Filtration performance of ceramic membranes at whey processing and risk assessment of end-product
Seramik membranların peynir altı suyu işlenmesinde filtrasyon performansı ve son ürünün risk analizi
- Tez No: 653019
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Peynir altı suyu (PAS), peynir ve kazein üretimi sırasında veya sütten yağ ve kazeinin çökelmesi ile oluşan laktoz, mineral, vitamin ve protein yönünden zengin sıvı bir üründür. Kazein olarak bahsedilen ürün, yağsız sütün pıhtılaştırılması, yıkanması ve kurutulması ile elde edilen bir protein ürünüdür. Kazeinin; yağsız sütün mineral asidi ya da laktik asit bakterileri kullanılarak pıhtılaştırılması ile üretilen asit kazeini ve yağsız sütün rennet enzimi yani diğer bir adıyla peynir mayası ile pıhtılaştırılarak elde edilen rennet kazeini olarak iki adet endüstriyel tipi bulunmaktadır. Kazeinin asit etkisiyle veya rennet enzimi vasıtasıyla pıhtılaştırılmasından sonra peynir altı suyu PAS pıhtıdan ayrılmaktadır. Peynir üretim endüstrisinin yan ürünü olan peynir altı suyu, yüksek besin değeri nedeniyle süt teknolojisindeki en önemli yan üründür ve bu yüksek besin değeri nedeniyle son yıllarda atık olarak değerlendirilmemektedir. Peynir altı suyu, yüksek organik madde içerikleri nedeniyle son yıllarda özellikle peynir endüstrisinin en önemli atıklarından biri olmuştur. Peynir altı suyu, içerdiği yüksek miktardaki besin maddeleri nedeniyle gıda endüstrisinde geniş bir kullanım alanı sağlamaktadır. En yüksek değere sahip olan PAS ürünleri genel olarak yem sanayinde, daha yüksek değere sahip olan PAS protein konsantreleri ve PAS protein izolatları gibi ürünler ise başta gıda sektörü olmak üzere yaygın olarak kozmetik ve ilaç endüstrisinde değerlendirilmektedir. Peynir altı suyundan elde edilen ürünler, genel olarak kuru formda, şekerleme ve fırıncılık ürünleri, sağlık ve sporcu takviyeleri, süt ve et endüstrileri gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. PAS içerdiği yüksek miktarda organik ve inorganik maddeler sebebiyle, kanalizasyon sistemleri ve merkezi su kanalları bakımından oldukça tehlikeli boyutlarda çevre kirliliğine neden olabilmektedir. Genel olarak değerlendirilmeyen bir kanala ya da denize dökülen PAS, suya karıştığında yapısındaki laktoz aerobik bakteriler tarafından parçalanmakta ve bunun sonucunda organik asitler meydana gelmektedir. PAS'ın neden olduğu çevre kirliliğinin boyutunu belirlemek için biyolojik oksijen ihtiyacı (BOI) olarak ifade edilen kavram kullanılmaktadır. BOI, biyokimyasal oksijen gereksinimini ifade etmektedir ve bu değer, kirli sulardaki organik maddeleri parçalamak için mikroorganizmaların kullandığı oksijen miktarını belirtmektedir. Bir litre PAS için bahsedilen bu değer yaklaşık olarak 40-60 g/L olarak değişmektedir. Yüksek besin değeri sayesinde atık olarak değerlendirilmeden ve çeşitli teknolojik yaklaşımlar ile katma değeri yüksek ürünlere dönüştürülebilir olması son yıllarda önemli çalışma konuları arasında yer almıştır. Peynir altı suyundan kazanılan en önemli içerik olan proteinin geri kazanım yöntemlerinden en önemlisi membran prosesleridir. Membran ayırma tekniği genel olarak; Ultrafiltrasyon (UF), Diyafiltrasyon, Mikrofiltrasyon (MF), Nanofiltrasyon (NF) ve Ters Osmoz (RO) olmak üzere gruplandırılmaktadır. UF sistemleri yüksek molekül ağırlıklı bileşenleri ısı uygulaması ve faz değişimine uğratmadan konsantre etme imkanı sağlamaktadır. Diğer membranlardan farklı