2.3. Biyoaktif Bileşenlerin Membran Prosesler ile Geri Kazanılması
2.3.1. Ultrafiltrasyon Uygulamaları
Son yıllarda UF proseslerinin meyve sularında ve zeytin, narenciye, enginar ve şarap gibi endüstriyel atık sularında bulunan biyoaktif bileşiklerin ekstraksiyonunda, fraksiyonlara ayrılmasında ve saflaştırılmasında kullanılması geniş çapta araştırılmaktadır (Galanakis, 2015).
Laorko, Li, Tongchitpakdee, Chantachum & Youravong, (2010) tarafından gerçekleştirilen bir çalışmada, ananas suyunun berraklaştırılması sırasında membranın gözenek büyüklüğünün ve MWCO değerinin toplam polifenollerin geri kazanılması üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, PS yapıda hollow fiber konfigürasyonunda MF (0,1-0,2 µm) ile UF (30-100 kDa) membranları kullanılmıştır. Membran filtrasyonun berrak ananas suyunun pH, indirgen şeker içeriği ve toplam asitliği üzerine önemli bir etkisi olmazken, askıda katılar ve mikroorganizmalar tamamen uzaklaştırılmıştır. Kullanılan membranlar arasında 0,2 µm gözenek büyüklüğündeki membran en yüksek
permeat akısı ve antioksidan aktivite gösteren bileşikler üzerinde en yüksek oranda geri kazanım göstermiştir.
Kalbasi ve Cisneros-Zevallos (2007) tarafından yapılan çalışmada 10-1000 kDa MWCO değerine sahip polivinildiflorid (PVDF) yapıda düz tabaka membranlar kullanılarak, Concord üzüm suyunda (Vitis labrusca L.) bulunan monomerik ve polimerik antosiyaninlerin fraksiyonlara ayrılması test edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, 100 kDa membran kullanılması durumunda polimerik antosiyaninler retentatta konsantre edilirken, monomerik antosiyaninler permeatta geri kazanılmıştır. Ayrıca, polifenoller ve toplam antioksidan aktivite arasında korelasyon gözlenmiştir. Ultrafiltrasyonun, monomerik ve polimerik antosiyaninleri fraksiyonlara ayırmada kullanılabileceği sonucuna varmışlardır.
Nar suyundaki biyoaktif bileşiklerin saflaştırılması için yapılan bir çalışmada farklı MWCO (1000-4000 Da) ve farklı polimerik yapılara sahip düz tabaka UF membranlar kullanılmıştır. Bu membranlar arasında 2000 Da MWCO değerine sahip ince film kompozit membran daha yüksek permeat akısı, daha düşük kirlenme indeksi ve en yüksek seçiciliği gösteren membran olmuştur. Toplam antosiyanin ve toplam fenolik alıkonulması sırasıyla %90,7 ve %84,8 olarak belirlenmiştir (Conidi, Cassano, Caiazzo & Drioli, 2017).
Cissé, Vaillant, Pallet & Dornier, (2011a) roselle ekstraktlarından (Hibiscus sabdariffa L.) antosiyaninlerin konsantre edilmesinde farklı polimerik yapı ve farklı MWCO (0,2 ile 150 kDa arası) değerine sahip düz tabaka UF membranlarının kullanım potansiyelini araştırmışlardır. Sonuçlar, her bir test edilen membran için antosiyaninlerin alıkonulmasının TMP’nin artmasıyla ve MWCO değerinin azalmasıyla arttığını göstermiştir. Toplam antosiyanin alıkonulması 150 kDa membranda 5 bar basınçta %24 iken, 5 kDa membranda 30 barda %97 olarak belirlenmiştir. Ayrıca daha büyük MWCO değerine sahip membranların toplam antosiyanin alıkonması açısından TMP’deki değişikliklere karşı daha duyarlı olduğunu ve roselle ekstraktından antosiyaninlerin konsantrasyonu için 20 kDa’a eşit veya daha küçük MWCO değerine sahip membranların kullanılabileceğini bildirmişlerdir.
Polifenoller bakımından zenginleştirilmiş doğal bir ürün geliştirmek için yapılan bir çalışmada ilk olarak depektinize bergamot suyu 0,7 bar basınç altında ultrafiltrasyon
ile berraklaştırılmıştır. Daha sonra bergamot suyu farklı UF proseslerine tabi tutularak, membranların MWCO değerinin polifenollere karşı gösterdikleri alıkoyma oranlarının belirlenmesi üzerine çalışılmıştır. 1000 Da MWCO değerine sahip UF membranı kullanıldığında bergamot suyunun fizikokimyasal özelliklerinin korunduğu ve taze bergamot suyu ile kıyaslandığında permeatta toplam antioksidan aktivitede yalnızca %9,2’lik bir azalma gözlendiği bildirilmektedir (Conidi vd., 2011).
