Nanofiltrasyon
Nanofiltrasyon son zamanlarda kullanılmaya başlanmış ve moleküler ağırlık sınırı ultrafiltrasyon ile ters osmoz arasında (200 ile 2000 Dalton ) olan bir membran ayırma yöntemidir.
Genellikle bakterilerin, virüslerin, organik kalıntıların, ve sertliğin uzaklaştırılmasında kullanılır. Ayrılma işlemi organik bir yarı geçirgen membrandan oluşan seçici geçirgen bir tabaka üzerinde gerçekleşir.İşlemde itici güç membranın iki tarafındaki besleme ve süzüntü arasındaki basınç farkıdır. Membran seçiciliğinden dolayı su ve molekül ağırlığı 200Dalton’dan küçük bileşenler yarı geçirgen ayrıştırma tabakasını geçebilirken, çözünmemiş karışımların bir veya birkaç bileşeni itici güce rağmen membran tarafından tutulur.
Genellikle membran materyalinin pozitif veya negatif yüklü olmasından dolayı nanofiltrasyon membranlar Donnan dengesiyle açıklanan iyonik seçiciliğe sahiptir. Buna göre küçük mineral iyonlarını içeren çözeltiler membrandaki sabit iyonik moleküllerle aralarında Donnan potansiyeli denen elektriksel bir potansiyel farkın doğmasına ve Donnan dengesi adı verilen dengenin oluşmasına neden olurlar. Bu dengenin sağlanması için zıt yüklü maddelerin ters yönde geçişi veya çözünmeyen formlarının çözünür hale dönüştürülmesi gerekir. Bu etki dolayısı ile nanofiltre membranlar tek yüklü iyonları iki ve daha çok yüklü iyonlara göre daha fazla geçirir. Çözeltideki tuz oranı arttıkça membranın bu özelliği de artar.
Nanofiltrasyon tekniğinin Süt endüstrisindeki yeri ve önemi
Nanofiltrasyon teknolojisi gıda sektöründe genellikle süt endüstrisinin birçok basamağında uygulanabilir bir teknoloji olup tipik uygulamaları;
– Gıda, süt ürünleri ve içecekler ya da yan ürünlerin konsantre edilmesi,
– Peynir üretiminde sütün ön konstantrasyonu
– Süt ürünleri ya da yan ürünlerden tuzun uzaklaştırılması
– Peynir altı suyunun kısmi desalinasyonu (tuz ayırma islemi) ve ön konsantrasyonu
– Peynir altı suyundan laktoz üretimi ve laktoz demineralizasyonu
– Laktozsuz süt üretimi
– Karbonhidrat ( genellikle laktoz) ve proteinlerin ayrılması
– Süt işletmelerinde kullanılan,’’Yerinde temizlik (Clean in Place = CIP)’’ sisteminde kimyasallarının saflaştırılması
– Gıda ürünlerinde renk maddelerinin indirgenerek, uzaklaştırılması
Şeklinde sıralanabilir.
Peynir altı suyu ürünleri için demineralizasyon ürünün besin değerini arttırıcı bir işlemdir.Peynir altı suyu işlenmesinde daha önce uygulanan prosesler,öncelikle peynir altı suyunun evaporatör vasıtası ile konsantre edilmesi,daha sonra da elektro dializ mekanizması ile demineralizasyonu şeklindedir[4].Nanofiltrasyon ise aynı prosesi tek basamakta gerçekleştirirken,kısmi demineralizasyon uygulayabilmesi gibi önemli bir avantaja sahiptir.Süt ve süt ürünleri uygulamalarında nanofiltrasyon işleminin bir diğer önemli avantajı da,nanofiltrasyon memebranlarının tek değerlikli tuzlar için yüksek geçirkenlik sağlarken (NaCl,KCl),organik bileşikler için (laktoz,protein) düşük geçirgenlik özelliğine sahip olmasıdır.Nanofiltrasyon tekniği Evaporasyon-Elektro dializ kombine sistemine göre hem maliyetleri azaltır, hem de eşzamanlı konsantrasyon-demineralizasyon avantajına sahiptir
Nanofiltrasyon proseslerin teknik özellikleri
Nanofiltrasyon membran modülleri ;
kapiler,
içi boş lif,
levha-çerçeve,
spiral sargı
borusal olarak hazırlanabilirler [2].
