji maliyetleri düşer, daha az kazan kapasitesi ve soğutma yükü gerekir. Rejenerasyon bölgesinde iki süt akımı arasında hijyen bariyeri açısından dikkatli olunur; genellikle pastörize süt hattındaki basınç çiğ süt hattından biraz daha yüksek tutulur ki olası bir kaçakta pastörize süte çiğ süt karışmasın, tam tersi yönünde akış olsun (pastörize süt zaten güvenli olduğundan çiğ süt hattına sızıntı yapsa bile problem yaratmaz, ama çiğ süt pastörize hatta sızarsa kontaminasyon olur).

Çok Etkili (Multi-Evaporatör) Sistemler: Süt tozu üretiminde evaporatörler çok kademeli kurulur. Çok etkili evaporatör denilen bu sistemde, buharlaşan süt suyunun buharı bir sonraki efekti ısıtmak için kullanılır. Örneğin çift etkili bir evaporatörde, birinci etkide buharlaştırılan su buharı, ikinci etkideki sütü ısıtmak ve oradan suyu uçurmak için kondense olur. Bu sayede ikinci etki için harici buhar ihtiyacı azalır. Üç, dört veya beş etkili evaporatörler büyük enerji kazanımları sağlar: Tek etkide 1 kg suyu uçurmak için ~1 kg buhar gerekirken, 5 etkili bir evaporatörde aynı 1 kg su buharı ile yaklaşık 4-5 kg suyu buharlaştırmak mümkün olabilir (etkiler arasındaki ısı kayıpları ve verimsizlikler hesaba bağlı olarak). Bu, enerji tasarrufu demektir ve süt tozu tesislerinin verimliliğinde çok önemlidir, çünkü süt tozu üretimi süt endüstrisinin en enerji yoğun süreçlerinden biridir.

Mekanik ve Termal Buhar Rekompresyonu: Yeni nesil evaporatör sistemlerinde enerji geri kazanımını daha da ileri taşımak için buhar rekombine (rekompresyon) yöntemleri kullanılır. İki ana yöntem vardır:

- Termal Buhar Rekompresyonu (TVR - Thermal Vapor Recompression): Bir buhar ejektörü kullanılarak, çıkan buharın bir kısmı yüksek basınçlı buhar ile karıştırılır ve tekrar prosese verilir. Bu yöntemle, bir miktar ekstra buhar harcanarak, çıkan buharın basıncı yükseltilip yeniden ısıtıcı olarak kullanılır.

- Mekanik Buhar Rekompresyonu (MVR - Mechanical Vapor Recompression): Bir fan veya kompresör yardımıyla buhar mekanik olarak sıkıştırılır, böylece basıncı ve sıcaklığı yükseltilir, ardından aynı buhar tekrar evaporatöre ısıtıcı buhar olarak gönderilir. MVR sistemleri, elektrik enerjisini kullanarak buharı dolaştırır ve çok yüksek enerji verimliliği sağlar; bu sayede neredeyse ilave buhar girişi olmadan kapalı devre buhar kullanımı mümkün olabilir. MVR'li bir sistem, buhar tüketimini %90'lara varan oranlarda azaltabilir ve işletme maliyetlerini ciddi ölçüde düşürür.

Isı Yalıtımı ve Kayıpların Azaltılması: Verimlilik denildiğinde yalnızca ısı transferi içinde olanlar değil, aynı zamanda sistemden dışarı kaçan ısı da önemlidir. Bu nedenle tüm süt eşanjör yüzeyleri ve bağlantıları gerektiğinde yalıtılır. Pastörizasyon ünitelerindeki sıcak su boruları, buhar hatları ve evaporatör gövdeleri iyi bir izolasyon malzemesiyle kaplanır. Böylece istenmeyen ısı kaybı önlenir ve enerji, proseste kalır.

Kirlenme (Fouling) ve Sürekli Performans 

Süt ve süt ürünlerinin ısıtılması sırasında gerçekleşen istenmeyen durumlardan biri yüzey kirlenmesi (fouling) olgusudur. Süt, içerdiği proteinler, mineral tuzlar (özellikle kalsiyum ve fosfatlar) ve yağ nedeniyle ısıtıldığında bu bileşenlerin bir kısmı ısı transfer yüzeylerine yapışma eğilimindedir. Örneğin, sütün ısıtılmasıyla kazein ve peynir altı suyu proteinleri denatüre olabilir ve zamanla plakaların ya da boruların yüzeyinde bir tabaka oluşturabilir. Ayrıca kalsiyum fosfat gibi mineraller yüksek sıcaklıklarda çökerek "süt taşı" adı verilen sert bir tortu bırakabilir. Bu birikimler, ısı eşanjörü yüzeyinde ek bir ısıl direnç tabakası oluşturur ve ısı transferini yavaşlatır, verimliliği düşürür.

Fouling'in Etkileri:

- Isı transfer katsayısı düşer, dolayısıyla aynı ısıtma görevini yapmak için daha fazla sıcak su/buhar gerekebilir veya çıkış sıcaklığı düşmeye başlayabilir.

- Basınç düşümü artar; daralan kanallar veya borular nedeniyle pompa daha fazla zorlanır, debi düşebilir.

