Peynir altı suyu evaporatörünün çıkış konsantrasyonu neden önemlidir
Süt sektöründe peynir altı suyu ve ultrafiltrasyon permeatı, ayırma adımlarından kristalizasyon veya kurutmadan önce konsantre edilmesi gereken seyreltik akımlar olarak çıkar. Tetra Pak Dairy Processing Handbook, peynir altı suyunu %6 katı madde içeriğinden %32 düzeyine konsantre eden düşen film evaporatörü tasarımlarını tarif eder ve buharlaştırma sonrası tipik katı madde içeriklerini peynir altı suyu için %58–65, permeat için %70–75 olarak verir [1]. Son efektten çıkan konsantre, laktoz kristalizasyonunun ve sprey kurutmanın beslemesidir ve el kitabı bu sonraki adımların her biri için belirli bir kuru madde aralığı öngörür [1][2].
Düşen film buharlaştırma ve onu sınırlayan etkenler
Düşen film evaporatöründe ürün, dikey boruların iç yüzeyinde film halinde aşağı doğru akarken buhar dış yüzeyde yoğuşur; filmdeki boşluklar yerel aşırı ısınmaya yol açar, ürün yapışır, ısı transferi ve temizlik olumsuz etkilenir [1]. Konsantrasyonun ne kadar ileri götürülebileceğini viskozite ve ısıl kararlılık gibi ürün özellikleri belirler [1]. Yeni Zelanda'da yağsız süt, tam yağlı süt ve yayık altını konsantre eden evaporatörlerde Jebson ve Iyer, °C başına 0,3 ila 3,2 kW/m² ısı transfer katsayıları ölçmüş ve bunları belirleyen başlıca etkenlerin besleme viskozitesi ile buharın momentumu olduğunu bulmuştur [3]; bu veriler peynir altı suyuna değil, süt ürünlerine aittir.
Peynir altı suyu ve permeatta mineral fraksiyonu ikinci bir sınır ekler. Tanguy ve ark., peynir altı suyu konsantrasyonu sırasında evaporatör borularında biriken kütlenin esas olarak peynir altı suyunun mineral bileşimine bağlı olduğunu ve bu bileşimin üretim prosesine göre önemli ölçüde değiştiğini belirtir [4]. Farklı asitlerle pH 4,6–6,3'e asitlendirilmiş sütten elde edilen ultrafiltrasyon permeatlarının konsantre edilmesi ya hiç çökelme vermemiş ya da kalsiyum fosfat ve kalsiyum sitrat çökelmesine yol açmıştır; bu davranış, ortamdaki iyonlar, bunların konsantre pH'ındaki anyonik formları ve kalsiyum tuzlarının çözünürlük sınırları üzerinden değerlendirilebilmiştir [4].
Laktoz kristalizasyonu ve kurutucu
Wong ve Hartel, kristalizör tasarımının, proses parametrelerinin ve safsızlıkların peynir altı suyu çözeltilerinden laktoz kristalizasyonunu nasıl belirlediğini derlemiş ve endüstriyel prosesin hâlâ optimum olmaktan uzak olduğu sonucuna varmıştır [5]. Laktoz üretiminde peynir altı suyu veya ultrafiltrasyon permeatı önce %60–62 kuru maddeye kadar buharlaştırılır, ardından kristalizasyon tanklarına aktarılır [2]. Toz ürünlerde peynir altı suyu konsantresi genellikle buharlaştırılır, ani soğutulur ve küçük laktoz kristalleri oluşacak şekilde kristalize edilir; çünkü bu yöntem, nem çektiğinde topaklanmayan, higroskopisitesi azaltılmış bir ürün verir; kristalize permeat yaklaşık 4–6 saat sonra sprey kurutucuya beslenir [2].
O’Shea ve ark., konsantre viskozitesinin izlenmesinin pompa tıkanmasını önlemeye, buharlaştırmada su uzaklaştırmayı en üst düzeye çıkarırken kirlenmeyi sınırlamaya ve sprey kurutmada nozul kirlenmesini önlemeye yardımcı olduğunu ekler [6].
Toplam katı maddenin ölçümü: referans ve hat içi seçenekler
ISO 6731 | IDF 21, süt, krema ve evaporasyon sütünün toplam katı maddesi için referans etüvde kurutma yöntemini tanımlar [7]. Peynir altı suyu ve permeat konsantreleri bu standardın belirtilen kapsamı dışında kalır; dolayısıyla tesisin bunlar için kullanacağı referans kurutma yöntemi tanımlanmalı ve belgelenmelidir.
Floren ve ark., yaklaşık 5,5 ila %18 toplam katı madde içeren buzağı süt ikame çözeltilerinde dijital ve optik Brix refraktometre okumalarının toplam katı maddeyle yüksek korelasyon gösterdiğini, ancak toplam katı maddeyi tahmin etmek için Brix okumasına 1,08 ila 1,47 eklenmesi gerektiğini bulmuştur [8]. Bista ve ark., hat içi akustik bir akış ölçeri laboratuvar ölçeğinde, 45 °C'de ve %4–21 toplam katı madde aralığında süt protein konsantresi üzerinde değerlendirmiştir: akustik empedans, R² değeri 0,96'nın üzerinde olacak şekilde protein ve toplam katı madde içeriğiyle ilişkilendirilebilmiş, ancak bu ilişki protein/toplam katı madde oranına bağlı kalmıştır [9]. Her iki durumda da toplam katı maddeye dönüşüm bileşime özgüdür ve iki çalışmanın hiçbiri peynir altı suyunu veya permeatı kapsamamıştır.
