Ana Sayfa | Site Ağacı | Site Hakkında | Site İçi Arama | Bize Ulaşın  
Analitik Kimya
Anorganik Kimya
Fizikokimya
Polimer Kimyası
Organik Kimya
Genel Kimya
Enstrümental Kimya
Su ve Çevre Kimyası
Gıda Kimyası
Ambalaj Kimyası
Deney Öncesi Hazırlık
Gıda Analizleri
Yem Analizleri
Su Analizleri
Temizlik Mad. Analizleri
02.01. Ultrafiltrasyon

Ultrafiltrasyon terimi 1907 yılında Bechhold tarafından bu prosesin daha büyük partiküllerin (>1 mm) ayrıştırıldığı filtrasyon tekniğinden ayırt edilmesi amacıyla kullanılmıştır. UF yüksek molekül ağırlıklı bileşenleri ısı uygulaması ve faz değişimine uğratmadan konsantre etme imkanı sunar. Süzüntü; gıdada bulunan küçük molekül ağırlıklı bileşenleri beslemedeki konsantrasyonuna yakın bir oranda içerirken büyük molekül ağırlıklı bileşenler membran tarafından tutulur. Bu da yüksek molekül ağırlıklı bileşenlerin çözeltideki hem yaş hem de kuru ağırlıklarında artışa neden olur. UF uygulamalarında basınç 1-15 bar arasındadır. Bu basınç değerleri TO uygulamalarına göre oldukça küçüktür. Protein ve nişasta gibi ısıya duyarlı moleküller için UF tekniğiyle ortam sıcaklığında yapılan konsantre etme işlemi bunların çözünebilirlik, köpük ve jel oluşturma kapasitesi, emülsifiye olma, su ve yağ bağlama gibi fonksiyonel özelliklerini olumsuz etkileyen ısıl reaksiyonları en aza indirger. Ayrıca UF gıda proses ve fermantasyon atıklarındaki yararlı bileşenleri geri kazanmak amacıyla da kullanılır. Bu amaçla en çok süt ürünleri endüstrisinde yararlanılır.

 

UF uygulamalarında karşılaşılan en önemli iki sorun kirlenme ve konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanan basınç düşmesidir.

 

02.01.01. Konsantrasyon Polarizasyonu

 

İtici gücün basınç olduğu membran proseslerinde ayırma çözeltinin tamamında değil sadece membrana yakın olan ve sınır tabakası olarak bilinen, membranın küçük bir bölgesinde gerçekleşir. Bu da sınır tabaka üzerinde konsantrasyon polarizasyonunu arttırır. Konsantrasyon polarizasyonu bir bileşenin membran tarafından geçişine izin verilmediğinde meydana gelir. Sonuç olarak membran yüzeyinde o bileşenin konsantrasyonu artar ve sınır tabaka üzerinde bir konsantrasyon gradienti oluşur. Bu konsantrasyon artışı membran yüzeyinde önemli bir ek direnç oluşmasını destekler ve makromoleküllerin membran üzerinde jel veya kirli tabaka oluşturmasına neden olur. Konsantrasyon polarizasyonunun etkileri UF’den geçirilecek solüsyon yerine su kullanıldığında akıştaki önemli düşüşten anlaşılır. Su solüsyonla yer değiştirdiğinde genellikle bir dakikadan az bir sürede akış hızı 2-20 kat azalır.

           

02.01.02. Kirlenme

 