- Uzun süre temizlenmeden çalışırsa, aşırı tortu birikimi yüzünden eşanjör kanalları tıkanabilir veya akış tamamen engellenebilir.

- Ürün kalitesi etkilenebilir; aşırı ısınmış bölgelerde protein yanığı kokusu veya rengi ürüne geçebilir, ayrıca kopan tortu parçacıkları ürüne karışabilir.

Tasarım ile Fouling Azaltma: İyi tasarlanmış süt eşanjörleri, fouling etkisini geciktirecek veya etkisini minimize edecek şekilde planlanır. Bunun yolları:

- Uygun akış hızı: Çok düşük hızlar durgun bölgelere yol açarak tortu birikimini hızlandırır. Çok yüksek hızlar ise ısınan proteini yüzeye daha şiddetle çarpıp yapıştırabilir. Optimum bir akış rejimi seçilir.

- Sıcaklık profili: Süt, ani çok yüksek sıcaklığa maruz kalırsa yüzeyde yanma/kaynama olabilir. Bu yüzden ısıtma kademeli yapılır; örneğin plakalı pastörizatörde önce orta sıcaklığa rejenerasyonla, sonra istenen sıcaklığa buharla çıkar. Böylece en sıcak yüzeylerde süt zaten kısmen ısınmış olarak gelir.

- Yüzey kaplamaları: Bazı özel durumlarda, yüzeyler fouling yapmayı zorlaştıran kaplamalarla (örneğin teflon türevi) kaplanabilir. Ancak gıda temasında bu kaplamaların onaylı olması ve zamanla aşınmaması gerekir; uygulaması sınırlıdır.

- Düşen film evaporatörlerde, süt çok kısa süre boru yüzeyinde kalır (ince bir film halinde süzülür). Bu kısa temas süresi, sütün aşırı ısınmadan buharlaşmasını sağladığı için fouling azalır. Ayrıca evaporatör içinde akış tek geçişte olduğu için bir nokta aşırı kirlenmeye başladığında akış modeli bunu dağıtabilir.

CIP ve Temizlik Sıklığı: Fouling ile mücadelede en önemli operasyonel araç CIP (Clean-In-Place / Yerinde Temizleme) yöntemidir. Süt eşanjörleri, belirli çalışma sürelerinden sonra otomatik temizlik döngülerine alınır. Örneğin, bir UHT hattı 6-8 saat çalıştıktan sonra CIP yapılması gerekebilir, pastörizasyon hattı ise belki 8-10 saat veya daha uzun (ürün ve sıcaklığa bağlı) çalışabilir. CIP döngüsünde genellikle aşağıdaki adımlar uygulanır:

1. Ön Yıkama: Ilık su ile sistemdeki süt kalıntıları durulanır. Bu, büyük kütleli ürünün atılmasını sağlar.

2. Alkali Sirkülasyon (Kostik): Sodyum hidroksit (kostik soda) gibi alkali bir deterjan belirli sıcaklıkta (örneğin 70-80°C) sirküle edilerek protein ve yağları parçalar. Alkali deterjan, organik maddeyi çözmede etkilidir.

3. Ara Durulama: Kimyasalın temizlenmesi için su ile durulama yapılır.

4. Asit Sirkülasyon: Nitrojen fosforik asit gibi bir asidik çözeltinin sirkülasyonu, mineral taşlarını (süt taşı) çözmek için kullanılır. Bu adım özellikle belli periyotlarda (her CIP'de olmayabilir, örneğin günde bir asit, diğer temizlemelerde sadece alkali) uygulanır.

5. Son Durulama: Tüm kimyasalların atılması için yeniden suyla iyice durulanır. Bazen son durulama suyu, bir sonraki üretim başlangıcında ürüne karışmasın diye klorlu ya da steril su olabilir.

6. Sterilizasyon (Gerekirse): UHT gibi mikrobiyal aseptik hatlarda, CIP sonrası sistem buharla sterilize edilir, veya sıcak suyla 121°C gibi sıcaklıklarda bir süre tutulur.

Bu temizleme süreçleri, fouling nedeniyle düşen performansı başlangıç seviyesine geri getirir. Yani düzenli CIP yapıldığında, her üretim döngüsüne yakın ısı transfer performansıyla başlanabilir. Bakım planlaması, CIP sıklığını öyle optimize eder ki, eşanjör çok kirlenip üretimi etkilemeden temizlik yapılır, fakat gereğinden sık yapılıp üretim kaybı da yaratılmaz.

Operasyon Sürekliliği: Verimlilik aynı zamanda eşanjörün sürekli çalışabilirlik süresini de kapsar. Sık arıza veren, tıkanan veya temizlik gerektiren bir sistem, pratikte verimli değildir çünkü duruşlar nedeniyle üretim kaybına yol açar. Bu nedenle hem tasarım, hem de bakım yönünden hedef, mümkün olduğunca uzun süre aralıksız çalışabilecek bir sistem elde etmektir. Bazı modern plakalı pastörizatör sistemlerinde, düzene paralel yedek bir plaka paketi bulundurulur; biri kirlenince diğeri devreye alınır ve kirlenen CIP yapılırken üretim devam eder. Bu tür çözümler verimlilik kavramının bir parçasıdır.

