PORTAKAL KABUĞU-ASİDİK SU KARIŞIMININ FİLTRASYONUNDA BUĞDAY KEPEĞİNİN SÜZME YARDIMCI MADDESİ OLARAK KULLANILMASI

Transkript

1 PORTAKAL KABUĞU-ASİDİK SU KARIŞIMININ FİLTRASYONUNDA BUĞDAY KEPEĞİNİN SÜZME YARDIMCI MADDESİ OLARAK KULLANILMASI Tuba YETİŞİR, Güneş ÖZSOY, Nurhan ARSLAN Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü-ELAZIĞ ÖZET Asidik su kullanarak portakal kabuğundan pektin ekstraksiyonu işleminden sonra oluşan portakal kabuğu-asidik su karışımının sabit basınçta vakum altında filtrasyonu işleminde, süzme yardımcı maddesi olarak buğday kepeği kullanmanın spesifik kek direncine etkisi incelenmiştir. Süzme basıncının artmasıyla spesifik kek direnci artmıştır. Bu durum, filtre kekinin sıkıştırılabilir karakterde olduğunu göstermektedir.spesifik kek dirençleri, önkaplama miktarı ve beslemeye katkı konsantrasyonunun artması ile düşmüştür. Önkaplama ve beslemeye katkı tekniğinin birlikte uygulandığı durumlarda en düşük spesifik kek dirençleri elde edilmiştir. Sabit bir süzme basıncı için, spesifik kek direncinin düşmesi süzme hızının artması anlamına geldiğinden portakal kabuğu-asidik su karışımının süzülmesinde yüksek süzme hızlarına erişmek için önkaplama ve beslemeye katkı tekniğinin birlikte uygulanması ve beslemeye katkı miktarının yüksek tutulması gerekmektedir. Anahtar kelimeler: Buğday kepeği; Filtrasyon; Pektin; Portakal kabuğu GİRİŞ Temel bileşeni D-Galakturonik asit olan pektin, farklı oranlarda metil ester grubu içeren ve uygun koşullar altında şeker ve asitle jelimsi bir yapı oluşturan maddedir. Galakturonik asit birimleri α (1-4) glikozid bağlarıyla bağlanmışlardır ve metanol ile kısmen esterleşmişlerdir. Pektin bitkisel kaynaklı bir stabilizör olup her meyve ve sebzede farklı nitelik ve miktarlarda bulunur. Elma posası, portakal kabuğu ve şeker pancarı küspesi gibi tarımsal endüstri artıkları önemli miktarda pektin içermektedirler. Narenciye kabuklarında K.M.'de % oranında pektin bulunur. Gıda alanında pektinin kullanılması şekerler ve asitler ile jel oluşturma özelliğine dayanır. Pektin; jel yapıcı, kıvam verici, emülgatör ve stabilizör olarak meyve sularında, reçel, jöle, marmelat, meyveli şekerlemeler ve süt ürünlerinde kullanılır [1,2]. Katı-sıvı karışımlarının ayrılması ile ilgili problemler, katıların özelliklerine ve karışımda bulunan katı-sıvı oranına bağlı olarak farklı işlemlerle çözümlenebilir. Katı-sıvı karışımlarının ayrılmasında katının miktarı sıvıya oranla az ise filtrasyon işlemi uygulanır. Süzme ortamı gözeneklerinin tıkanarak filtrasyon hızının yavaşlaması en önemli işletme sorunlarındandır. Bu sorunların çözümünde esas görevi süzme ortamı üzerinde gözenekli bir tabaka oluşturmak olan kizelgur, perlit ve selülozik maddeler gibi süzme yardımcı maddeleri kullanılmaktadır. Süzme yardımcı maddelerinin varlığı, süzme ortamı yüzeyine oturacak çökeltinin geçirgenliğini artırır, sıkıştırılabilirliğini azaltır ve filtre kekinin direncinin artmasını önler [3,4]. Bu çalışmanın amacı, portakal kabuğundan HCl yöntemiyle pektin ekstraksiyonu işleminden sonra meydana gelen portakal kabuğu-asidik su karışımının sabit basınçta vakum altında süzülmesi işleminde süzme basıncının süzme hızına etkisini, süzme yardımcı maddesi olarak buğday kepeği kullanarak farklı önkaplama ve beslemeye katkı miktarlarının ortalama spesifik

