Ultrafiltrasyon

Ultrafiltrasyon

Ultrafiltrasyon (UF) terimi 1907 yılında Bechhold tarafından, bu prosesin daha büyük partiküllerin (>1 mm) ayrıştırıldığı klasik 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 ters osmoz (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 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.

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.

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 sıvı 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.

Membran filtrasyonu filtrasyon uygulamasını sıvı içinde çözünen katıların ve gaz karışımlarının ayrılmasını da kapsayan daha ileri bir aşamaya taşır.

Bir membranın öncelikli rolü seçici bir bariyer gibi davranmasıdır. Membranlar bir karışımın belirli bileşenlerinin geçişine izin verirken diğer bileşenleri alı koyar. Böylelikle ya süzüntü ya da tutulan faz bir veya birkaç bileşence zenginleştirilmiş olur. En genel anlamıyla membran ‘iki faz arasındaki devamsızlık rejimi’ veya ‘yığın hareketine karşı bariyer gibi davranan fakat bir veya daha fazla türün kısıtlı ve/veya düzenli geçişine izin veren fazdır.’ Bu tanımlara göre bir membran gaz, sıvı katı veya bunların birleşimlerinden oluşabilir. Membranlar şöyle sınıflandırılabilir:

a)      Özelliklerine göre

• doğal

• sentetik

b)      Yapılarına göre

• gözenekli

• gözeneksiz

c)      Uygulanmalarına göre

• gaz-faz ayırma

• gaz-sıvı ayırma

d)      Membran davranış mekanizmasına göre

• adsorpsiyon-yayınım

• iyon değiştirici

• ozmotik

• seçici olmayan membranlar

Tablo 1: Membran Proseslerinin Özellikleri

Proses

İtici güç Süzüntü Tutulan
Osmoz Kimyasal potansiyel Çözünenler, su Su
Diyaliz Konsantrasyon farkı Büyük moleküller, su Küçük moleküller, su
Mikrofiltrasyon Basınç Asılı parçacıklar, su Çözünmüş sıvılar, su
Ultrafiltrasyon Basınç Büyük moleküller, su Küçük moleküller, su
Nanofiltrasyon Basınç Küçük moleküller,Divalent tuzlar,Çözünmüş asitler, su Monovalent iyonlar,Çözünmemiş asitler,su
Ters osmoz Basınç Tüm çözünenler, su Su
Elektrodializ Voltaj/akım İyonik olmayan çözünenler,su İyonik çözünenler, su
Pervaporasyon Basınç Uçucu olmayan moleküller,su

Uçucu küçük

Moleküller, su

Basınç etkili membran prosesleri olan mikrofiltrasyon (MF), UF, nanofiltrayon (NF) ve TO uygulamalarındaki fark, taşınımı hızlandırmak için uygulanan hidrolik basınçtır. Bununla birlikte membranın yapısı da hangi bileşenin geçip hangisinin tutulacağında etkilidir. Tablo 1’de görüldüğü gibi ideal olan TO tüm bileşenleri tutarken UF sadece makromolekülleri veya 10-200 Å (0.001-0.02 mm) den daha büyük molekülleri ayırabilir. Diğer taraftan MF mikron boyutundaki yani 0.10 mm ile 5 mm boyutlarındaki asılı parçacıkları tutabilmesi için tasarlanmıştır. Yani en geniş anlatımıyla ters osmozun bir konsantre etme tekniği olduğu söylenebilirken UF aynı zamanda saflaştırma, konsantre etme ve makromolekülleri veya çok küçük kolloidal süspansiyonları fraksiyonlarına ayırma yöntemi olarak görülebilir. MF asıl olarak bir filtrasyon temizleme yöntemi olarak kullanılırken, süspansiyonlarda asılı halde bulunan yeterli boyuttaki parçacıklar da mikrofiltrasyon membranlarında alıkonulur. Kullanışlılık yönünden membran teknolojisiyle karşılaştırılabilecek tek yöntem santrifüjlemedir. Ancak santrifüjlemede iki faz arasında uygun bir yoğunluk farkının olması ve bileşenlerin birbiri içinde çözünmemiş olması şarttır. Membran ayırmada böyle bir gereklilik yoktur. Gerçekten de uygun membran kullanıldığında çözünmüş moleküllerin iyonik yüklerine göre ayrılabilmesi membran filtrasyonun en büyük avantajıdır.

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

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.

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 parçacıkların çözeltiden uzaklaştırılması çok önemli bir önlemdir ve her zaman yapılmalıdır. Kirlenme saf su kullanıldığı durumlarda bile gözlenmiştir. Proteinler gibi daha karmaşık malzemeler söz konusu olduğunda membran materyaliyle protein arasında etkileşimler meydana gelebilir. Örneğin proteinler hidrofobik etkiler, hidrojen bağlanması ve elektrostatik etkilerle yük transferi veya bunların birleşiminden 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 engeli ve gözenek içi kirlenmedir. Kek tabakası oluşumu ve gözenek engeli membran yüzeyindeki kirlenmeyi ifade eder. Kek tabakası oluşumunda biriken moleküller membran yüzeyine yığılırken, gözenek engelinde geri çevrilen moleküller gözenek açıklıklarını tıkar. Gözenek içi kirlenme, moleküllerin gözenekler içerisinde birikmesiyle oluşur ve bu membranın ortalama gözenek boyutunu azaltır.

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 kararlılığı da düşüktür yani diğerlerine göre daha dar bir pH aralığına toleranslıdır, biyobozunurluğu 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 kararlılığı olan rejenere selüloz, poliakrilonitril, polivinilklorid, poliamid, polivinilidinflorid gibi yeni polimerler üzerinde araştırmalar yapılmıştır. İnorganik membranlar oldukça yüksek kimyasal ve ısıl kararlılıkları 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 yapılırlar.

Sitedeki diğer ilgili yazılar

Protein çözeltilerinin deriştirilmesi – UF

Protein ile ilgili bilgi kaynakları – UF

Ultrafiltrasyonun Uygulama Alanları 

Kaynaklar Lütfen Login yada Register gizli linkleri görebilmek için

Rıdvan

Yıldız Teknik Üniversitesi’nde Doktora yapmakta.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Göztepe Escort