Sonuç olarak, verimlilik kriterleri, enerjinin etkin kullanımı, maksimum ısı geri kazanımı, düşük kayıp ve duruş süreleri, yüksek ısı transfer performansının korunması gibi unsurları içerir. Süt eşanjörleri ve süt tozu eşanjörleri tasarlanırken ve işletilirken bu kriterler daima göz önünde bulundurulur.

Bakım ve Temizlik Süreçleri 

Süt ve süt tozu eşanjörlerinin güvenilir şekilde çalışmasını sağlamak ve ömürlerini uzatmak için düzenli bakım ve temizlik hayati öneme sahiptir. Gıda endüstrisinde hijyen standartları gereği, ekipmanların temizliği sadece performans için değil, aynı zamanda ürün güvenliği için de zorunludur. Bu bölümde, süt eşanjörlerinde uygulanan bakım prosedürleri, temizlik (CIP) süreçleri ve dikkat edilmesi gereken noktalar ele alınmaktadır.

CIP (Yerinde Temizlik) Prosedürleri 

CIP ("Clean-In-Place") sistemleri, süt işletmelerinde boru hatları ve eşanjörler gibi ekipmanları demonte etmeden temizlemek için kullanılan otomatik temizlik sistemleridir. Yukarıda fouling kısmında CIP adımlarından bahsetmiştik. Burada CIP'in nasıl entegre bir bakım rutini olduğuna vurgu yapalım:

- Otomatik Programlar: Modern süt eşanjörü sistemleri, PLC kontrollü CIP programlarına sahiptir. Operatör, CIP'i başlattığında sistem otomatik olarak vanaları konumlandırır, gerekli yerlere kimyasal çözeltileri yönlendirir ve pompalama, ısıtma, sirkülasyon sürelerini önceden belirlenmiş reçeteye göre yürütür. Bu otomasyon, insan hatasını azaltır ve her seferinde tutarlı temizlik sağlar.

- Kimyasal Konsantrasyon ve Sıcaklık Kontrolü: CIP etkinliği, deterjan konsantrasyonu ve sıcaklığına çok bağlıdır. Tipik olarak alkali temizleyiciler %1-2 konsantrasyonda kullanılırken, asit temizleyiciler de benzer şekilde seyreltilir. Sirkülasyon sıcaklıkları 60-80°C arasında olabilir. Sistemde sensörler aracılığıyla bu parametreler izlenir. Örneğin, sıcaklık düşerse ısıtıcı devreye girer, konsantrasyon azsa kimyasal eklenir.

- Akış Hızı ve Türbülans: CIP sırasında belirli bir minimum akış hızı sağlanır ki boru ve eşanjör yüzeylerinde mekanik temizleme etkisi olsun. Genelde boru hattı çapına göre saniyede 1,5-2 metre hız hedeflenir. Eşanjör plakaları veya boruları içinden bu hızda solüsyon geçmesi kirleri sökme etkisini arttırır.

- Döngü Süreleri: Her bir CIP adımı için yeterli süre tanınmalıdır. Örneğin, alkali sirkülasyon genelde 20-30 dakika, asit sirkülasyon 15-20 dakika olabilir. Toplam CIP süresi sistem büyüklüğüne ve kirlenme derecesine göre 1 ila 3 saat arasında değişebilir.

- Sonuçların İzlenmesi: İyi bir uygulama, CIP sonrası son durulama suyundan örnek alıp test yapmaktır (özellikle mikrobiyolojik ve kimyasal kalan kontrolü). pH ölçümü ile alkali veya asit kalıp kalmadığı anlaşılır, ayrıca ürüne geçebilecek herhangi bir kalıntı olmadığından emin olunur.

CIP işlemi, bir bakım faaliyeti olarak düşünülmelidir çünkü doğru uygulandığında ekipmanın ömrünü uzatır ve arıza riskini azaltır. Örneğin, düzgün yapılmayan temizlik, plakaların üzerinde bir tortu bırakabilir ve bu tortu korozyonu hızlandırabilir veya sonraki üretimde plakaları tıkayabilir.

Periyodik Mekanik Bakım ve Kontroller 

Temizlik dışında, süt eşanjörlerinin uzun ömürlü olması için düzenli mekanik bakım ve kontroller de gereklidir:

- Görsel Denetimler: Operatörler veya bakım ekipleri, ekipmanın genel durumunu düzenli aralıklarla kontrol etmelidir. Plakalı eşanjörlerde dışarı herhangi bir sızıntı belirtisi (plaka kenarlarından damlama, conta bölgesinden sızıntı) var mı bakılmalıdır. Borulu eşanjörlerde gövde flanşlarında, bağlantılarda kaçak olup olmadığı incelenmelidir.

- Conta Değişimi: Plakalı eşanjörlerde contalar zamanla yaşlanır. Tipik bir gıda sınıfı conta, sıcaklık ve kimyasallardan ötürü belirli bir CIP döngüsü sayısından (örneğin 100-200 CIP döngüsü) sonra sertleşebilir veya deformasyona uğrayabilir. Bakım planında, belirli aralıklarla (örneğin yılda bir veya ihtiyaç oldukça) tüm contaların değiştirilmesi yer alır. Conta değişimi yapıldığında, yeni contaların doğru şekilde oturduğundan ve herhangi bir burkulma/gevşeklik olmadığından emin olunmalıdır.

