PÜSKÜRTEREK KURUTMA PROSESİ (SPRAY DRYING) Giriş

Transkript

1 PÜSKÜRTEREK KURUTMA PROSESİ (SPRAY DRYING) Giriş Püskürterek kurutma işlemi sıvı örneklerin sıcak hava ortamına püskürtülmesi ve örneğin içerdiği suyun evaporasyonu sonucu ürünün toz halinde elde edilmesine dayanmaktadır. Püskürtülen örnek süspansiyon, emülsiyon veya solüsyon halinde olabilirken, elde edilen ürün partikül veya granül halindedir. Ürünün formu beslemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile kurutucunun dizaynına ve operasyon şartlarına bağlı olarak değişir. 1. Püskürterek Kurutma Sisteminin Kullanım Alanları Püskürterek kurutma metodu gıda, eczacılık ve kozmetik gibi birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Gıda sanayinde daha çok kahve, kahve kreması, süt, çorba, bebek besinleri, tatlandırıcılar ve bazen de tozlaştırılmış peynir üretim alanlarında kullanılmaktadır. Günlük hayatta çok karşılaşılan deterjanlar, kozmetikler ve tablet haline getirilmiş ilaçların üretim prosesinde de püskürterek kurutma metodu kullanılmaktadır. 2. Püskürterek Kurutma Sistemlerinin Avantajları ve Dezavantajları Püskürterek kurutma sistemleri, kurutucunun kapasitesi ve ürünün ısıya karşı hassasiyetinden bağımsız olarak mikron boyutunda ve düşük nem içeriğinde toz partiküller elde edilen tek kurutucu tipidir. Eczacılıktan, madenciliğe kadar geniş bir kullanım alanına sahip olması ve saatte 1-2 kilogramdan 100 tona kadar çalışılabilen besleme hızı nedeniyle püskürtmeli kurutucular günümüzde en yaygın kullanılan kurutucu tipi olmuştur. Ayrıca ürün kalitesinin homojen olması, tam otomatik olarak kontrol edilebilmesi ve ısıl dirence sahip her türlü ürün için uygulanabilir olması da püskürterek kurutma sistemlerinin avantajları arasındadır. Bütün bu avantajlarının yanında püskürterek kurutma sistemlerinin bazı dezavantajları da vardır. Püskürterek kurutma sistemleri yüksek montaj maliyetine sahiptir. Endüstrideki diğer kurutuculara göre fiziksel olarak daha çok yer kapladığından fabrikasyonun zorlaşır. Kurutucular tek başlarına ele alındığında bu sistemler yüksek verimli değildirler.

2 3. Proses Basamakları Püskürterek kurutma sistemlerinde kurutma 4 basamakta yürütülür: Püskürtücüye giren beslemenin püskürtülmesi (atomizasyon) Püskürtülen beslemenin sıcak hava ile teması Püskürtülen beslemenin kuruması Kurutulmuş ürünün havadan ayrılması Atomizasyondan sonra püskürtülen numunenin homojenliği ve yüksek hızda nemin buharlaşması; paralel akımlı sistemlerde kuru ürünün sıcaklığının hazneyi terk eden havanın çıkış sıcaklığından düşük olmasına imkan sağlar. Böylece ürün yüksek sıcaklıkla karşı karşıya kalmaz, havada ayrılırken herhangi bir ısı kaybı olmaz. Kurutma işlemi sırasında çözelti atomizerler tarafından sıcak havanın içerisine küçük damlacıklar oluşturacak şekilde püskürtülür. Çözelti kurutma çemberinin üst tarafından radyal olarak sıcak havada ilerler. Nem hızlıca damlacıklardan buharlaşarak ayrılır. Soğuyan hava vakum fanları yardımıyla silindirik bölgenin altından dışarı boşaltılır. Hava boşaltılmadan önce siklon ayırıcıdan geçerek katıdan kalan parçaların dışarı atılması önlenir. Katı parçalar Örnek besleme 2-Besleme valfi 3-Nozzle 4-Kurutma çemberi 5-Atık tolama kabı 6-Siklon 7-Örnek toplama kabı 6 5 7