olarak por çaplarına göre değil, membrandan geçemeyen küresel molekül (Nominal Molecular Weight Cut-off, NMWC) ağırlığına göre tanımlanmaktadır. UF sistemlerinde genel olarak 1-15 bar arasında basınç uygulanabilmektedir. Gıda sanayinde protein ve nişasta gibi ısıya duyarlı moleküller için UF tekniği ile 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 sistemleri gıda işleme ve süt ürünleri endüstrisinde yararlı bileşiklerin geri kazanmak amacıyla kullanılabilmektedir. Diğer yandan yağın, PAS proteininin, protein olmayan azotun, laktoz ve minerallerin ayrılmasında ve tutulmasında da kullanılmaktadır. UF; %35-65 PAS konsantresi üretiminde ve %70-85 PAS konsantre üretiminde kullanılır. Hammaddenin özelliğine bağlı olarak MF ve UF'nun birlikte kullanılması bazı durumlarda daha ekonomik olmaktadır. Membranların yüksek performansı sayesinde peynir altı suyunun işlenmesi, demineralize edilmesi ve konsantre edilmesi, verimli bir şekilde bileşenlere ayrılması ve atık ürünlerinin önemli ve değerli yan ürünler haline getirilmesi sağlanmaktadır. Membran işlemlerinin atık su oluşumunu azaltma ve yeniden kullanılabilir su sağlama gibi avantajları da vardır. Özellikle çalışma koşullarındaki sıcaklık ve pH değerleri düşünüldüğünde seramik membranların peynir altı suyunun işlenmesinde kullanımı, yüksek sıcaklığa, yüksek veya çok düşük pH değerlerine ve kimyasallara karşı dayanıklılığı nedeniyle polimerik membranlara göre daha avantajlıdır. Alümina (Al2O3), Titanya (TiO2) ve Zirkonya (Zr2O3) gibi inorganik malzemelerle yüksek sıcaklıkta üretilen seramik membranlar, konfigürasyonuna göre disk veya tübüler şeklinde; yapılarına göre gözenekli ve gözeneksiz olarak sınıflandırılabilir. Seramik membranlar sodyum hidroksit, sodyum hipoklorit vb. herhangi bir temizlik kimyasalından veya organik çözücülerden etkilenmediği için uzun süreli işletime uygundur. Yüksek enerji verimliliği, düşük geri yıkama suyu ihtiyacı ve daha az kimyasal kullanımı nedeniyle kullanım ömrü uzundur ve çok sık membran değişimi gerektirmediğinden işletme maliyetleri polimerik membranlara göre daha düşüktür. Seramik membran, atık su arıtımında, gıda ve süt uygulamalarında, yağ/su ayırımında kullanılabilmektedir. Membran tıkanması, filtrasyon performansını etkileyen en önemli problemdir. Bu çalışmada, laboratuvar ölçekli çapraz akışlı seramik membran filtrasyon sistemi kullanılarak konsantre akımda yüksek protein oranında peynir altı suyu tozu elde edilmesi amaçlanmıştır. İlk olarak, 15 kDa moleküler ağırlık kesme değerine (MWCO) sahip disk ve tübüler seramik membranların performansları 40 oC besleme sıcaklığında karşılaştırılmıştır. İkinci aşamada, 15 kDa MWCO değerine sahip tübüler seramik membran farklı besleme sıcaklıklarında (25 oC, 40 oC, 60 oC ve 80 oC) yüksek kalitede peynir altı suyu tozu eldesi için test edilmiştir. Tezin üçüncü aşamasında, filtrasyon performansını artırmak için 15 kDa seramik membrandan önce 50 kDa seramik membran ile ön filtreleme işlemi uygulanmıştır. Tezin son aşamasında, peynir altı suyu ürününün risk değerlendirmesi için filtrasyon son ürününde patojen organizma testi ve hormon, antibiyotik ve ağır metal analizleri yapılmıştır. Tüm filtrasyon deneylerinden karar verilen optimum şartlarda dondurarak kurutma prosedürü ile peynir altı suyu tozu elde edilmiştir. Tez kapsamında 40 oC'de disk ve tübüler seramik membranlardan peynir altı suyu geçirildiğinde J/Jo oranları karşılaştırılmış ve tübüler membranın