Süt ve süt ürünlerinin ileri osmoz-membran distilasyonu hibrit prosesi ile konsantrasyonu

Meyve-sebze suları, süt gibi su içeren sıvı gıdaların suyunun belli oranlarda giderilerek konsantre edilmesi, gıdadaki besinsel değerin yoğunlaştırılması, raf ömrü ve stabilitenin arttırılması, bakteriyel faaliyetlerin azaltılması, depolama ve taşınım maliyetlerinin düşürülmesi açısından önemli bir kimyasal prosestir. Süt, insan hayatında tartışmasız çok önemli bir besin olup %85-90 oranında su içermektedir. Bu da, sütün taşınması ve depolanması sırasında harcanan enerji ve maliyetin aslında büyük oranda suyun taşınması ve depolanması için harcandığını göstermektedir. Sütün içerdiği suyun belli oranlarda uzaklaştırılarak konsantre süt üretilmesinin gerek enerji ve taşınım maliyetleri gerekse raf ömrünün uzatılması açısından pek çok avantajı vardır. Konsantre süt, süt tedariğinin az olduğu bölgelerde direkt tüketime yönelik kullanılabileceği gibi, süte erişimin daha kolay olduğu yerlerde bu ürünün pastacılık, fırıncılık, kahve kreması gibi kullanım alanları bulunmaktadır. Konsantre süt tek başına ticari bir ürün olabileceği gibi, sütün belli oranlarda suyunun giderilerek konsantre edilmesi, peynir, yoğurt ve süt tozu yapımı sırasında da başvurulan temel bir işlemdir. Süt tozu ve peynir altı suyu tozu üretimlerinde süt ve peynir altı suyu püskürtmeli kurutucuya gönderilmeden önce, bunların belli bir aşamaya kadar konsantre edilmeleri gerekir. Süt endüstrisinde genellikle süt buharlaştırıcılar ile ısıl işlem yoluyla konsantre edilir ancak bu proses hem enerji-yoğun, yüksek maliyetli bir işlemdir hem de bu esnada sütün değerli bileşenlerinden bir kısmı ısıl işlem sonucu kayba uğramaktadır. Bu çalışmada konsantre süt üretimi membran prosesleri ile membran kontaktörler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sütten suyun giderilmesinde kullanılan membran teknolojisi ileri osmoz yöntemidir. İleri osmoz, su moleküllerinin seçici geçirgen bir membran boyunca oluşan osmotik basınç farkı nedeniyle aktivitesinin düşük olduğu tarafa doğru hareketidir. Bu proseste, membran kontaktörün bir tarafında suyu ayrılacak çözelti bulunurken, diğer tarafta suyun geçişi için gerekli osmotik basınç farkını sağlamak üzere derişik bir tuz çekme çözeltisi bulunur. İleri osmoz prosesinde tuz çözeltisine olan su geçişinden dolayı, bu çekme çözeltisi zamanla seyrelir ve tuz çözeltisinin seyrelmesi ile membran kontaktörün iki tarafındaki su moleküllerinin aktivite farkı, dolayısıyla itici kuvvet olan osmotik basınç farkı giderek azalır. Bu da akı değerinin zamanla düşmesine yol açmaktadır. Bunun önüne geçebilmek için, bu çalışmada ileri osmoz prosesine eş zamanlı olarak çekme çözeltisinin derişiklendirilmesi amacıyla bir membran distilasyon prosesi eklenmiştir. Bu membran distilasyon prosesi hem direkt temas membran distilasyonu (DTMD) hem de vakum membran distilasyonu (VMD) ile denenmiştir. DTMD'de itici kuvvet sıcaklık farkıdır, VMD'de ise itici kuvvet basınçtır. Böylece, ileri osmoz ile DTMD ve VMD prosesleri ayrı ayrı hibrit proses olarak kullanılmıştır. Membran kontaktör olarak, hidrofobik yapıda mikrogözenekli polipropilen (PP) bazlı içi boşluklu fiber iki farklı membran kontaktör kullanılmıştır. Bu çalışmada, sütün içerindeki %9 toplam kuru madde miktarı, %20'ye ulaşıncaya kadar konsantrasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Tuz çözeltisi olarak CaCl2 çözeltisi kullanılmıştır. İleri osmoz prosesinde tuz çözeltisi konsantrasyonu, sıcaklık, besleme çözeltisi hızı, çekme çözeltisi hızı gibi parametreler incelenmiştir. MEMBRANA Liquicel® Minimodule (Almanya, GmbH) marka ve model kullanılan membran kontaktörlerde optimum koşul olarak 4 M CaCI2 çözeltisi, 25°C çekme ve besleme çözeltisi sıcaklığı, 1600 mL.dak-1 çekme ve besleme hızları ve 1:2 besleme:çekme çözeltisi hacim oranı belirlenmiş, ve bu koşullar deneylerde merkez nokta olarak seçilmiştir. MICRODYN® - MD 020 CP 2N (Almanya, GmbH) membran kontaktörlerde optimum koşullar 500 mL.dak-1 hız, 30°C sıcaklık, 4 M CaCl2 çözeltisi olarak belirlenmiştir. İki farklı membran kontaktör ile yapılan ileri osmoz deneylerinde elde edilen akılar 92.8 ile 814.3 mL.m-2.sa-1 arasında çıkmıştır, ve konsantrasyon işlemi 70 ile 200 dak arasında hızlı bir şekilde gerçekleşmiştir. Aynı şekilde sütün konsantrasyonu membran distilasyon proseslerinde de gerçekleştirilmiş ve bu proseslerde sıcaklık ve hız parametrelerinin etkisi incelenmiştir. İki farklı membran kontaktörde gerçekleştirilen membran distilasyonu ile elde edilen akılar 3.84 ile 227.5 mL.m-2.sa-1 değerleri arasındadır. Daha sonra ileri osmoz-membran distilasyonu hibrit proses olarak uygulanmış, hibrit prosesin ileri osmoz kısmında sütün konsantrasyonu gerçekleştirilirken membran distilasyonu kısmında çekme çözeltisinin derişiklendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Hibrit proseste sıcaklık parametresinin sistem performansına etkisi incelenmiştir. Hibrit prosesin uygulanmasıyla çekme çözeltisi konsantrasyonunun, ileri osmozda gerçekleştirilen işlem sırasındaki çekme çözeltisi konsantrasyonuna göre daha yüksek kaldığı gözlenmiştir. Hibrit proses deneylerinin sonunda çekme çözeltisi ileri osmoz deneylerinde göre %15 oranında daha derişik hale gelmiş ve böylece akılar ileri osmoza göre yaklaşık 1.6 katı daha yüksek elde edilmiştir. İleri osmoz prosesinde kütle transferi için teorik bir model önerilmiştir. Önerilen modelden elde edilen sonuçlar deneysel verilerle uyum içerisindedir ve böyle bir prosesin tasarımında kullanılabileceği ön görülmektedir. Bu çalışma ile süt endüstrisinde vazgeçilmez bir aşama olan süt konsantrasyonu işlemi, membrana dayalı prosesler ile daha ekonomik bir şekilde gerçekleştirilmiş olup, geleneksel yöntemlere alternatif bir proses olarak sunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Süt, ileri osmoz, membran distilasyonu, hibrit sistem