- Plaka ve Boru Kontrolleri: Plakalı eşanjörler periyodik olarak sökülerek plakalar incelenmelidir. Plakalarda çatlak, ince delik (korozyondan kaynaklı olabilir) olup olmadığı kontrol edilir. Herhangi bir plaka arızası, iki akışkanın karışmasına yol açabileceğinden kritik bir konudur. Benzer şekilde borulu eşanjörlerin boru demetleri de incelenmeli; korozyon, erozyon (örneğin aşındırıcı parçacıklar varsa) veya çatlak belirtileri aranmalıdır. Basınç testleri yapılarak (hidrostatik test) boru bütünlüğü doğrulanabilir.

- Kalibrasyonlar: Pastörizasyon ve UHT gibi kritik proseslerde eşanjöre entegre termometre, basınç sensörü, akış ölçer gibi enstrümanlar bulunur. Bu cihazların doğru ölçüm yapması, hem ürün güvenliği hem de ekipman güvenliği için önemlidir. Belirli periyotlarda kalibrasyon yapılmalı, sapmalar tespit edilirse giderilmelidir. Örneğin, pastörizatör çıkışındaki sıcaklık sensörü yanlış gösterirse, süt yeterince ısınmadan geçtiği halde pastörize oldu sanılabilir, bu da büyük risk taşır.

- Hareketli Parçalar ve Yardımcı Ekipman: Eğer eşanjör bir parçasında pompa, vana, kazıma bıçağı (kazımalı eşanjörde) gibi hareketli parça veya ekipman varsa, bunların bakımı da unutulmamalıdır. Pompa salmastraları, motor yağlamaları, vana conta ve aktüatörleri gibi parçalar genel bakım planının parçasıdır.

- Yedek Parça ve Acil Durum Planı: Önemli bir bakım stratejisi de kritik parçaların yedeğini bulundurmaktır. Örneğin, plakalı eşanjör için yedek plaka seti veya conta seti, borulu eşanjör için yedek bir küçük boru demeti kısmı bulundurmak, arıza anında hızlı müdahaleye olanak sağlar. Ayrıca, eşanjör arızalanırsa üretimin durmaması için bypass hatları veya paralel yedek eşanjör imkanları tasarım aşamasında düşünülmelidir.

Eşanjör Ömrünü Uzatmak İçin İpuçları 

- Doğru İşletim Koşulları: Eşanjörleri daima tasarlandıkları akış, sıcaklık ve basınç koşullarında çalıştırın. Limit değerlerin (örneğin maksimum sıcaklık veya basınç) üzerine çıkmak, malzemede gerilmelere ve erken yorulmaya sebep olabilir.

- Korozyon Kontrolü: CIP kimyasallarının doğru konsantrasyonda kullanılmasına dikkat edin. Aşırı konsantre veya yanlış kimyasal kullanımı paslanmaz çelikte oyuklanma (pitting) veya gerilmeli korozyon çatlaklarına yol açabilir. Örneğin, klor içerikli dezenfektanlar paslanmaz çelikte klor stres çatlağına sebep olabildiği için dikkatle durulanmalıdır.

- Düzgün Montaj: Plakalı eşanjörler söküldükten sonra tekrar takılırken üretici talimatlarına göre uygun sıkma torku ile sıkılmalıdır. Aşırı sıkmak contalara zarar verebilir, az sıkmak sızdırmazlığı bozabilir. Borulu eşanjörlerin flanşları veya kapağı açıldıysa, yeniden kapatırken uygun conta malzemesi ve tork ile kapatmak önemlidir.

- Takip ve Kayıt Tutma: Her CIP, bakım ve kontrol sonrası kayıt tutulması faydalıdır. Zamanla hangi sıklıkta kirlenme olduğunun, hangi parçanın ne kadar ömürde yıprandığının takibi, bakım planınızı optimize etmenizi sağlar. Örneğin kayıtlar gösteriyorsa ki bir plakalı eşanjörde contalar ortalama 18 ayda sertleşiyor, bir dahaki sefere 15. ayda planlı değişim yaparak beklenmedik sızıntı önlenebilir.

- Eğitim: Personelin, eşanjörün çalışma prensibi ve bakım ihtiyaçları konusunda eğitilmesi de ömrü uzatır. Doğru kullanım (örneğin, üretim bittiğinde içinde süt bırakmamak, hemen su ile durulamak, CIP başlatmak gibi) uzun vadede tortu oluşumunu azaltır ve korozyonu engeller.

Bakım ve temizlik süreçleri ihmal edilmezse, süt eşanjörleri yıllarca verimli bir şekilde hizmet edebilir. Örneğin, iyi bakım uygulanmış bir plakalı pastörizatör 15-20 yıl rahatlıkla çalışabilirken, kötü yönetilen bir sistem birkaç yılda değiştirilmek zorunda kalabilir. Gıda endüstrisinde bu sadece maliyet meselesi değil, aynı zamanda gıda güvenliği meselesidir; dolayısıyla süt ve süt tozu eşanjörlerine gereken bakım önemi verilmelidir.