3 ise rotary fanla siklonlara gönderilir. 4. Örneğin Püskürtücü İçinde Atomizasyonu Atomizasyonun gerçekleşmesi ve atomize olmuş beslemenin havayla teması püskürtmeli kurutma işleminin karakteristik özellikleridir. Atomizerin seçimi ve uygun şartlarda çalıştırılması en iyi kalitede ve ekonomik ürün sağlamak açısından çok önemlidir. Atomizasyonun gerçekleştiği basamak istenen özelliklere sahip kuru ürünü elde edebilmek için optimum buharlaştırma koşullarını sağlamalıdır. Püskürtme işlemi nozzle ve rotary tipinde enjektörler kullanılarak yapılır. 5. Atomizer Seçimi Atomizer seçimi beslemenin özelliklerine ve kuru ürünün istenilen özelliklerine bağlıdır. Tüm atomizer tiplerinde, sıvı atomizasyonu arttıkça püskürtülen damlanın boyutu küçülür. Gerekli enerji sabit tutulup besleme hızı arttırıldığında ise boyut büyür. Beslemenin viskozitesi ve yüzey gerilimi büyükse, aynı enerjiyle daha büyük damlalar elde edilebilir. Daha küçük ve orta boyutta partiküllü ürün için rotary atomizer kullanılırken daha büyük, kaba parçacıklı ürün için nozzle atomizer tercih edilir. Püskürtmeli kurutucularda gaz ve çözelti akışı aynı yönlü, zıt yönlü ve karışık olarak gerçekleşebilir. Tüm durumlarda havanın hareketi hızı ve buharlaşmayı belirler. 6. Kuruma Modeli Çözelti atomizerde çok küçük damlacıklar haline getirildikten sonra kurutma çemberine püskürtülür. Bu damlacıklar sıcak hava ile temas ettiğinde damlacık yüzeyinde bir doygun buhar filmi oluşur ve buharlaşma başlar. Damlacığın yüzeyindeki sıcaklık, sıcak havanın ıslak termometre sıcaklığına eşittir. Buharlaşma iki aşamada gerçekleşir. İlk aşamada damlacığın içinde yüzeydeki nem kaybını karşılayacak kadar nem bulunur. Dolayısıyla buharlaşma devam ederken yüzeydeki doygunluk şartlarını korumak amacıyla nem damlacığın içinden yüzeye doğru difüze olur. Bu esnada buharlaşma hızı sabittir. Bu aşama buharlaşmanın ilk basamağı olarak bilinir.

4 İlk aşamadan sonra damlacığın içindeki nem, yüzeydeki nem kaybını karşılayamaz duruma gelir. Bundan dolayı damlacığın yüzeyinde bir kabuk oluşmaya başlar. Kabuğun kalınlığı zamanla artar ve evaporasyon hızı düşmeye başlar. Kabuk oluşumunda sonra her madde kendine özgü buharlaşma karakteristiğine göre farklı kuruma eğrilerine sahiptir. Örneğin kuruma sonucunda küresel veya şekilsiz parçacıklar oluşabilir. 7. Kurutma Prosesi için Sistem Değişkenleri Besleme özellikleri Beslemenin viskozitesinin ya da katı yüzdesinin arttırılması ve besleme sıcaklığının düşürülmesi düzensiz bir atomizasyona neden olmaktadır. Yüzey gerilimin operasyona önemli bir etkisi yoktur. Beslemedeki katı miktarı artarsa buharlaşma karakteristikleri bundan etkilenir ve oluşan partiküllerin yoğunluğu artar. Besleme hızı Besleme hızının arttırılması daha düzensiz ve kaba damlacıklar ve nemli ürün elde edilmesine neden olurken ürün kalitesi de düşük olmaktadır. Hava akış hızı Hava akış hızı arttırılırsa partikülün sıcak hava içerisinde kalış süresi kısaldığından kuruyan ürünün içindeki nem yüzdesi yüksek kalır. Akış hızı düşürüldüğünde ise sıcak havaya maruz kalma süresi artacağından elde edilen ürünün nem yüzdesi daha düşük olur. Kurutma sıcaklıkları Giriş sıcaklıkları (inlet) arttırıldığında kurutucunun buharlaştırma kapasitesi artar ve kurutulan partiküllerin yoğunluğu azaldığında daha gözenekli bir yapı elde edilir. Çıkış sıcaklığının (outlet) yükseltilmesi ürünün nem içeriğinin daha düşük olmasına yol açar. Çıkış sıcaklığının düşürülmesi ise kurutmanın eksik ya da hiç olmamasına yol açar; bu nedenle dikkatle seçilecek bir çıkış sıcaklığı aralığında çalışılmalıdır.