Birçok uygulamada kirlenme gerçekleşir ve bu UF’ de karşılaşılan en önemli problemdir. Kirlenmeyi oluşturan materyal membran yüzeyinde ve bazen içerisinde birikir ve ürün akışında düzenli bir azalmaya neden olur. Akış hızındaki uzun süreli düşüş yatışkın koşullardaki sürekli bir prosese büyük ölçüde zarar verir. Ayrıca daha sert bir temizleme işlemi gerektireceğinden membranın ömrünü azaltır. Kirlenme kaçınılmazdır. Proses öncesinde kolloidlerin ve partiküllerin çözeltiden uzaklaştırılması çok önemli bir önlemdir ve her zaman yapılmalıdır. Kirlenme saf su kullanıldığı durumlarda bile gözlenmiştir. Proteinler gibi daha kompleks materyaller söz konusu olduğunda membran materyaliyle protein arasında etkileşimler meydana gelebilir. Örneğin proteinler hidrofobik etkiler, hidrojen bağlanması ve elektrostatik etkilerle yük transferi veya bunların kombinasyonundan doğan etkilerle membrana bağlanabilirler. Bağlanma miktarını en aza indirgeyen koşullar kirlenmeyi de azaltmalıdır. Kirlenmeyi en çok etkilediği görülen iki önemli özellik membranın fizikokimyasal yapısıyla yüzeyin gözenekliliği ve morfolojisidir.Üç çeşit kirlenme vardır. Bunlar; kek tabakası oluşumu, gözenek blokajı ve gözenek içi kirlenmedir. Kek tabakası oluşumu ve gözenek blokajı membran yüzeyindeki kirlenmeyi ifade eder. Kek tabakası oluşumunda biriken moleküller membran yüzeyine yığılırken, gözenek blokajında geri çevrilen moleküller por açıklıklarını tıkar. Gözenek içi kirlenme moleküllerin porların içerisinde birikmesiyle oluşur ve bu membranın ortalama gözenek boyutunu azaltır.

           

02.01.03. Ultrafiltrasyon Membranlarının Yapısı

 

UF uygulamasında çözeltideki bileşenleri ayırmak için seçici moleküler ağırlık ve yapısal özelliklere göre ayırım yapan yarı geçirgen membranlar kullanılır. Ultrafiltrasyonda çözelti belli bir basınç altında membranla temas halindedir. Uygulanan basınç çözücü ve küçük moleküllerin membrandan geçmesini sağlar. Membran daha büyük molekülleri tutar. Membrandan geçen çözelti ürün tutulan molekülleri içeren çözelti süzüntü olarak adlandırılır.


 

Şekil 2.1. Spiral sarılmış membran modülünün temel yapısı

 

İki membran arasına bir ürün taşıyıcı (permeate carrier) yerleştirilmiştir. İki membran ve ürün taşıyıcı üç kenarından birbirine yapıştırılarak yaprak olarak adlandırılan yapıyı oluşturur. Yapıştırılmayan kenar da merkezdeki delikli toplama tüpüne bağlanmıştır. Membran yaprağı boyunca bir ağ yapılı besleme tutucu (mesh spacer), merkezi toplama tüpü üzerine spiral sarılmıştır. Yaprak uzunluğunu azaltmak için birçok membran yaprağı aynı anda merkezi tüp üzerine sarılmıştır. Çoklu yaprak tasarımları ürün akışındaki düşüşü minimize eder. Sarmal modül bir basınç kabı içerisine yerleştirilmiştir.

 

Besleme ağ yapılı besleme tutucu boyunca uzanan merkezi toplama tüpüne paralel akar. Besleme tutucu konsantrasyon polarizasyonunu azaltmak için kargaşalı akış oluşturur. Besleme modülden aşağı doğru akarken besleme tutucu akışın membran yüzeyine doğru olmasını sağlar. Çözeltinin membran yüzeyine dik akışı çözeltinin membran yüzeyinden beslemeye geri difüze olmasını kolaylaştırır. Ayrıca konsantrasyon polarizasyonu etkisini yok eder. Beslemenin bir kısmı membrana nüfuz eder ve bu ürün tutucu boyunca akar. Akışın doğrultusu spiral ve besleme akışına diktir. Ürün, merkezi tüp içinde toplanır.

