Karıştırma ve Karışımlama Makinaları

Karıştırma ve karışımlama işlemleri birbirinden farklı işlemlerdir.

Karıştırma (agitating), kap içindeki bir fazın içerden ya da dışardan bir etki ile dairesel hareketi şeklinde tanımlanabilir.

Tereyağı üretiminde kullanılan döner tip yayıkların sütü çalkalaması, silo tanklarda duran süt, şeker şurubu ve yemeklik yağ gibi ürünlerin homojenliğinin bozulmaması için sürekli karıştırılması gibi.

Karışımlama

Karışımlama (mixing veya bleding) ise, çoğu kez karıştırma birim işleminden hemen sonra yapılan, iki ya da daha çok fazın içerden bir etki ile hareket ettirilerek birbirleri içinde dağılması, bir başka deyişle heterojen yapının bozulması ve tekdüze bir karışım elde edilmesidir.

Eritme (krem) peyniri, dondurma, çukulata miksleri ve fırıncılık (ekmek, bisküvi, peksimet, kraker vb.) ürünleri ile ilgili hamurların hazırlanması gibi.

Karışımlamada kullanılan terimler

Karışımlama işlemi için yabancı dillerde farklı terimler ile tanımlanmaktadır.

Örneğin, iki fazın boyutlarının küçültülerek karıştırılması (blending, kneading, milling),

ürünün dispers hale getirilmesi (dispersing) ve

çalkalama (shaking)

Şekerin çay içinde kaşıkla karıştırılarak (stirring) eritilmesi gibi

Gıda endüstrisinde ürünlerin karıştırılması ve karışımlanmasının amaçları

Birbirine karışmayan iki sıvı ya da yarı-sıvı fazı birbiri içinde dağıtmak (sıvı-sıvı emülsiyonu ya da suspansiyonu),

Birbirine karışabilen sıvı ya da yarı-sıvı fazları karışımlamak,

Katı ya da yarı katı fazların sıvı ya da yarı-sıvı fazlar içinde düzenli dağılımını sağlamak (sıvı-katı süspansiyonu),

Sıvı faz içine gaz fazının dağılımını sağlamak,

Sıvı faz ile onu çevreleyen kabın çeperi arasında ısı aktarımı sağlamak (ısıl iletim, ısıl taşınım).

Tanklar

Genelde tank veya tekne olarak tanımlanan ve karışımın ya da karışımlama işleminin içinde gerçekleştirildiği kaplar yerine göre işlem tankı, silo tank, mayalama teknesi, mikser kazanı gibi çeşitli adlar alırlar.

Yatay ya da düşey eksenli olabilen tanklar,            5 -100.000 litre hacminde sıvı ürün silo tanklarına kadar çeşitli büyüklükte yapılırlar.

Kap, sabit ya da hareketli, yatay ya da düşey eksenli, işlemin özelliğine göre tepesi atmosfere açık ya da kapalı, tek ya da çift ceketli yalıtımlı ya da yalıtımsız genellikle paslanmaz çelik malzemeden yapılmış olabilir

Şekil 4.56. Çeşitli kapasitelerde balans tankları

Tank aksesuarları

Genellikle tepeden veya yandan giriş yapan ve bir elektrik motoru ile tahrik edilen şafta (mile) bağlı “karıştırıcı” (pervane, palet, turbin vs) ile ürünün hareketi sağlanır.

Tanka ayrıca, amaca göre sıcak su, buhar, soğuk su giriş ve çıkış boğazları, vanalar, sıcaklık ve vakum ölçerler ile gözetleme camı gibi elemanlar bağlanır.

Şekil 4.57 (a) Yalıtımlı ve paletli karıştırıcılı silo tank, (b) Çift cidarlı soğutmalı veya ısıtmalı tank (c) İçinde sıyırıcı tip karıştırıcılı buhar ceketli özel işlem tankı.

Karıştırıcılar

Karıştırıcılar sıvı üründe oluşturdukları akıma göre ikiye ayrılırlar. Karıştırıcı şaftına paralel akım oluşturanlara “üst akım karıştırıcılar”, karıştırıcı şaftına teğetsel ya da yarıçap yönünde sıvı akımı oluşturanlara ise “merkezkaç akım karıştırıcılar” denir.

Karıştırıcılar pervaneler, çarklar ve türbin karıştırıcılar olarak üçe ayrılır.

Pervaneler

Üst akım oluşturan ve düşük viskoziteli ürünler için kullanılan yüksek devirli karıştırıcılardır.

