ŞERBETİN KOYULAŞTIRILMASI (TEPHİR) VE KRİSTALİZASYON
Sulu şerbetin koyulaştırılmasında kademeli buharlaştırıcılar kullanılmaktadır Kademe sayısı fabrikalara göre 4, 5 veya 6 olabilir. Kademeli buharlaştırıcılar üç farklışekilde düzenlenebilir 1) Paralel akımlı kademeli buharlaştırıcılar buhar ve şerbet aynı yönden girip, aynı yönde akar
2) Ters akımlı kademeli buharlaştırıcılar buhar ve şerbet birbirlerine zıt yönde akar ısı iletimi yönünden en verimli buharlaştırıcı ancak şerbetin bir sonraki kademeye iletilmesinde her kademe için ayrı bir pompaya gereksinim var Ayrıca akış kontrolünü sağlamak daha zor 3) Karma akımlı kademeli buharlaştırıcılar buhar ve şerbet akışları ne paralel ne de ters akımlı şekilde düzenlenmiştir. İki sistemin bir karışımı şeklindedir.
Kademeli buharlaştırıcıların ilk kademesinde ısıtma buharı olarak türbin dairesinden gelen çürük buhar (retür) kullanılır Şeker fabrikaları genelde kendi elektriğini kendisi üreten tesislerdir. Bu amaçla kazan dairesinde üretilen yüksek basınçlı buhar türbinlerden geçirilerek elektrik enerjisi elde edilir. Elektriğin elde edilmesinden sonra, türbinden çıkan buhara çürük buhar veya retür buharı adı verilir.
Buharlaştırıcılara giren sulu şerbet 15-17 Bx den 60-70 Bx e koyulaştırılır. Bu şerbete koyu şerbet adı verilir. Her kademedeki şerbetten buharlaşan buhar bir sonraki kademenin ısıtılmasında kullanılır. En son kademedeki şerbetten buharlaşan buhar ise kondensere gönderilir. Bu buharlara buharlaştığı kademenin brüde si denir. (Örn; I. buharlaştırıcıdan çıkan buhar 1. brüde, son kademeden elde edilen buhar vakum brüdesi) Brüdelerin tamamı bir sonraki kademenin ısıtılmasında kullanılmaz, bir kısmı uygun ısıtıcılarda, bir kısmı rafineride şeker pişiriminde kullanılır.
Değişik tipte buharlaştırıcılar var günümüzde düşen film tipi (falling film) buharlaştırıcılar var Eski tip buharlaştırıcıların en yaygın kullanılanı Robert tipi buharlaştırıcı buhar, boruların yüzeyinde ince bir film oluşturarak yoğuşup aşağı doğru akmakta ve bu nedenle ısı aktarım katsayıları çok yüksek
Buharlaştırıcılarda görülen 3 tip kimyasal reaksiyon 1) Şerbet ph sının değişmesi 2) Buharlaştırıcılarda çökeltilerin oluşması 3) Buharlaştırıcılarda invert şeker varlığına bağlı olarak renk artışının oluşması
1) Buharlaştırıcılarda ph ın değişmesi Buharlaştırıcılara giren şerbet ph 8.9-9.2 (II. karbonatlama ph ına eşit) Buharlaştırıcılarda ph düşmesinin en önemli nedenleri: a) Amidlerin parçalanma reaksiyonlarının devam etmesi CONH 2 COOH CH 2 CH 2 H C NH 2 + H 2 O -------- H C NH 2 + NH 3 COOH COOH R COOH COOK CH 2 CH 2 H C NH 2 + K 2 CO 2 -------- H C NH 2 + H 2 O + CO 2 COOH COOK Amidlerin parçalanması sonucunda şerbet buharları ve bunların kondensatları amonyak ve amonyum karbonat içerir.