Pu ve ark., 1970'lerden bu yana süt ürünlerinde off-line olarak kullanılan yakın kızılötesi (NIR) spektroskopisinin hat içi örnekleme, kalibrasyon geliştirme ve montaj konularını da kapsayacak şekilde nasıl on-line ve in-line bir proses analitik teknolojisine dönüştüğünü derlemiştir [10]. ISO 23291 | IDF 248, sıvı süt ve süt ürünlerinde protein, yağ ve toplam katı maddenin orta ve yakın kızılötesi spektrometriyle belirlenmesi dahil, süt işlemede in-line ve on-line kızılötesi spektrometri için kılavuz ilkeler sunar [11].
Konsantre katı maddesinde döngüyü kapatmak
Bakker ve ark., iki efektli bir süt düşen film evaporatörünün geliştirilmesinde konsantrenin toplam katı maddesinin kontrolüne odaklanmış ve önceki modellere kıyasla iyileştirilmiş kaskad kontrol bildirmiştir [12]. Buradan üç uygulama çıkar:
- Hat içi sinyali belgelenmiş bir referansa bağlayın. Sinyali, tesisin kendi konsantresi üzerinde uyguladığı kurutma yöntemine karşı periyodik olarak kontrol edin; başka bir ürün için kurulan dönüşüm aktarılamaz [7][8].
- Peynir altı suyu akımlarını farklı ürünler olarak ele alın. Mineral bileşimi üretime göre değişir ve birikimleri belirler [4]; bileşim ayrıca sensör yanıtını değiştirir [9]; tatlı peynir altı suyunu, asit peynir altı suyunu ve permeatı ayrı ayrı valide edin.
- Kontrol kararının verildiği yerde ölçün. Son efektin çıkışı kristalizasyonu ve kurutmayı besler [2] ve buradaki viskozite pompalamayı ve atomizasyonu etkiler [6]; kristalizörden önce ölçmek zamanında düzeltmeye olanak tanır.
USTECH'in yaklaşımı
Evaporatör konsantresi için ProLine2550 proses FT-NIR analizörü, boru hatlarındaki sıvıların ve bulamaçların hat içi ölçümü için tasarlanmıştır; ProLine17EC ise safir pencereli, dayanıklı, IP65 sınıfı bir hat içi NIR analizörüdür. caliX paketi, tesisin referans değerlerine karşı PLS kalibrasyonları kurar; ProChem ise analizörü konsantrasyon döngüsü için alarmlar ve set noktası kontrolüyle PLC/SCADA'ya bağlar. Belirli bir peynir altı suyu veya permeat konsantresi için bir kalibrasyonun prosesin ihtiyaç duyduğu doğruluğa ulaşıp ulaşmadığı yayımlanmış rakamlardan varsayılmaz; kendi numuneleriniz ve referans analizlerinizle yapılan bir fizibilite çalışmasında belirlenir.
Kaynaklar
- [1] Tetra Pak. Dairy Processing Handbook, Chapter 7.6: Evaporators. Tetra Pak Processing Systems AB, Lund (online edition). dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/evaporators
- [2] Tetra Pak. Dairy Processing Handbook, Chapter 18: Milk and whey fractionation. Tetra Pak Processing Systems AB, Lund (online edition). dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/milk-and-whey-fractionation
- [3] Jebson, R.S., Iyer, M. (1991). Performances of falling film evaporators. Journal of Dairy Research, 58(1), 29–38. doi:10.1017/S0022029900033483
- [4] Tanguy, G., Beaucher, E., Dolivet, A., Kerjouh, A., Maillard, M.-B., Hamon, P., Croguennec, T. (2022). Behaviour of minerals during the vacuum concentration of dairy ultrafiltration permeates. International Dairy Journal, 133, 105426. doi:10.1016/j.idairyj.2022.105426
- [5] Wong, S.Y., Hartel, R.W. (2014). Crystallization in lactose refining — A review. Journal of Food Science, 79(3), R257–R272. doi:10.1111/1750-3841.12349
- [6] O’Shea, N., O’Callaghan, T.F., Tobin, J.T. (2019). The application of process analytical technologies (PAT) to the dairy industry for real time product characterization — process viscometry. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 55, 48–56. doi:10.1016/j.ifset.2019.05.003
- [7] ISO 6731 | IDF 21:2010. Milk, cream and evaporated milk — Determination of total solids content (Reference method). ISO, Geneva. iso.org/standard/56815.html
- [8] Floren, H.K., Sischo, W.M., Crudo, C., Moore, D.A. (2016). Technical note: Use of a digital and an optical Brix refractometer to estimate total solids in milk replacer solutions for calves. Journal of Dairy Science, 99(9), 7517–7522. doi:10.3168/jds.2015-10834
- [9] Bista, A., Tobin, J.T., O’Donnell, C.P., O’Shea, N. (2020). Monitoring viscosity and total solids content of milk protein concentrate using an inline acoustic flowmeter at laboratory scale. Foods, 9(9), 1310. doi:10.3390/foods9091310
- [10] Pu, Y.-Y., O’Donnell, C., Tobin, J.T., O’Shea, N. (2020). Review of near-infrared spectroscopy as a process analytical technology for real-time product monitoring in dairy processing. International Dairy Journal, 103, 104623. doi:10.1016/j.idairyj.2019.104623
- [11] ISO 23291 | IDF 248:2020. Milk and milk products — Guidelines for the application of in-line and on-line infrared spectrometry. ISO, Geneva. iso.org/standard/75145.html
- [12] Bakker, H.H.C., Marsh, C., Paramalingam, S., Chen, H. (2006). Cascade controller design for concentration control in a falling-film evaporator. Food Control, 17(5), 325–330. doi:10.1016/j.foodcont.2004.11.007