Dönen pervane sıvı içinde bir heliks oluşturur. Pervanenin bir tam devri sonunda, sıvı, pervane kanatlarının eğimine bağlı olarak uzunlamasına belirli bir uzaklığa iletilmektedir. Bu uzaklığın pervane çapına oranına “pervanenin atış uzaklığı” denir.

Şekil 4.58. Şekil 4.58 (a) Kare atışlı standart üç kanatlı, (b) Özel iki kanatlı, (c) Özel üç kanatlı kapalı

Çarklar

Çarklar iki ya da çok bıçaklı (paletli), bağlı oldukları şafta dikey konumlandırılmış, orta viskoziteli sıvılar için kullanılan karıştırıcılardır.

Çift ceketli ısı aktarımlı işlem tanklarında, ısıya karşı hassas ürünlerin iç cidara yapışarak esmerleşmesini önlemek amacıyla sıyırmalı bıçaklı karıştırıcılar kullanılır.

Şekil 4.59 Çarklı karıştırıcılar a) Düz çarklı, b) Atışlı çarklı, c) Çapalı çarklı

Türbinler

Tank eksenindeki bir şafta bağlı çok sayıda bıçak ya da kanatçıktan oluşan karıştırıcılardır.

Kanatçıklar düz, eğri, açık, yarı açık ya da örtülü olabilirler.

Güçlü akımlar oluşturan türbinler geniş bir viskozite alanı içinde etkilidirler (Şekil 4.60)

Türbinli karıştırıcıda, sıvının kanatçıkları çevrelediği bölgede yüksek kargaşalı ve sürtünmesi fazla olan hızlı bir akım oluşmaktadır. Asıl sıvı akımı yarıçap yönündedir.

Şekil 4.60 Türbinli karıştırıcılar (a) Açık düzgün bıçaklı, (b) Kanatlı diskli, (c) Kıvrık bıçaklı, (d) Kıvrık bıçaklı difüzörlü

Karıştırıcılı Tanklarda Akım Tipleri

Karıştırıcılı bir tanktaki akım tipi, karıştırıcının tipine, sıvı ürünün özelliklerine, tankın, karıştırıcının ve engellerin boyutlarına göre değişir.

Karıştırıcı şaft tank eksenine yerleştirilmiş ise sıvı yüzeyinde girdap oluşturur.

Girdap, bazı durumlarda istenmeyen bir olaydır. Örneğin çikolata ve dondurma miksinde fındık parçaları varsa, parçalar merkezkaç kuvveti ile dışa doğru atılır, oradan aşağı inerek tankın merkezinde toplanırlar.

Şekil 4.61 Girdap oluşumunun şematik görünümü

Girdap olayını önlemenin yolları

Küçük tanklarda karıştırıcı, tankın merkezi dışına yerleştirilebilir.

Büyük tanklarda karıştırıcı, tankın yan tarafından giriş yapar.

Dikey ve merkezi karıştırıcılı olan tankların çevresel iç yüzeyinde dikey engeller (dalgakıran) koyulabilir.

Şekil 4.62 (a) Şaft merkez hattı dışında, (b) Yandan girişli şaft, (c) Merkez şaftlı dalgakıranlı tank

Çekme Tüpleri

Karıştırıcılarda akım yönü ve hızının kontrolü istendiğinde çekme tüpleri kullanılır

Tüpler pervaneli karıştırıcılarda pervanenin etrafına, türbinli olanlarda karıştırıcının üzerine yerleştirilir.

Belli emülsiyonların hazırlanmasında kullanılır

Dolaşım (sirkülasyon) Hızı

Karıştırıcı tarafından birim zamanda yeri değiştirilen sıvı hacmine karıştırıcının “karıştırma kapasitesi” ya da “dolaşım hızı” denir.

Döner Kaplı Karıştırıcılar

Bir elektrik motoru ile tahrik edilen karıştırıcı, kap merkezine yerleştirilmiş bir şaftın ucundaki çok sayıda bıçakçık veya parmakçıktan oluşmuştur.

Karıştırıcı çalışırken kap, karıştırıcının ters yönünde dönmektedir.

Boyut Küçültme Makinaları

“Küçültme” terimi katı, yarı katı, sıvı içinde yarı katı ve sıvı içinde sıvı bulunan ve karıştırılamayan parça ve parçaların daha küçük parça ve/veya parçacıklar haline dönüştürülmesi işlemlerini tanımlamakta kullanılır.