b) İnvert şekerin parçalanması II. kireçleme ve satürasyonda invert şekerin tam olarak parçalanmadığı durumlarda, invert şekerlerin buharlaştırıcılarda parçalanması sonucu ph da düşme görülebilir Buharlaştırıcılarda ph yükselmesi pek sık görülmez ancak II. karbonatlamada aşırı karbonatlamaya gidildiğinde görülür Aşırı karbonatlamayla oluşan bikarbonatlar, buharlaştırıcılarda karbonatlar haline dönüşürler. 2KHCO3 --------- K 2 CO 3 + CO 2
2) Buharlaştırıcılarda çökeltilerin oluşması Çökelti oluşması, ısıtma yüzeyinin kirlenmesi ve ısı aktarımının azalması sonucunu doğurur, buharlaştırıcıların normal çalışmasını engeller. Çökelti oluşmasının 3 nedeni var: a) düşük şerbet Brix inde az miktarda çözünebilen organik veya inorganik kalsiyum tuzlarının Brix in yükselmesi ile birlikte aşırı doygunluğa ulaşarak çözeltide tutunamamaları b) Buharlaştırıcıda glioksal, oksamin asitlerinin ve allontoinin parçalanma reaksiyonları sonucunda kalsiyum oksalat tuzlarının oluşması c) II. karbonatlamada aşırı karbonatlama sonucunda oluşan bikarbonatların buharlaştırıcıda parçalanarak tekrar CaCO 3 oluşturması sonucunda oluşur. Ca(HCO 3 ) 2 ------------ CaCO 3 + CO 2 + H 2 0
3) Buharlaştırıcılarda renk artışının oluşması a)şekerin parçalanması ve bu invert şekerin buharlaştırıcılarda yüksek T de beklemesiyle karamelizasyon ve renk artışı oluşur Renk artışı; şerbetin ph' sına, buharlaştırıcılarda kalış süresine bağlı Sıcaklığın 10 C artarsa renk artışı 3 kat hızlanır ph 10 da renk artışı ph 9 a göre 1.5-2.0 katı daha hızlı b) Yetersiz II. kireçleme ve invert şekerin II. kireçlemede parçalanmaması sonucu invert şekerin buharlaştırıcılarda parçalanması c)invert şeker ile amino asitler veya amonyak arasında kondensasyon reaksiyonları (Maillard reaksiyonu) sonucunda boyar maddeler oluşur. Bu oluşan boyar maddeler melas renginin % 40' ını oluşturmaktadır. Sülfitasyonla Maillard reaksiyonlarının önüne geçmek mümkündür. Ancak sülfitlemede ph kontrolü çok iyi yapılmalı ve ph=8.5 değerinin altına inilmemelidir.
ŞEKERİN KRİSTALİZASYONU Belirli saflıktaki şeker, belirli sıcaklıkta, belirli bir çözünürlüğe sahiptir. Bir miktar su içerisine yavaş yavaşşeker ekleyerek çözündürülürse sonunda şekerin çözünmediği bir noktaya varılır. Çözelti doygunluğa ulaşmıştır (doymuş çözelti). Aynı çözelti süzülüp doygunluğa bırakıldığında başlangıçta şeker kristalleri görülmez. Ancak içerisine birkaç küçük şeker, kristal, atılıp karıştırıldığında, birdenbire kristallenme olur. Çözeltinin kristal oluşumundan önceki durumuna aşırı doymuş çözelti denir. Üç değişik doymuşluk alanı vardır: Metastabil alan: Çözeltide yeni kristal oluşmaz, mevcut kristaller büyür. Kararsız alan: Çözeltide kristaller mevcut ise yeni kristaller de oluşabilir. Kararlı alan: kristal çekirdekleri kendiliğinden oluşabilir.
Şekerin kristal halinde elde edilmesinde çeşitli metotlar kullanılabilir. Şeker fabrikalarında buharlaştırma yolu ile kristallendirme uygulanmakta Pişirme başlarken ve sürdürülürken en önemli işlemler şurup çekmek ve koyulaştırma Şurup çekme; pişirim yapılan lapa safiyetine uygun şurupların sırasıyla alınmasıdır. Pişirime daima safiyeti yüksek şurupla başlanır. Dane tuttuktan sonraki koyulaştırma sırasında yine en yüksek safiyetliden başlamak üzere, diğer şuruplarla lapa beslenir. İlk alınan safiyeti yüksek şurupla metastabil bölgeye kadar gelinir. Bu noktada şuruba pudra şekeri verilir. Bu işleme maya verme denir. Maya verme erken veya geç yapılmamalıdır. Erken verilen maya çözünür ve işe yaramaz, geç kalındığında ise kendi kendine kristalleşme oluşabilir, homojen irilikte kristal oluşmaz, ikiz taneler oluşur.