Sektördeki Kullanım Alanları

Süt eşanjörleri ve süt tozu eşanjörleri, süt endüstrisindeki hemen hemen tüm ısıl işlem basamaklarında kilit rol oynar. Farklı ürünler ve süreçler, farklı tip ve özellikte eşanjörlerin kullanılmasını gerektirir. Aşağıda süt ve süt ürünleri endüstrisinde ısı eşanjörlerinin yaygın kullanım alanları ve her birine ilişkin kısa detaylar verilmiştir.

Süt Pastörizasyonu ve Soğutma 

En bilinen kullanım alanı, içme sütünün pastörizasyonudur. Pastörizasyon süreci, sütün belirli bir sıcaklıkta yeterli süre tutularak patojen mikroorganizmaların yok edilmesini sağlar. Bu işlem için genellikle plakalı pastörizatörler kullanılır. Yüksek verimli plakalı eşanjörler sayesinde süt, kısa sürede 72-75°C civarına ısıtılır (HTST - High Temperature Short Time yöntemi) ve 15-20 saniye tutulduktan sonra yine hızlıca 4°C civarına soğutulur. Eşanjörün rejeneratif ısı geri kazanım yeteneği sayesinde, pastörize edilen sütün ısısının büyük bölümü çiğ sütü ısıtmak için kullanılır, bu da enerji tasarrufu sağlar. Ayrıca sağım sonrası çiğ sütü hızlıca soğutmak için de çiftliklerde süt soğutma tankları ve plakalı soğutucular kullanılır; burada soğuk su ile süt eşanjörde karşılaştırılarak süt birkaç dakika içinde 4°C'ye düşürülür ve bakteriyel gelişim yavaşlatılır.

UHT Sterilizasyon ve Aseptik İşlemler 

UHT (Ultra High Temperature) işlemi, sütün yaklaşık 135-145°C gibi çok yüksek sıcaklıklara çok kısa süreliğine (genellikle 2-5 saniye) ısıtılması ve hemen soğutulması işlemidir. Bu sayede süt, tüm mikroorganizmalar ve sporlar dahil zararsız hale gelir, uzun ömürlü (rafta aylarca dayanan) süt elde edilir. UHT için genellikle borulu eşanjörler veya yüksek sıcaklığa dayanıklı plakalı eşanjörler kullanılır. Bazı sistemlerde direkt buhar enjeksiyonu ya da infüzyonu da kullanılır ancak ardından fazla suyu uzaklaştırmak için flaş buharlaştırıcı gerekir. İndirekt sistemlerde, borulu eşanjörde süt buharla ısıtılır ve ayrı bir borulu/plakalı soğutucuda soğutulur. Bu işlem aseptik koşullarda yapılır, yani eşanjörler dahil tüm hat sterilize edilir ve dolum da steril koşullarda gerçekleştirilir. Aseptik eşanjörler, çift cidarlı borular veya güçlü contalama sistemleri ile herhangi bir sızıntıda ürünün kontamine olmasını önleyecek şekilde tasarlanmıştır.

Yoğurt ve Peynir Üretimi

Yoğurt üretiminde, süt önce pastörize edilir sonra mayalama sıcaklığı olan ~43-45°C'ye soğutulur. Ancak yoğurt için pastörizasyon genellikle daha yüksek sıcaklık ve sürelerle yapılır (örneğin 90°C'de 5 dakika) çünkü sütteki peynir altı suyu proteinlerinin denatüre olması, yoğurdun kıvamını iyileştirir. Bu ısıtma-soğutma adımları da plakalı eşanjörler ile yapılır. Peynir üretiminde de süt, mayalama öncesi pastörize edilip 32-35°C civarına soğutulur; yine ısı eşanjörleri devrededir. Ayrıca peynir altı suyu (whey) da bir yan ürün olarak ısıtılıp soğutulabilir, toz haline getirilecekse evaporatörlere gönderilir. Bu nedenle hem temel süt ısıtma, hem de yan ürün işlemede eşanjörler kullanılır.

Dondurma ve Dondurulmuş Sütlü Ürünler 

Dondurma yapım sürecinde, süt, şeker ve diğer bileşenlerden oluşan karışım önce pastörize edilir ve homojenize edilir. Bu pastörizasyon da tipik olarak 82-85°C'de 15-30 saniye gibi bir işlemle plakalı eşanjörde yapılır. Ardından karışım 4°C civarında birkaç saat olgunlaştırılır. Sonrasında dondurma karışımı, dondurma makinesi denilen kazımalı yüzeyli eşanjörlerde sürekli karıştırılarak dondurulur. Burada soğutma amacıyla amonyak gibi bir soğutucu akışkan eşanjörün ceketinde dolaşır, içeride dondurma karışımı yarı katı hale gelene kadar soğutulur. Bu proses, eşanjör teknolojisinin hem termal hem mekanik uygulamasına güzel bir örnektir (hem ısı transferi var hem de mekanik kazıma). Ayrıca buzlu içecekler veya süt bazlı tatlıların hızlı soğutulmasında da eşanjörler kullanılabilir.