Katı veya yarı katı maddelerin boyutlarının küçültülmesi amacıyla uygulanan işlemler

Sıkıştırma (ezme)

Vurma

Sürtme (ovalama)

Kesme

Parçaların boyutlarının küçültülmesi ile gıda endüstrisine sağladığı yararlar

Maddenin kimyasal tepkime yeteneği artar.

Kurutma, ısıtma veya soğutma, ekstraksiyon hızları ve etkileri  artar.

Herhangi bir ürün için önceden belirlenmiş parçacık boyutunun dağılımı sağlanır (baharatlar, mısır nişastası).

Benzer boyuttaki bir parçacık dağılımı ve bileşenlerin daha iyi karıştırılması sağlanır (kuru çorba, kek karışımları).

Emülsiyon süspansiyon stabilitesi sağlanır

Boyut küçültme işlemi

Katı parçaların boyutlarının küçültülmesi

Yarı katı parçaların boyutlarının küçültülmesi

Sıvı içindeki yarı katı, sıvı ve karıştırılamayan parçaların boyutlarının küçültülmesi

Şeklinde gerçekleştirilebilir.

Boyut küçültme makinaları

kırıcılar,

öğütücüler,

ince öğütücüler ve

kesme makinaları

olmak üzere genelde dört ana grup altında toplanabilir

Bilyalı Değirmenler (Ball Mills)

Gıda endüstrisinin genellikle tahıllarla uğraşan işletmelerin konusunu oluşturan ince öğütücüler, ürünü toz haline getiren makina ve düzenlerdir.

Gıda boyaları gibi ince partiküllü ve toz halindeki ürünlerin üretiminde kullanılırlar.

Çekiçli Değirmenler (Hammer Mills)

Çekiçli değirmenler daha çok baharat ve şeker gibi kristal yapıdaki veya lifli gıdalarda yaygın olarak kullanılırlar.

Valsli Değirmenler (Disc Mills)

Valsli değirmenler yaygın olarak buğday öğütmek için kullanılırlar.

İki ya da daha çok sayıda paslanmaz çelik vals birbirine doğru döner ve gıda parçacıklarını valsler arasındaki boşluktan dışarı atar.

Burada kullanılan ana kuvvet valsler arasında bırakılan boşluğun yarattığı sıkıştırmadır ancak, eğer valsler değişik hızlarda dönerlerse, gıdaya ilave kesme kuvvetleri de etki eder.

Vals aralığı değiştirilerek işlenen gıdaya özgün özellik geliştirmek üzere istenen şekilde ayarlanabilir.

Boyut küçültmede kullanılan valsler

Kırma valsleri

Öğütme valsleri

Kırma valsleri dişli, öğütme valsleri dişsiz, düz valslerdir.

Evrika

Öğütme işlemi

Öğütme işlemi, un ya da irmik üretimi esas alınarak buğdayın, bir seri ve aralıkları giderek küçülen vals ve elek sistemlerinden geçirilmesi ile gerçekleşir.

Buğday ilk aşamalarda kırma valslerinden geçirilir. Önce danenin kabuk tabakası kırılır, protein ve nişastadan oluşan endosperm parçalanır ve embriyo ayrılır.

İkinci ve üçüncü kırımlarda endosperm parçaları küçülürken daha plastik bir yapıya sahip olan embriyo ezilir (yassılaşır) ve kepeği oluşturan kabuk parçacıkları (pulcuklar) giderek ufalanır.

Yarı katı gıdaların boyutlarını küçültmek için

Yarı katı gıdaların (et, meyve,sebze) Sıkıştırma, kesme, parçalama ya da yırtma işlemlerinden birisi ile ufalayan makina veya ekipmanlara “Kesme Makinaları” denir.

Kesme makina ve ekipmanları dört gruba ayrılır.

pul (flake) haline getiren dilimleme makinaları

nKüp yapanlar,

nŞerit (shreding) yapanlar ve

Pulp yapan makinalar.

Dilim ve Pul Haline Getiren (Flaking) Makinalar

Elma gibi bazı sert meyveler için de değişik tipte kesiciler kullanılır.

Balık, fındık ve etlerin pul (flake) haline getirilmesinde kullanılan ekipmanlar

Peynir dilimleri, salam dilimleri yapanlar

Küp Yapan (Dicing) Makinalar

   Sebze, meyve ve etler, küp şekli verilmek üzere önce dilimlenirler, daha sonra da döner bıçaklar ile şerit haline getirilirler.