daha geç kirlendiği ve daha uzun süre kullanılabileceği görülmüştür. Bu nedenle deneylere tübüler seramik membran kullanılarak devam edilmesine karar verilmiştir. Daha sonra artan sıcaklık ve farklı pH değerlerinin filtrasyon sürecine etkisi incelenmiştir. Deneyler sonucunda yüksek sıcaklığın membranın kirlenmesini artırdığı görülmüştür. En iyi sonuçlar 25 oC sıcaklıkta yapılan deneylerde bulunmuştur. Bunun nedeni olarak ise 25 oC sıcaklıktaki düşük laktoz konsantrasyonu olduğu söylenebilir. Düşük laktoz konsantrasyonu, daha az kirlenme ve tıkanma anlamına gelmektedir. Daha sonra filtrasyon performansını artırmak amacıyla 50 kDa tübüler seramik membrana ön filtreleme uygulanmıştır. Bu işlem ile birlikte peynir altı suyundaki protein uzaklaştırılırken, kirlenmeye ve kontaminasyona neden olan laktoz ortamda kalmıştır. Bu deney sırasında pH etkisi ve enzimatik temizlemede çalışılmıştır. Her iki membranda da en iyi akı değerlerine 40 oC'de ulaşıldığı sonucuna varılmıştır. Akının pH 4.7 ve 25 oC'de, pH 5.2'den yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. pH 4.7'de enzim ilavesi ile birlikte akının azaldığı gözlenmiştir. pH 5.2'de ise enzim ilavesiyle akının arttığı görülmektedir. Buradaki amaç, peynir altı suyunun işlenmesi sırasında bu iz kirleticilerin optimum koşullarda bulunup bulunmadığını ve bulunuyorsa hangi miktarlarda olduklarını belirlemektir. Ek olarak membran sisteminin hangi akıma geçme eğiliminde olduğunu ve sıvı peynir altı suyundan toz peynir altı suyuna geçişteki risklerin neler olduğunu belirlemektir. Östradiol (E2), tüm numunelerdeki E2 konsantrasyonunun 0.05 ppb'den az olduğu gözlenmiştir, bu da süt kaynağında minimum miktarda E2 bulunduğunu göstermektedir. Antibiyotiklerin analiz sonuçlarına bakıldığında, UF konsantre akımındaki Amoksisilin konsantrasyonunun beslemedeki konsantrasyona göre yarı yarıya azaldığı görülmüştür. Öte yandan, UF konsantre akımındaki Eritromisin konsantrasyonu, beslemedeki konsantrasyonun üç katından fazla miktarda arttığı görülmüştür. Peynir altı suyundaki kabul edilebilir Eritromisin miktarının 24 μg / kg (yani 26,7 ppb) olduğu tahmin edilmektedir. Bu çalışmanın Eritromisin sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, UF konsantre akışındaki (3.5 ppb) maksimum Eritromisin konsantrasyonunun peynir altı suyundaki (26.7 ppb) kabul edilebilir Eritromisin miktarından çok daha düşük olduğu sonucuna varılmıştır. Çiftlik hayvanı sütünde tavsiye edilen maksimum Amoksisilin kalıntı limitleri 4 μg / kg (yani 4,45 ppb) olarak belirlenmiş ve çalışmamızdaki tüm örneklerde ölçülen değer bu değerin oldukça altında bulunmuştur. Peynir altı suyunun membran ile filtrasyonundan sonra proje teklifinde püskürtmeli kurutma yöntemi belirtilmiştir. Dondurarak kurutma, gıda endüstrisinde ürünlerin tat, koku ve şekil özelliklerini değiştirmeden tüm su içeriğini giderebilen ve besin değerlerini koruyan bir kurutma yöntemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Dondurularak kurutulduktan sonra, yaklaşık 1.35 L peynir altı suyu konsantresinden 6.5 g peynir altı suyu tozu elde edilmiştir. Üretilen peynir altı suyu tozu, Diyafiltrasyon Modu: 2 koşulları altında üretilmiştir ve bu peyniraltı suyu tozu %39 oranında protein içermektedir. Bakteri testlerinin sonuçlarında, ilgili belgede açıklandığı gibi fekal koliform ve total koliform hazır agarlarda E.coli, Pseudomonas, Enterobacter kolonilerine ait renk koloni büyümesi gözlenmemiştir.