Süt Tozu ve Diğer Toz Ürün Üretimi 

Süt tozu üretimi, makalemizin de odak noktalarından biri olduğundan bu kısmı detaylı bir şekilde bir sonraki bölümde inceleyeceğiz. Kısaca özetlemek gerekirse, süt tozu üretim hattında önce süt, evaporatörler aracılığıyla konsantre hale getirilir (katı madde oranı artırılır) ve ardından sprey kurutucuya verilerek toz elde edilir. Evaporatörler birer ısı eşanjörüdür ve bu süreçte yoğun ısı transferi gerçekleşir. Sprey kurutma aşamasında da hava ısıtıcı eşanjörler kullanılır. Süt tozu haricinde, peynir altı suyu tozu, kahve kreması, formül mama gibi süt bazlı toz ürünlerin üretiminde de benzer ısı eşanjörü donanımları mevcuttur.

Temizleme Sistemleri ve Yardımcı Prosesler 

Süt tesislerinde ısı eşanjörleri sadece ürün ısıtma/soğutma için değil, yardımcı işlemlerde de kullanılır. Örneğin:

- CIP Isıtıcıları: Temizlik sırasında kullanılan alkali veya asit solüsyonların istenen sıcaklığa getirilmesi için eşanjörler kullanılır. Buhar veya sıcak su yardımıyla temizleme kimyasalları ısıtılır ki etkinlikleri artsın.

- Su Isıtma ve Soğutma: Tesiste pastörizasyon için sıcak su banyosu hazırlanması, ya da ürün soğutmada kullanılan kule suyu/ glikol karışımının soğutulması gibi işlemler yine eşanjörlerle yapılır. Örneğin kazan dairesinde buharla su ısıtan bir eşanjör bulunabilir.

- Atık Isı Geri Kazanımı: Bazı ileri tesislerde, soğutma gruplarının atık ısısı ile su ısıtmak veya sprey kurutucunun atık havasıyla suyu ısıtmak gibi ısı geri kazanım eşanjörleri kuruludur. Bu sayede tesis genelinde enerji verimliliği artar.

Yukarıdaki kullanım alanları, süt endüstrisinde ısı eşanjörlerinin ne kadar merkezi bir rolü olduğunu göstermektedir. Her bir ürün ya da yarı mamul, uygun bir ısı profilinde işlenerek kalite ve güvenlik kazanır ve bunu sağlarken eşanjör teknolojisi devrededir.

Süt Tozu Eşanjörleri ve Üretim Süreci 

Süt tozu üretimi, sıvı sütün toz formuna dönüştürüldüğü, bir dizi entegre ısıl işlem aşaması içeren bir prosestir. Bu süreçte ısı eşanjörleri kritik rol oynar: Hem suyun uzaklaştırılması için sütü yoğunlaştıran evaporatörlerde, hem de kurutma için gereken sıcak hava üretimi veya ısı geri kazanımında. Bu bölümde süt tozu eşanjörlerini ve üretim sürecindeki teknik detayları derinlemesine ele alacağız.

Süt Koyulaştırma (Evaporasyon) Aşaması 

Süt tozu üretiminin ilk önemli aşaması, sütün içerisindeki suyun büyük kısmının buharlaştırılması, yani sütün koyulaştırılmasıdır. Bu işlem evaporatör denilen ekipmanlarda yapılır ve evaporatörler temelde birer ısı eşanjörüdür.

Düşen Film Evaporatörler: Günümüzde süt koyulaştırmada en yaygın kullanılan tasarım düşen film evaporatörleridir. Bu tasarımda, uzun dikey boruların iç yüzeyinden süt bir film halinde aşağı akıtılırken boruların dışından buhar verilir. Boru duvarından geçen ısı ile süt içindeki su hızla buharlaşır ve buhar-sıvı karışımı aşağıya doğru ilerler. Alt kısımda buhar ayrılır, yoğunlaşmış süt (konsantre) toplanır. Düşen film evaporatörlerin tercih edilme sebepleri:

- Kısa Bekleme Süresi: Süt, boru içinde çok kısa bir süre (saniyeler mertebesinde) kalır ve hemen buharlaşır. Bu, sütün uzun süre yüksek sıcaklığa maruz kalmasını engelleyerek besin değerlerini ve lezzetini korur.

- Yüksek Isı Transferi: İnce film akışı ve buharlaşma nedeniyle, boru yüzeyinde yüksek bir ısı transfer katsayısı elde edilir. Ayrıca türbülanslı film akışı, yüzeydeki fouling’i de azaltmaya yardımcı olur.

- Vakumlu İşletim: Evaporatör kademeleri genellikle vakum altında çalışır. Örneğin birinci kademe ~60°C sıcaklıkta ve daha düşük basınçta kaynatırken, son kademeler 40-50°C gibi düşük sıcaklıklarda çalışabilir. Vakum sayesinde suyu düşük sıcaklıkta kaynatmak mümkün olur, bu da ısıtıcı buhar tüketimini azaltır ve ürünü termal strese sokmaz.

Çoklu Etki (Multi-Effect) Düzeni: Süt tozu tesislerinde tipik olarak 3 ila 7 kademeli evaporatör sistemleri bulunur. Örneğin 4 etkili bir evaporatörde, sütün kuru madde oranı adım adım arttırılır: Çiğ süt belki %9 kuru madde ile girer, birinci etkiden ~%18, ikinci etkiden %30, üçüncüden %45, dördüncüden %50 civarında kuru madde ile çıkar (değerler proses hedeflerine göre değişebilir). Bu kademelerin her biri birbirinin ısısını kullanır:

- Birinci etki dışarıdan buhar alır, sütü ısıtır, su buharlaşır.