Pulp Yapan Makinalar (Pulpers)

Meyve ve sebze suyu ekstraksiyonunda (sıkıp çıkarma), yemeklik yağ üretiminde, püre ve et imalatında ön işlemlerde kullanılırlar.

Silindirik yatay bir gövde içinde yine yatay konumlandırılmış yüksek devirle dönen bir şaftın üzerine, uçları sertleştirilmiş çelikten yapılmış bıçaklar yerleştirilmiştir.

Her bıçağın karşısında gövde üzerinde birer bıçak yastığı konulmuştur. Bıçak uçları ile bıçak yastıkları arasındaki boşluk, ürünün istenilen boyuta indirgenmesi amacı ile ayarlanabilir. Ürün, dönen bıçaklar tarafından yüzlerce kez kesilerek ufalanır ve silindirik elekten aşağıya geçer.

Şekil 4.69 Döner bıçaklı bir pulperin kesit görünümü

Presler yapılarına ve çalışma ilkelerine göre

Kesikli çalışan presler

–Dik sepetli presler

–Yatık gövdeli presler

–Paketli presler

2. Sürekli çalışan presler

–Vidalı presler

–Bant presler

Kesikli Çalışan Presler

Preslenecek hammadde partiler halinde beslenir. Preslemeden sonra kalan “posa” boşaltılır ve yerine yeni bir parti konur. Daha çok meyve suyu, zeytin yağı üretiminde kullanılan kesikli çalışan presler çok çeşitlidir.

Kesikli çalışan presler içinde en eski ve ilkel olanı dik sepetli prestir.

Yatık gövdeli preslerde pres gövdesi, delikli paslanmaz çelikten yapılmış ve yatay olarak konumlandırılmıştır (Şekil 4.70).

Şekil 4.70.  Willmes ABC presinin şematik çalışma ilkesi 1) Pres tabanı, 2) Basınç tablası, 3) Pres gövdesi, 4) Süzme ve karıştırma sicimleri

Paketli presler her türlü meyvenin preslenmesine uygundur ve yaygın olarak kullanılır.

Mayşe (püre haline getirilmiş meyve),zeytinler vb sentetik malzemeden bezler içerisinde, bohçalar halinde ve her bohça arasına birer kafes konularak ve üst üste yerleştirilerek, bir paket halinde hidrolik yöntemle sıkıştırılır.

Pres bezleri su emmeyen sentetik malzemeden yapılır (koku ve tadı etkilemeyen malzemeler tercih edilir)

Basınç kademeli olarak artırılır 25 dak. Da presleme tamamlanır

Sürekli Çalışan Presler

Sürekli çalışan presler vidalı ve bantlı preslerdir.

Vidalı presler genelde yatık delikli bir silindir ile gövde içinde döner hareketli sonsuz bir vidadan oluşur.

Hammadde delikli gövde ile bu vida arasında sıkışarak preslenir.

Ayçiçeği, pamuk gibi yağlı tohumların ön preslemesi vidalı presle, ikinci presleme ise bir filtre pres ile yapılır (Şekil 4.72).

Şekil 4.72. Vidalı presin kesit görünümü
1) Pres gövdesi 2) Posa çıkış boğazı hidrolik kapağı, 3) Ham ürün girişi, 10) Su-ham yağ ön çıkışı, 11) Su-ham yağ çıkış boğazı

Vidalı presler

Vidalı preslerde vida adımı giderek daraldığından başlangıçtaki düşük basınç giderek yükselir.

Böylece pres basıncı presleme silindiri boyunca yükselir.

Preslenmiş olan posa ya da küspe, ayarlı basınç değerini aştığında, kapak açılır ve dışarı atılır

Bant presler

Bant preslerde ilke, mayşenin iki bant arasına sıkıştırılmasıdır.

Şekil 3.26’da görüldüğü gibi iki bant arasındaki aralık mayşenin girişinden itibaren azalmakta ve mayşe giderek artan bir basınçla karşı karşıya kalmaktadır.

Şekil 3.26. Bant pres

Preslemede işlemini etkileyen faktörler

Preslenen maddenin yapısı

pres basıncı

alınan suyun ya da ham yağın viskozitesi

pres kekinin kalınlığı

Presleme sıcaklığı

Sıvı Gıdalarda Boyut Küçültme (Emülsifikasyon ve Homojenizasyon)

Emülsifikasyon , dispers fazı sürekli faz içinde çok küçük damlacıklar halinde   bulunacak şekilde birbiri ile karıştırılamayan iki veya daha fazla fazın stabil (kararlı) bir emülsiyon oluşturmasıdır.