5 8. Kurutma İle İlgili Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar Püskürterek kurutma işleminde şu özelliklerin sağlanması gerekmektedir: Etkili kurutucu kullanmak Az kurutucu ile çok su tutmak Hızlı etkili kurutucuyla nemi hızla uzaklaştırmak Kurutulan maddeyi ve kurutucuyu kolaylıkla ayırabilmek Ekonomik olmak

6 UYGULAMA: GIDA ÖRNEKLERİNİN PÜSKÜRTEREK KURUTMA SİSTEMLERİ KULLANILARAK KURUTULMASI Amaç: Bu uygulamanın amacı; sıvı gıdaların laboratuvar ölçekli püskürterek kurutma sistemi kullanılarak kurutulması ve kuruma karakteristiklerinin belirlenmesidir. Materyal: Uygulama 2 no lu laboratuvarda bulunan BUCHI Marka Püskürterek kurutucu sistemi kullanılarak yapılacaktır. Çeşitli sıvı gıda örnekleri kurutma işleminde kullanılacaktır. Uygulama işlem basamakları: 1. Püskürterek kurutma sisteminin bağlantılarını kontrol ettikten sonra kompresörü ve soğutma su banyosunu açılır. 2. İlk olarak aspirator açılır ve kurutma yapılacak değere ayarlanır. 3. Giriş (inlet) sıcaklığı kurutma yapılacak değere ayarlanır ve bu sıcaklık değerine gelene kadar beklenir. 4. Örnek besleme şişesi saf su ile doldurulur ve besleme hortumu içine yerleştirilir. Pompa açılır ve istenilen akış hızına (ml/dk) ayarlanır. 5. Saf su ile besleme sırasında giriş sıcaklığına denk gelen çıkış sıcaklıkları kaydedilir. 6. Çıkış (outlet) sıcaklığı dengelendiğinde besleme hortumu saf su şişesinden çıkartılarak örnek şişesine daldırılır ve kurutmaya başlanır. 7. Kuruyan örnekler hava akımı ile siklona, terminal hız farkından dolayı ise siklondan örnek kabına aktarılır. 8. Örneğin kurutulması sırasında giriş ve çıkış sıcaklıkları kaydedilir. 9. Örnek beslemesi bittikten sonra besleme hortumu tekrar saf su şişesine daldırılır. 10. Saf su beslemesi bir süre yapılarak püskürterek kurutma bağlantılarının temizlenmesi sağlanır. Örneğin Alınması ve cihazın temizlenmesi: 1. Pompa kapatılır. 2. İnlet ve kompresör kapatılır. 3. Cihaz kapatılır. 4. Örnek toplama kabı siklon ile birlikte cihazdan sökülür. 5. Örnek toplama kabı siklondan ayrılır ve kurutulmuş toz darası alınmış santrifüj tüpüne boşaltılır. 6. Püskürterek kurutma sisteminin parçaları çıkarılarak temizlenir. Önce saf su ile sonra analitik saflıkta alkolle yıkanır.

7 Sonuçların değerlendirilmesi ve hesaplamalar 1. Kurutma sırasında not edilen giriş sıcaklıklarını, çıkış sıcaklıklarına karşı grafik haline getiriniz. Dakika Inlet Temperature Outlet Temperature Başlangıç su içeriğini ve örnek su içeriğini kullanarak kütle denkliğini gösteriniz. 3. Ürün verimini aşağıdaki denkliğe göre hesaplayınız. Verim = Örneğin kurumaddesi Ürünün kurumaddesi x Termal etkinliği hesaplayınız.