- Çıkan buhar, ikinci etkiye gönderilir, orada yoğunlaşırken ısı verir ve ikinci etkiyi ısıtır.

- İkinci etki buharı üçüncüye gider, benzer şekilde ısıtır.

- Bu böyle devam eder, son etkiden çıkan buhar ise artık düşük basınçlı atık buhar olarak yoğuşturulup genelde soğutma kulesine veya yoğuşturucuya gönderilir (veya bir kısmı ısı geri kazanım için kullanılır).

Bu düzende, bir birim buhar ile birden çok birim su buharlaştırılır, böylece enerji verimliliği sağlanır.

Evaporatör Malzeme ve Tasarım Özellikleri: Sütle temas eden tüm evaporatör boru iç yüzeyleri ve diğer yüzeyler, plakalı eşanjörlerde olduğu gibi, AISI 316L paslanmaz çeliktendir ve gıda hijyenine uygun olarak parlatılmıştır. Bu sistemler büyük olduğu için CIP temizliği çok kritik hale gelir. Evaporatörlerin her kademesi CIP sırasında su ve kimyasal ile doldurularak temizlenir; süt taşı oluşumunu gidermek için asit yıkama burada da şarttır. Ayrıca evaporasyondaki boruların dağıtıcı plakaları vardır: sütün boru iç yüzeyine eşit dağılmasını sağlayan dağıtıcılar, her borunun tepesinde bulunur. Bu dağıtıcılarda tıkanma olmaması, her borunun akış alması önemlidir; bakımda bunlar kontrol edilir.

Vakum Sistemleri: Evaporatörlerde istenen vakumu sağlamak için genellikle su püskürtmeli vakum pompaları veya buhar ejektörleri kullanılır. Her etki, bir sonraki etkiden daha yüksek basınçta çalışır. Vakum sistemlerinin verimli çalışması, evaporatör performansı için elzemdir; vakum düşerse kaynama sıcaklığı artar, ürün sıcaklığı istenmeyen seviyeye çıkabilir.

Mekanik ve Termal Buhar Rekompresyonu

Enerji tasarrufunu en üst düzeye çıkarmak için süt tozu eşanjör sistemlerinde buhar rekompresyon teknikleri uygulanır. Özellikle büyük süt tozu tesislerinde, birinci etkiden çıkan buharı tekrar kullanmak caziptir.

- Mekanik Buhar Rekompresyonu (MVR): Düşen film evaporatör sistemlerinde, bir büyük fan/kompresör, buharı alıp sıkıştırarak yeniden aynı evaporatöre gönderir. Örneğin tek kademeli bir MVR evaporatörde, buhar sürekli devri daim edilir. Sadece ilk çalıştırmada sistemi ısıtmak için buhar gerekir, sonrasında MVR fanı devrede kaldığı sürece buhar döngüsü devam eder. Bu sistemde buharın ısıtılması için harici enerji kaynağı olarak elektrik (fan motoru) kullanılır. Sonuçta enerji maliyeti, çok kademeli klasik sistemlere göre düşüktür. MVR evaporatörlerin tasarımı hassastır: Buhar kompresörü yüksek kapasiteli olmalı, süt buharındaki olası damlacıkları iyi ayıracak ayırıcılar olmalı ve gıda güvenliğini tehlikeye atmamalıdır. MVR ile çalışan evaporatörler, yüksek ilk yatırım gerektirse de uzun vadede enerji faturalarını ciddi biçimde azaltır.

- Termal Buhar Rekompresyonu (TVR): Bir buhar ejektörü (jet pompası) yardımıyla yüksek basınçlı canlı buhar, düşük basınçlı evaporatör buharıyla karıştırılarak orta basınçlı bir buhar elde edilir ve bu tekrar ısıtma için kullanılır. Bu yöntem, MVR kadar etkin olmasa da basit ve bakım gerektirmeyen bir cihaz (ejektör) ile yapılabildiği için bazı tesislerde kullanılır. Genelde çok kademeli evaporatörlerin ilk kademesinde, buhar basıncını biraz yükseltmek için TVR kullanılarak kapasite artırılır veya ek bir enerji kazanımı sağlanır.

Buhar rekompresyonunun başarısı, eşanjör sisteminin sızdırmazlığına ve verimliliğine bağlıdır. Özellikle MVR sistemlerde, en ufak kaçaklar vakum ve basınç dengesini bozacağı için tüm bağlantılar ve contalar üst düzeyde tasarlanır.

Sprey Kurutma ve Hava Isıtma Eşanjörleri 

Süt tozu üretim sürecinin ikinci ana aşaması sprey kurutmadır. Evaporatörden çıkan konsantre süt genellikle ~%50 kuru madde içerir ve halen akışkan haldedir. Bu konsantre, bir sprey kurutucu kulesine ince damlacıklar halinde püskürtülür. Kulenin tepesinden veya altından (tasarımına göre) yüksek sıcaklıkta kuru hava üflenir. Damlacıklar sıcak hava ile temas edince içerdikleri su çok hızlı buharlaşır ve geriye toz halindeki süt tanecikleri kalır, bunlar toplanarak paketlenir.