Pişirim sırasında yeni kristaller oluşmamalı, bütün lapada aşırı doygunluk metastabil alanda ve değişmez tutulmalıdır. Lapa; şurup ve kristal karışımı Pişirim cihazında çözelti içerisindeki suyun buharlaşması ve sakarozun kristalleşmesi nedeniyle konsantrasyon farkları oluşur. Suyun buharlaştığı noktada sakaroz konsantrasyonu çok yükselir ve metastabil alan sınırı aşılarak yeni kristal oluşumu başlar. Sonuç olarak, kristal yapısı bozuk ve kalitesiz şeker elde edilir. Kristallerin oluştuğu ve büyüdüğü yerlerde ise, kristal etrafındaki şurup devamlışeker kaybedeceğinden, doygunluğu azalır. Bu durum kristallenme hızını azaltacağından, kristallerin devamlı olarak daha yüksek aşırı doygunluktaki ortamlara girmesini sağlamak amacıyla, pişirimde mekanik karıştırıcılı vakum sistemleri kullanılır.
Maya verildikten sonra danelerin gelişmesi beklenir, daneler görülmeye başlanınca, sırasıyla safiyeti yüksek şuruptan düşüğe doğru şurup çekilerek kristaller beslenir. Pişirime yüksek safiyetli lapalarda 92 Bx, son şeker lapasında ise 94 Bx oluncaya kadar devam edilir. Pişirim cihazından refrijerantlara boşaltılan lapa soğumaya başlar. Bu sırada aşırı doymuşluk artar ve kristallerin büyümesi devam eder. Lapanın kristallenme hızı nelere bağlı: safiyetine iletkenliğine (kül miktarı) viskozitesine invertşeker içeriğine kristal büyüklüğüne
Lapa safiyeti arttıkça kristallenme hızı artar Lapa içindeki tuz varlığı sakaroz çözünürlüğünü artırır kristallenme yavaşlar melasa giden şeker artar Lapada invert şeker bulunması renge olumsuz etki yapar sakaroz çözünürlüğünü artırır melasa giden şeker artar Lapa viskozitesi artınca sirkulasyon zorlaşır ısı aktarımı azalır kristallenme hızı azalır
Afinasyon Amaç: kristallerin üzerini kaplayan düşük arılıktaki şurup zarını uzaklaştırmak (aynı zamanda ağartma da yapılmış olur) Bir şekerin afine edilmesi için; 90-95 C deki doymuşşeker çözeltisi, şurup veya yeşil şurup ile karıştırılarak suni bir lapa yapılır. 20-30 dakika karıştırılır. Yüksek T viskoziteyi düşürdüğü için kristal üzerindeki şurup kolayca yıkanır. Karıştırmadan sonra santrifüjde bu yapay lapadan kristal ve şurup ayrılır.
Santrifüjde elde edilen şeker buhar veya sıcak su ile yıkandığında biraz şeker de çözeceğinden, buradan çıkan yıkama şurubunun saflığı lapanın kendi bünyesindeki ana şuruba göre daha yüksektir. beyaz şurup denen yıkama şurubu yeşil şurup denen lapa ana şurubundan ayrılmalı Lapa pişirim sonrası refrijerantlara (tekne biçiminde açık kap) boşaltılır. Son şeker refrijerantları lapanın soğutulabilmesi veya ısıtılabilmesi için boru karıştırıcılı veya ceketli şekilde yapılmıştır. Şeker sanayiinde kullanılan santrifüjler: Sürekli santrifüjler Kesikli santrifüjler: Yarı otomatik santrifüjler Tam otomatik santrifüjler
Lapa santrifüje alındıktan sonra devri yavaş yavaş son hıza çıkarılır. Bu sırada kristaller arasışurup (yeşil şurup) büyük ölçüde uzaklaşır. Ancak şeker kristalleri hala sarı renklidir. Temiz beyaz şeker elde etmek için santrifüjlemek yeterli değildir. Şekeri beyazlaştırmak için lapaya su veya buhar verilir. Kristaller üzerindeki şurup yıkanırken, bir miktar da şeker çözündürür. Böylece safiyeti yeşil şuruptan daha yüksek olan beyaz şurup elde edilir. Santrifüjde iyi bir yıkama ile afine şekerde homojen ve açık bir renk elde etmek mümkün olur.