Özet (Çeviri)
Whey is a valuable liquid product including lactose, minerals, vitamins and protein, which occurs during the production of cheese and casein or with the precipitation of fat and casein from milk. Whey is the most important by-product in the dairy process due to its high nutritional value. Whey is seen as an environmental pollutant in recent years due to its high organic content. Whey has not been considered as a waste stream in recent years due to its high nutritional value and is brought to the economy as a valuable resource. The production of whey is calculated as 100 million kg/year worldwide, and 92% of this is obtained from cheese production as alone. Due to the high performance of membranes, it is ensured that the whey can be processed, demineralized and concentrated, efficiently divided into fractions, making waste by-products into important and valuable products. Membrane processes have advantages such as reducing wastewater generation and providing reusable water. The application of ceramic membranes for whey processing is seen to be more suitable and advantageous than the polymeric membranes due to their resistance to high temperature, high or very low acidic/basic pH values and chemicals. The subject of this thesis is to obtain“whey powder”with high protein and low lactose content from acidic whey, with a low concentration of trace contaminants such as antibiotics/hormones/heavy metals and pathogen-free, with cross-flow ceramic ultrafiltration (CeUF) membrane technology. Within the scope of the thesis, the experimental studies were carried out to evaluate the performance of CeUF technology in whey powder production in an experimental matrix and for large scale applicability. For this purpose, the disc and tubular ceramic membranes with 15 kDa molecular weight cut-off value (MWCO) were firstly performed at whey feed temperatures of 40 oC. At the second stage, the tubular ceramic membrane with 15 kDa MWCO were tested at different feed temperature (25 oC, 40 oC, 60 oC and 80 oC) to increase the final product quality of the whey powder obtained from the concentrate flow of membranes. In the third stage of the thesis, the prefiltration procedure with 50 kDa ceramic membrane was applied before 15 kDa ceramic membrane for increasing overall filtration performance. At the fourth step of the thesis, the pathogen organism test and hormones, antibiotics, and heavy metals analysis were conducted at the end product for risk assessment/evaluation of whey product. The freeze-drying procedure was applied to obtain the whey powder at the optimum results from all filtration experiments. Considering the general results of the thesis, the optimum conditions for the highest amount of protein in the concentrate stream, filtration temperature of 25 oC. Afterwards, 50 kDa pre-filtration was applied to increase the filtration performance. During this experiment, pH effect and enzymatic cleaning were also studied. It is concluded that the flux is higher than pH 5.2 at 25 oC. And at pH 5.2, it is seen that the flux increases with the enzyme addition. Estradiol (E2) was observed that the E2 concentration in all samples was less than 0.05 ppb, indicating that there is a minimum amount of E2 in the milk source. When looking at the analysis results of antibiotics, it was observed that the Amoxicillin concentration in the UF concentrate stream decreased by half compared to the concentration in the feed. On the other hand, the Erythromycin concentration in the UF concentrate stream increased more than three times the concentration in the feed. it is estimated that the acceptable amount of Erythromycin in whey is 24 μg / kg (ie 26.7 ppb). When compared with the Erythromycin results of this study, it was concluded that the maximum Erythromycin concentration in the UF concentrate stream (3.5 ppb) was much lower than the acceptable amount of Erythromycin in whey (26.7 ppb). The maximum amoxicillin residue limits recommended in farm animal milk were specified as 4 μg / kg (ie 4.45 ppb) and the measured value in all samples in our study was considerably lower than this value. After freeze drying, 6.5 g whey powder was obtained from approximately 1.35 L whey concentrate. The produced whey powder was produced under the conditions of Diafiltration Mode: 2 and contains 39% protein. When looking at the results of the bacteria tests, no color colony growth belonging to E.coli, Pseudomonas, Enterobacter colonies was observed in Fecal coliform and total coliform ready agars as described in the relevant document.
Benzer Tezler
- Ceramic membrane application for producing high quality end-product from acidic cheese whey based on filtration conditions and immobilized enzymatic activity
Asidik peynir altı suyundan yüksek kalitede son ürün eldesinde filtrasyon şartlarına ve immobilize enzim aktivitesine bağlı olarak seramik membran uygulaması
SAMA ALI QAHTAN AL-MUTWALLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
- Impact of different inoculum sources on performance of MBRs for municipal wastewater treatment: Dynamic membrane versus ultrafiltration membrane
Evsel atıksu arıtımında farklı aşı çamurlarının MBR'lerin performansı üzerindeki etkisi: Dinamik membran ve ultrafiltrasyon membran kıyaslaması
ALİ İZZET CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Membran biyoreaktörlerde enerji ihtiyacının azaltılması ve membran yüzey temizleme işlemlerine değişik yaklaşımlar
Reduction of energy consumption in mbr systems and different aproaches of membrane surface cleaning systems
SEDAT SOYBAY
Doktora
Türkçe
2016
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Seramik tübüler membranlar kullanılarak stevia ekstraktlarının mikrofiltrasyonu
Microfiltration of stevia extracts by usingceramic tubular membranes
ÖZGE AĞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Gıda MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ EMRAH ÇETİN
- Nanogözenekli süperhidrofilik seramik membran üretimi ve geliştirilmesi
Production and development of nanoporous superhydrophilic membrane filter
CEM ÖZGÜR
Doktora
Türkçe
2009
Seramik MühendisliğiDumlupınar ÜniversitesiSeramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN ŞAN