Bu kurutma işleminde kritik olan sıcak hava üretimidir. Sıcak hava, genelde bir hava ısıtıcı yardımıyla elde edilir:

- Hava-Isı Eşanjörleri: Kurutucuya verilen hava, buhar veya direkt ateşlemeli yakıcılarla ısıtılır. Dolaylı sistemlerde buharla ısıtılan finli borulu eşanjörler veya plakalı hava ısıtıcıları kullanılabilir. Hava, geniş yüzeyli bu eşanjörlerde 150-200°C veya istenen kurutma sıcaklığına kadar ısıtılır. Gıda güvenliği açısından, eğer dolaylı ısıtma yapılıyorsa hava ile temas eden yüzeylerin de temiz olması önemli. Bu yüzden bazı gelişmiş sistemlerde hava da HEPA filtrelerden geçirilir ve ısı eşanjörü de periyodik olarak temizlenir.

- Doğrudan Yakma: Bazı büyük sprey kurutucularda, doğalgaz brülörü ile direkt olarak hava ısıtılabilir. Bu durumda teknik olarak klasik bir "eşanjör" yoktur (çünkü yanma gazı hava ile karışır). Ancak dolaylı sistemlerde, örneğin buharla hava arasında bir eşanjör olduğunda, yine ısı eşanjörü prensibi devrededir. Dolaylı sistemler, yanma gazlarının ürüne temas etmemesi açısından daha güvenlidir ama sıcaklık limiti buhar basıncı ile sınırlıdır. Doğrudan ateşlemede ısıtma 200°C üzeri de olabilir.

Isı Geri Kazanımı: Sprey kurutucularda, beslenen havanın ısıtılması kadar, çıkan havanın içerdiği enerji de önemlidir. Kurutucu çıkış havası, yüksek nemli ama hala sıcaktır (örneğin 90-100°C ve doymuş). Bu havadaki ısıyı geri kazanmak için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir:

- Bazı sistemlerde, çıkış havası ile taze hava plakalı bir hava-hava eşanjöründe karşılaştırılır, böylece taze hava ön ısıtma alır. Ancak süt tozu parçacıkları bu çıkış havasında olduğundan, eşanjör yüzeyinde toz birikmesi yaşanabilir. Bunu çözmek için, ya sık temizlenen yapıda eşanjörler kullanılır ya da ısı borulu (heat-pipe) eşanjörler gibi özel çözümler devreye girer. 

- Alternatif bir yol, çıkış havasındaki su buharını yoğuşturup gizli ısısını suya aktarmak ve elde edilen sıcak suyu tesiste başka bir amaçla kullanmaktır. Örneğin bu su, ön ısıtma adımlarında veya CIP ısıtmasında değerlendirilebilir. 

Her halükarda, sprey kurutma sistemlerinde amaç, mümkün olduğu kadar atık ısıyı geri kazanarak tesisin genel enerji verimliliğini yükseltmektir. Kurutma havası ısı eşanjörleri de malzeme olarak paslanmaz çelikten yapılır (zamanla toz birikse bile nemli sıcak ortam korozyona yol açabilir).

Son Ürün Kalitesi ve Isıl İşlem İlişkisi

Süt tozu eşanjörlerinde gerçekleştirilen işlemler, sadece enerji verimliliği açısından değil, ürün kalitesi açısından da optimize edilmelidir:

- Evaporatördeki ısı profili, sütteki besin maddelerinin korunmasını sağlar. Örneğin çok yüksek sıcaklıklardan kaçınıldığı için ısıya duyarlı vitaminler büyük oranda korunur, proteinlerin bir kısmı denatüre olsa da çoğu yapısı korunur.

- Kurutma aşamasında sıcak hava sıcaklığı ve süresi, toz partiküllerinin özelliklerini (tanecik boyutu, yoğunluk, nem içeriği) belirler. Yanlış bir ısıtma profili, tozun yanmasına veya kalite kaybına yol açabilir. Eşanjörlerin doğru çalışması, istenen hava sıcaklığını tutturması bu nedenle önemlidir.

- Ayrıca, ısı eşanjörlerinde bir sorun çıkması (örneğin bir evaporatör borusunda sızıntı) ürün kontaminasyonuna neden olabilir. Buhar tarafındaki herhangi bir akışkan (örneğin kazan suyu kondensatı) süte karışırsa, toz ürününün kalitesi ve güvenliği riske girer. Bu nedenle süt tozu eşanjörleri, güvenilirlik ve sızdırmazlık açısından yüksek standartlarda tutulur.

Süt tozu üretim sürecinde ısı eşanjörlerinin performansı, fabrikanın genel üretim hızı ve verimliliğini belirleyen en kritik faktörlerden biridir. Verimli bir evaporatör, daha az enerji ile istenen kuru maddeyi sağlar; verimli bir kurutma hava ısıtıcısı, daha stabil bir kurutma sağlar. Bu da sonuç ürün olan süt tozunun maliyetini ve rekabetçiliğini doğrudan etkiler.

 Sonuç ve Gelecek Eğilimler (H2: Alt Başlık)

Süt