 

02.01.04. Membran Morfolojisi

 

Membranlar simetrik ve asimetrik olarak sınıflandırılabilirler. Bu iki membran tipi arasındaki fark asimetrik membranlarda gözenek boyutu gradienti olmasıdır. Yani üst tabakadaki gözeneklerin alt tabakadakilerle karşılaştırıldığında farklı boyutta olabilir. Üst tabakanın tamamen gözeneksiz olması veya farklı malzemeden yapılmış olması da mümkündür. Eğer farklı malzeme kullanılmışsa bu durumda kompozit membran olarak adlandırılır. Simetrik membranlarda gözenekler ya uzun kanallar formunda ya da sünger yapıda olabilir. Simetrik membranlar da tamamen gözeneksiz ( ör: homojen filmler ) olabilir. Bununla birlikte membranların kesitinde yapısal bir farklılık yoktur.


 

Şekil 2.2. Simetrik ve asimetrik membran kesitlerinin şematik görünümü ve kullanıldıkları prosesler.

 

Ultrafiltrasyon membranlarının çoğu asimetrik yapıdadır ve üst tabakaları gözeneklidir. Membranların hazırlanmasında polimerik ve inorganik materyaller kullanılır. Polimerik UF membranlar sıklıkla daldırarak çökeltme prosesiyle hazırlanır. Bu amaçla bir polimer solüsyonu ince bir film halinde dökülür ve polimer için çözücü olmayan bir madde içeren koagülasyon banyosuna daldırılır. Çözücü homojen likit polimer filmin dışına doğru difüze olmaya başlarken çözücü olmayan madde içine difüze olur. Faz ayırımı polimer film içinde gerçekleşir ve polimer gözenekli asimetrik membran yapısını oluşturmak üzere katı faz olarak çöker.

 

02.01.05. Membran Materyalleri

 

Membran teknolojisi ticari anlamda asimetrik selüloz asetat TO membranların 1962’de Loeb ve Sourirajan tarafından bulunmasıyla çekici hale gelmiştir. Doğal polimer selülozun bir türevi olan selüloz asetat (SA) ilk on yılda UF için ana membran malzemesi olarak kullanılmıştır. SA membranların hazırlanması diğerlerine göre daha kolaydır. Bununla birlikte kimyasal stabilitesi de düşüktür yani diğerlerine göre daha dar bir pH aralığına toleranslıdır, biyo bozunurluğu yüksektir. Üstelik SA membranlar 30ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda kullanılamazlar ve membran performansı polimer kaymasından dolayı zamanla azalır. Bu nedenlerle yeni membran malzemeleri ortaya çıkmıştır. Polisülfon (PSF) ve polietersülfon (PES) başarıyla kullanılmış polimerlerdir. Bu materyallerle hazırlanmış UF membranlar geniş bir pH aralığı, ısıya ve süt endüstrisinde sıkça kullanılan sterilizasyon ve temizlik malzemesi olan klora karşı direnç gösterir. Diğer yandan beslemede bulunan protein gibi bileşenlerin adsorbsiyonundan kaynaklanan geri dönüşümsüz membran kirliliği ciddi basınç düşmelerine neden olur. PSF ve PES hidrokarbon ortamına karşı da dirençli değildir. Bu yüzden UF materyali olarak hidrofilik polimerler veya geri dönüşümsüz protein kirlenmesini engelleyen polimer karışımları ve daha fazla veya daha az kimyasal stabilitesi olan rejenere selüloz, poliakrilonitril, polivinilklorid, poliamid, polivinilidinflorid gibi yeni polimerler üzerinde araştırmalar yapılmıştır.

 

İnorganik membranlar oldukça yüksek kimyasal ve ısıl stabiliteleri nedeniyle önem kazanmaktadır. Bunlar cam, metal ve seramik materyallerden yapılabilmektedir. Mükemmel dayanıklılıkla birlikte daha uzun ömürlü olmaları özellikle daha sert prosesler için inorganik membranlar polimerik membranlara göre daha elverişli kılmaktadır. Diğer yandan inorganik membranlar genellikle polimerik membranlardan daha pahalıdır ve oldukça kırılgandırlar. Seramik membranlar genellikle alüminyum oksit veya zirkonyum oksitten; cam membranlar silikon oksitten yapılarlar.