Melas, son şeker lapasının santrifüjden geçirilmesi ile ayrılan şurup. Pancarın şekere işlenmesi sırasında ortaya çıkan, koyu esmer renkli artık madde. 100 kg pancarın işlenmesinde ortalama 4 kg melas ayrılır. * Bileşiminde % 50 nin üzerinde sakaroz var * Pancardaki sakarozun yaklaşık %2 si melasta kalır * Bileşiminde % 30 şeker dışı maddeler % 20 su % 0.78 rafinoz % 0.33 invertşeker % 10 kül * melastan sakarozu normal yöntemlerle ve ekonomik olarak almak mümkün olmaz. Değerli bir hayvan yemi olan melas ekmek mayası ve ispirto üretiminde kullanılmaktadır.
ŞEKERİN KURUTULMASI VE AMBALAJLANMASI santrifüjlerde sıvı fazdan ayrılan şeker (buhar/su ile yıkandığıiçin %0.5-2.5 nem içerir,sıcaklığı 60-70 C) kurutma ve soğutma (depolanabilmesi için su içeriği %0.02-0.04, sıcaklığı <30 C) (şeker arzu edilen neme kadar kurutulsa bile, nem çekici özelliği nedeniyle nem içeriği tekrar artar) dikey tavanlı kurutucular yatay kurutma tromelleri (genelde) (Kurutma tromelinde 1. kademede kuruyan şeker 2. kademede soğuk hava ile soğutulur) eleklerde eleme Şekerin kullanım yerine göre belirli irilikte olması istenir. Elemede sürtünmeden dolayı kristal taneleri parlaklığını yitirmemeli ambalajlama
ŞEKERİN DEPOLANMASI Birkaç ay süren kampanya sırasında üretilenşeker bu süre içerisinde tüketilemez. Büyük bir kısmı depolanır. Pamuklu dokuma veya kağıt torbalara doldurulur. Ambarlara yerleştirilir veya dökmeşeker olarak silolarda da depolanır. Şeker ambarı ısıtma düzeneği ile donatılmalıdır. Sıcaklık 20 C nin altına düşmemeli Nisbi nem 60-70 civarında olmalı Nisbi nemin depolananşeker üzerindeki etkileri Bağıl Nem (%) 100 80-90 60-70 40-50 Etkileri Yoğunlaşma şeker ıslanır Tehlikeli bölge şeker nemlenir Emin bölge şeker değişmeden kalır Kuru bölge şeker fazla kurur
Rafineri ünitesinde kristal şeker pişirimi işlemi koyuşerbetin, kristal beyaz şurubu, orta şeker ve afine şeker ilavesini takiben hazırlanan standart şurubun kuru madde içeriği % 92-93 oluncaya kadar koyulaştırılması işlemidir. Orta Şeker Pişirimi: Kristal şeker santrifüjlerinden elde edilen şurup, ikinci defa orta şeker vakumlarına gönderilerek kristal şeker vakumlarında olduğu gibi tekrar pişirim işlemine tabi tutulur. Orta şeker pişiriminde elde edilen lapa, orta şeker sürekli santrifüjlerinde işlenerek rengi biraz esmer olan orta şeker elde edilir. Orta şeker, piyasaya verilecek saflıkta olmadığından yukarıda bahsedilen standart şurubun hazırlanmasında kullanılır. Ortaşeker şurubu ise, üçüncü bir pişirim işlemi için son şeker vakumlarına gönderilir.
Son Şeker Pişirimi: Orta şeker şurubunun safiyeti hala şeker üretmeye yetecek kadar yüksek olduğu için bu şurup son şeker vakum cihazlarına gönderilerek son defa pişirime tabi tutulur. İşlem, orta ve son şeker pişirim işlemlerine benzer. Elde edilen son şeker lapası, son şeker sürekli santrifüjlerinde işlenerek son şeker ve melas elde edilir.