Homojenizasyon ve homojenizatörler

Sıvı faz içinde emülsiyon fazında dağılmış bulunan parçacıkların çaplarını küçülterek ortamın emülsiyonunu stabil hale getirmek, bir başka deyişle emülsiyon fazındaki parçacıkların sıvı faz içindeki doğal sedimentasyonunu durdurmak veya yavaşlatmak amacıyla yapılan mekanik işleme homojenizasyon denir (0.5-30 µm).

Meyve suyu ve süt end. sıklıkla kullanılır.

Homojenizasyon

Sütü doğal olarak kendi haline bıraktığımızda ise yapısındaki süt yağı globülleri, negatif sedimentasyon etkisi ile bir krema tabakası oluşturacak şekilde yüzeyde birikirler.

Pastörize içme sütlerinde şişenin boğazında toplanan kaymak, halk arasında sütün yağlı olduğu kanısını uyandırırsa da bu nitelik, gerçekte pastörize içme sütlerinde istenmeyen bir görüntüdür.

İyi homojenize edilmemiş sterilize sütlerde krema, kutu köşelerinde kümeleşir. Süt yağının, sıvı faz içersinde belli oranda bulunması ve homojen olarak yapıya dağılmış olması istenir.

Homojenizasyonun amaçları

Sütün homojenize edilmesinde ana amaç, yoğunluğu akışkan fazdan daha az olan ve doğal olarak yüzeyde toplanma eğiliminde bulunan yağ taneciklerinin çaplarını küçülterek hareketlerini durdurmak veya çok yavaşlatmaktır.

Süt ürünlerinin cinslerine göre rengin beyazlaştırılması, viskozitenin arttırılması yani kıvam veya koyuluğun sağlanması, tadın iyileştirilmesi gibi genellikle süt yağının homojenize edilmesi sonucunda ulaşılan diğer amaçları da vardır.

Tam ve kısmi homojenizasyon

Homojenizasyon, tam veya kısmi homojenizasyon olarak ikiye ayrılır. Tam homojenizasyonda sütün tamamı homojenizatörden geçirilir.

Sütün yağ oranı düşükse yağ taneciklerinde birleşme olmaz. Bu süte “mikronize” süt denir.

Kısmi homojenizasyonda daha önce tamamı sütten ayrılmış olan krema homojenize edilir.

Kremada yağ oranı %12’yi geçmemelidir. Aksi halde yağ taneciklerinde birleşme hemen başlar.

Şekil 4.73.  Homojenizasyonun yağ globülleri üzerindeki etkileri

Homojenizasyonu Etkileyen Faktörler

Sıcaklık

50-60 derece ve üzeri ?

Basınç (pastörize sterilize sütler ?)

∆t=P*100/ρ*c

Meme Yapısı

Düşük basınçta yüksek kavitasyon yaratmalı

Homojenizasyon

Homojenizasyonu gerçekleştiren yüksek basıncı sağlayan pompa, güçlü bir elektrik motoru ile tahrik edilmektedir.

Elektrik motorunun dönüş hareketi, bir krank mili yardımıyla pompanın piston kollarına iletilerek gidip-gelme hareketine dönüştürülür.

Homojenizasyon

Homojenizasyon olayı üç faktöre bağlı olarak oluşmaktadır.

1. Yağ globülleri, homojenizasyon kafasındaki çok dar aralıktan yüksek hızla geçerken çok güçlü bir bölünme kuvvetinin etkisinde kalarak önce uzar sonra bölünür, daha sonra da küresel tanecikler oluştururlar.

2. Akışkanın bu dar aralıkta hızlanışı, yağın buharlaşma basıncı değerinin de altındaki değerde bir basınç kaybı ile birleşir. Bu birleşme, yağ taneciklerinin çok güçlü çökme kuvveti ile karşı karşıya kalmaları anlamında olan kavitasyonu yaratmaktadır.

3. Sonunda yağ tanecikleri, dar aralık içersinde çok yüksek hıza ulaştığında bölünme olayı gerçekleşmektedir.

Şekil 4.75. Homojenizatörün kesit görünümü

1. Sistem motoru, 9. homojenizatör kafası

Şekil 4.76. Homojenizasyon kafası parçaları ve kesiti

Homojenizasyon işleminde kullanılan ekipmanlar

1. Yüksek hız karıştırıcıları

2. Basınçlı homojenizatörler

3. Kolloid öğütücüler

4. Ultrasonik homojenizatörler

5. Hidrolik  kesme ve mikro akışkan yatak homojenizatörler

…