Cassano, Donato, Conidi & Drioli, (2008) kivi suyundan gıda ve içeceklerde takviye olarak kullanılabilecek doğal bir ürün geliştirilmesi üzerine yaptıkları çalışmalarında UF’da 30 kDa MWCO değerinde selüloz yapıda düz tabaka membran kullanmıştır. Folik asit, askorbik asit ve sitrik asidin berraklaştırılmış meyve suyundan geri kazanılmasının UF’nin son hacim azaltma faktörüne (VRF) bağlı olduğunu saptamışlardır. UF membranı bu bileşenlere karşı %0-4,3 arasında alıkoyma oranı göstermiştir. Diğer araştırılan asitlerle kıyaslandığında askorbik asit için daha düşük geri kazanım elde edilmiş ve bu durum kütle denklikleri ile de doğrulanmıştır. Askorbik asidin daha az geri kazanılmasını, bu bileşiğin UF prosesi boyunca daha yüksek oranda bozulması ile ilişkilendirmişlerdir. Ayrıca UF membranın toplam fenolik bileşiklere karşı alıkoyma oranı %13,5 olarak saptanmıştır.
Farklı MWCO (4, 5 ve 10 kDa) ve farklı polimerik malzemede (rejenere selüloz ve PES) UF membranları kullanılarak zeytin fabrikası atık sularından polifenollerin geri kazanım potansiyellerinin değerlendirildiği bir çalışmada, rejenere selüloz membranların PES membranlar ile kıyaslandığında daha yüksek akı değerlerine, daha düşük kirlenme indekslerine ve polifenollere karşı daha düşük alıkoyma oranlarına sahip olduğu bildirilmektedir (Cassano, Conidi & Drioli, 2011a).
2.3.1.1. Ultrafiltrasyonda Kirlenme
Meyve suyu endüstrisinde UF uygulamaları sıklıkla kullanılmasına rağmen, karşılaşılan en önemli sorun proses boyunca permeat akısında bir düşüş olarak kendini gösteren ve doğrudan sürecin ekonomisine etki eden membran kirlenmesidir. Bu durum membranın seçiciliğini düşürmekte ve kullanım ömrünü kısaltmaktadır. Membranın
kirlenme performansı ve kirlenme mekanizmalarının anlaşılması, membran seçimi ve kirlenmenin kontrolü için kritik bir öneme sahiptir. (Nilsson, 1990).
Ultrafiltrasyonda gözlenen tipik akı-zaman grafiği Şekil 2.11’de verilmiştir. Tipik bir ultrafiltrasyon sürecinde akı; (I) hızlı bir başlangıç akı azalması ile başlar, (II) bunu uzun süreli kademeli akı azalması takip eder ve (III) sabit durum akısı ile sona erer (Hilal, Ogunbiyi, Miles & Nigmatullin, 2005).
Şekil 2.11. Ultrafiltrasyonda gözlenen tipik akı zaman grafiği
Membran gözenek büyüklüğü ve beslemedeki çözünenlerin büyüklüğü arasındaki farka bağlı olarak, kirlenme üç olası mekanizmaya ayrılabilir:
(i) Parçacıkların boyutu membran gözenek boyutu ile benzer olduğunda, parçacıklar gözeneklerin girişini bloke eder ve gözenek tıkanması meydana gelir,
(ii) Parçacıklar membran gözenek boyutundan daha küçük olduğunda,
parçacıklar gözeneklere girer ve gözenek duvarında adsorbe olurlar, böylece gözenek daralması meydana gelir,
(iii) Parçacıklar gözenek boyutundan daha büyük olduğunda, parçacıklar membran yüzeyinde tabaka halinde katman oluşturur ve kek tabakası oluşumu gerçekleşir (Mousa ve Al-Hitmi, 2007; Zhao, Lau, Huang & Moraru, 2015).
Gözenekli membranlarda gerçekleşen bu 3 temel kirlenme mekanizmalarının şematik gösterimi Şekil 2.12’de görülmektedir.
Şekil 2.12. Gözenekli membranlarda gerçekleşen kirlenme mekanizmalarının şematik gösterimi (Bhattacharjee ve Hong, 2005; Field, 2010).
UF’nin ilk aşamasında permeat akısındaki hızlı azalma membran gözeneklerinin hızlı bir şekilde bloke edilmesine bağlanabilir. Membran gözenekleri membranda tutulan parçacıklar tarafından bloke edilmeye başladığında permeat akısı azalmaya başlar. Gözeneklerin tıkanma derecesi parçacıkların ve gözeneklerin şekline ve boyutuna bağlıdır. Gözenek tıkanması, membran direncini arttırır. Gözenek tıkanmasından sonraki akı azalması membran yüzeyinde kek tabakasının oluşumu ve oluşan kek tabakası kalınlığının giderek artmasından kaynaklanır. Kek tabakası permeat akışına ilave bir direnç oluşturur ve kek direnci kek tabakası kalınlığının artmasıyla artar (Abdelrasoul, Doan & Lohi, 2013).
Membran kirlenmesinin özelliklerini belirlemek için Darcy Yasası’nın kullanıldığı seri direnç modeli geliştirilmiştir. Model aşağıdaki denklem (2.1) ile ifade edilmektedir:
𝐽
∆ ∆ (2.1) Denklemde; ΔP transmembran basınç farkı, µ permeat viskozitesi, 𝑅 membranın iç direnci, 𝑅 membran yüzeyinde biriken kek tabakasından kaynaklanan kek direnci ve 𝑅 ise gözenek tıkanmasından veya parçacıkların membrana adsorpsiyonundankaynaklanan kirlilik direncidir (Guo, Ngo & Li, 2012). Şekil 2.13’de membranda gözlenen dirençler verilmiştir.
Şekil 2.13. Membranda gözlenen dirençler (Rm: membran direnci, Rc: kek direnci, Rf: kirlilik direnci) (Mulder, 1996).