           

02.01.06. Proses Niteleme Özellikleri

 

02.01.06.01. Molekül Ağırlığı Sınırı

 

Ultrafiltrasyonda kullanılan membranlar molekül ağırlığı sınırına (MAS) göre nitelendirilirler. Molekül ağırlığı sınırı membran tarafından %90 tutulan bir globuler molekülün mol ağırlığıdır (Harrold ve ark., 1992). UF membranlarında MAS 2000-300000 arasında değişir. Bu değerlerden, alt sınır olan 2000 NF ile, üst sınır olan 300000 MF ile çakışır. MAS 5000 olan bir membran molekül ağırlığı 5000 ve üzerindeki bileşenlerin geçişine izin verirken daha düşük olanları geçirmez. MAS değeri arttıkça uygulamada kullanılması gereken basınç azalır.Ancak MAS membranları tanımlamada kusursuz değildir, çünkü çözünen maddelerin tutulmasına dayanır ve bu da çözünen maddenin boyutuna, geometrisine, esnekliğine, çözünen-membran etkileşimine, test koşullarına, test cihazına bağlıdır. Prosesi tanımlamakta kullanılan diğer özellikler ise şunlardır:

 

02.01.06.02. Alıkonma Faktörü

           

Alıkonma faktörü deneysel olarak beslemedeki her bir bileşen için aynı anda beslemeden ve süzüntüden örnek alınarak analizi sonucunda elde edilir. Bu değer ayrıştırma işleminin başarısını bir ölçüsüdür. Alıkonma faktörü aşağıda belirtildiği gibi tanımlanır:

R = (CF-CP)/CP


Burada;

CF :bileşenin beslemedeki konsantrasyonu


CP : bileşenin süzüntüdeki konsantrasyonu

Buna göre elde etmek istediğimiz ürün için R=1 ayırmak istediğimiz bileşen için R=0 olmalıdır.

 

02.01.06.03. Verim

 

Ultrafiltrasyon çözeltilerdeki değerli bileşenlerin konsantre edilmesi veya geri kazanılması için kullanıldığından verim prosesin ekonomik özelliklerini etkileyen en önemli faktördür. Verim bir bileşenin beslemede bulunan miktarının süzüntüde kalan miktarına oranıdır ve geri kazanılması istenen bileşenler için prosesin veriminin yüksek olması istenirken toksinler gibi uzaklaştırılması istenen bileşenler için verim mümkün olduğunca düşük olmalıdır. Buna göre verim aşağıda verildiği gibi tanımlanır:

Y = VCCC/VFCF

Burada;


VC ve VF : besleme ve ürün hacmi

CC ve CF : besleme ve ürün konsantrasyonu

           

02.01.07. Diafiltrasyon

 

Alı konma faktörü düşük olan bileşenleri daha yoğun konsantrasyonda elde edebilmek için ultrafiltrasyona ek olarak konsantre etme prosesinin belirli bir anında su eklenmesi işlemidir. Sürekli ve kesikli olmak üzere iki şekilde yapılır. Kesikli diafiltrasyonda konsantre edilmiş ürün sulandırılarak tekrar filtre edilir. Sürekli diafiltrasyonda ise uzaklaştırılan süzüntüyle eşit hacimde su çözeltiye sürekli ilave edilir.

Adobe Acrobat Reader Adobe Acrobat Reader


Belge Ziyaretçi Sayısı: 19883
Kitaplar
Tezler
Tez Arama
Sözlük
Yenilenen ORLAB katalogu için info@orlab.com.tr adresinden istekte bulunabilirsiniz.
Ayrıntılar




NMR kimyasalları hakkında herşey www.nmrkimyasallari.com
Ayrıntılar




LabSafe Laboratuvar ve İş Güvenliği Kataloğu
Ayrıntılar




Merck Laboratuvar El Kitabı II. baskısı çıktı.
Ayrıntılar




 
Son Eklenen Belge Tarihi: 07.08.2021 • Toplam Ziyaretçi Sayısı : 25030127
Her hakkı saklıdır © Kimyaevi
 
Orlab Merck