Spiral sargı ve içi boş lif modüller en çok kullanılanlarıdır. Spiral sargı sisteminin ayırt edici özellikleri şunlardır [5]:
– Düşük tesis yatırımı
– Düşük alan gereksinimleri
– Kolay membran değişimi
– Hijyen tasarımı
Spiral sargı sisteminin elemanları [5]:
– Değişken çap (3.8,-8 inç)
– Değişken uzunluklar (38,-40 inç)
– Değişken besleme aralayıcı (20-50 mil)
– Yüksek pH/yüksek sıcaklık CIP için özel tasarım.
– Değişken tuz çıkarma (RO/NF) ve laktoz çıkarma (NF)
Membran elemanları bir modül oluşturmak ve bir tesise kurulmuş belli sayıda modüller oluşturmak için genellikle paslanmaz çelikten bir kasa içerisinde sabitlenir.
Spiral sargı sistemi membran elemanlı ters osmoz ve nanofiltrasyon tesisleri basit, manuel bir işlem otomasyonundan, tüm fabrika kontrol sistemi ile entegre tam otomatik bir sisteme kadar değişen bir işlem otomasyon tipi ile sağlanabilir. Her bir uygulama için uygun membranlar seçilmelidir.
Nanofiltrasyon ile peynir altı suyundan laktoz izolasyonu ve Demineralizasyonu
Nanofiltrasyon prosesi süt işletmelerinde, konsantrasyon ve peynir altı suyunun kısmi demineralizasyonu işlemlerinde etkili bir prosestir. Nanofiltrasyon membranı 0,001-0,01 mikron arasında gözenek boyutlarına sahip olup,temas halinde olan akışkan içindeki bileşenler arasında moleküler boyut ve kimyasal etkileşimlere göre ayırır.
Peynir üretiminde elde edilen peynir altı suyu genellikle yüksek tuz ve yağ içeriğine sahiptir..Nanofiltrasyon membranı tek değerlikli tuzların (NaCl,KCl) geçişine izin verir,ancak çift değerlikli tuzların (CaCl2),şekerlerin, proteinlerin ve diğer yüksek moleküllü bileşenlerin nüfuzuna izin vermez. Bu işlemde , basınç , zar gözenekleri ile nispeten daha küçük molekülleri itmek için kullanılır. İşlem için basınç değerleri genellikle 400-450psi arasında değişmektedir.
Peynir altı suyu konsantresi
– Farklı membran prosesleri ile kombin olarak kullanılabilir
– Diafiltreleme işlemi proses sırasında kullanılabilir.
– % 30-40 kadar tipik azaltma seviyeleri gözlemlenir
– Sistem olarak ters osmoz prosesine benzerlik gösterir
Farklı membranlar seçilerek nanofiltrelerin belli geçirgenlik özellikleri değiştirilebilmektedir.
*Diafiltrasyon: Alıkonma faktörü düşük olan bileşenleri daha yoğun konsantrasyonda elde edebilmek için filtrasyon işlemlerine ek olarak konsantre etme prosesinin belirli bir anında su eklenmesi işlemidir [2].
Levha-çerçeve modüller filtre pres prensibinden esinlenerek oluşturulmuştur. Spiral sargı membranlar birim hacim başına yüksek bir membran alanı verir. Borulu ısı değiştiricilere benzer şekilde imal edilen içi boş lif modüllerde en iyi alan hacim oranına ulaşılmaktadır.
Spiral sargılı membran alanı geniş olduğundan işletme maliyeti düşüktür fakat kapsamlı ön tasfiye gerektirmesi gibi bir dezavantajı vardır. Besleme tutucunun yüksekliğini düşük olması nedeniyle çok çabuk kirlenirler ve mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon tekniklerinde olduğu gibi hidrolik olarak temizlenemezler. Kirlenmeyi önlemek ve membran yüzeyini temizlemek amacıyla geleneksel tasfiye işlemleri veya ultrafiltrasyon uygulamasının kimyasal (antiscalant, asit) dozlamasıyla birlikte uygulanması gerekmektedir. Ancak yeni geliştirilen kapiler nanofiltreler bu olumsuzluğu ortadan kaldırmıştır.
Ters Osmoz ve ultrafiltrasyon membran boyutları arasında gözenek boyutuna sahip membranlar nanofiltre membranlar (gözenek boyutu 0.002 μm) olarak adlandırılırlar.
Genellikle 200’den büyük molekül ağırlığına sahip organiklerin (laktoz, sukroz ve glikoz gibi) karışımdan uzaklaştırılmasında uygundur.
Nanofiltrasyon membranları şeker ve bazı multivalent tuzları (MgSO4 gibi) tutar, ancak çoğu monovalent tuzu (NaCl gibi) geçirir.