2 kek direncine etkisini incelemektir. DENEYSEL Portakal kabuğu güneşte kurutuldu ve delik açıklığı 0.3 mm. olan elekten geçecek şekilde öğütüldü. 5 gram kurutulmuş portakal kabuğuna 375 ml destile su ilave edildi, derişik HCl ile ph, 1.5 e ayarlandı ve daha sonra karışım, sıcaklık 75 C' de sabit tutularak erlen çalkalayıcıda 60 dk. süreyle tutuldu. Portakal kabuğu-asidik su karışımı, filtrasyon işlemlerinde besleme olarak kullanıldı. Portakal kabuğu-asidik su karışımı çeşitli süzme basınçlarında vakum altında süzüldü. Portakal kabuğu-asidik su karışımının süzülmesi işleminde kullanılan kesikli laboratuvar düzeneğinin şematik görünümü Şekil 1' de gösterilmiştir. A 9 A Şekil 1. Filtrasyon düzeneğinin şematik gösterimi 1-Su banyosu 2-Karıştırıcı 3-Termometre 4- Besleme kabı 5-Vana 6-Ceketli paslanmaz çelik filtre 7-Huni 8-Vakum bölmesi 9-Vakum Pompası 10-Vakum manometresi 11-Basınç kontrol vanası 12-Süzüntü kabı 13-Derecelendirilmiş cam seviye göstergesi 14- Süzüntü çıkış vanası Filtrasyon düzeneği; besleme kabı, 1.8 litre kapasiteli su ceketli paslanmaz çelik filtre, vakum bölmesi ve süzüntü kabından ibarettir. Filtrasyon alanı 73.9 cm 2 dir. Deneylerde kullanılan süzme ortamı şeker endüstrisinde kullanılan ve yerel olarak üretilen sık dokulu (10 atkı/cm, 30 çözgü/cm) pamuklu kumaştır. Süzme işlemine başlamadan önce alanının % 32.1'i 4 mm çaplı deliklerden ibaret olan delikli bir plaka, kumaş süzme ortamı ile kaplandı ve vakum bölmesinin üzerine yerleştirildi. Portakal kabuğu-asidik su karışımı, 75 mm Hg (0.10x10 5 Pa), 100 mmhg (0.13x10 5 Pa) ve 150 mmhg (0.20x10 5 Pa) basınç farklarında ve 25 C'de vakum altında

3 süzüldü. Süzme işlemi sırasında istenilen süzme sıcaklığı filtrenin ceketi içinden geçirilen süzme sıcaklığındaki su ile, süzme basıncı ise basınç kontrol vanası ve -760 mmhg basınca kadar ölçüm yapan 5 mmhg hassasiyetli vakum manometresi ile ayarlandı. 375 ml. portakal kabuğu-asidik su karışımı besleme kabına konuldu, bir karıştırıcı ile sürekli karıştırılarak süzme sıcaklığına getirildi ve filtreye beslendi. Filtrasyon deneyleri sırasında ilk 30 ml süzüntü atıldıktan sonra zaman-hacim verilerini elde etmek için süzüntü hacminin zamanla değişimi kaydedildi. Uygulanan süzme basıncı basınç kontrol vanası yardımıyla sabit tutuldu. Süzüntülerin kinematik viskoziteleri kapiler numarası Ic, iç çapı 0.84 mm olan Ubbelohde viskozimetresiyle örneklerin akma süreleri kaydedilerek hesaplandı. Süzüntülerin yoğunlukları kapiler başlıklı bir piknometre kullanılarak ölçüldü ve dinamik viskozite hesaplandı. Süzme işleminin etkinliğini artırmak ve süzme yardımcı maddesinin spesifik kek direnci ve süzme hızı üzerine etkisini incelemek için süzme yardımcı maddeleri ilave edilerek süzme denemeleri de yapıldı. Bu amaçla süzme yardımcı maddesi olarak 200 mesh elekten geçecek şekilde öğütülmüş buğday kepeği kullanıldı. Süzme yardımcı maddesi katkısının portakal kabuğu-asidik su karışımının süzülmesi özelliklerine etkisini araştırmak için üç çeşit deney grubu planlandı. Bunlar önkaplamalı, beslemeye katkılı, önkaplamalı ve beslemeye katkılı süzme tekniklerini içermektedir. Önkaplamalı deneylerde, hazırlanan bir kısım süzme yardımcı maddesi ve iki kısım su içeren karışım süzme ortamının üzerine, vakum uygulanarak, homojen bir şekilde kaplandı ve önkaplamalı süzme yüzeyi olarak kullanıldı. Beslemeye katkılı deneylerde belirli miktardaki süzme yardımcı maddesi ve besleme, besleme tankında karıştırılıp süzme sıcaklığına ayarlandıktan sonra filtreye beslendi. Önkaplamalı ve beslemeye katkılı deneylerde önce süzme ortamının süzme yardımcı maddesi ile önkaplaması yapıldı, daha sonra çözeltiye katkılı kısım bunun üzerine aktarıldı. Süzüntü hacmisüre verileri spesifik kek direncini hesaplamak için kullanıldı. Önkaplamalı deneylerde, 0.102, 0.135, ve kg/m 2 süzme alanı, beslemeye katkılı deneylerde 0.27x10-3, 0.67x10-3, 1.33x10-3 ve 2.00x10-3 kg/l besleme miktarlarında süzme yardımcı maddesi kullanıldı. Önkaplama ve beslemeye katkının birlikte uygulandığı deneylerde her önkaplama miktarı için farklı beslemeye katkı miktarlarında süzme yardımcı maddesi kullanıldı. SONUÇLAR Sabit basınç filtrasyonu için aşağıdaki eşitlik kullanıldı [5]. t/v=µαcv/2(- P)A 2 +µr m /- PA (1) Bu eşitlik çeşitli süzme basınçlarında spesifik kek dirençlerini belirlemek için kullanılabilir. Portakal kabuğu-asidik su karışımının filtrasyonunda; 75,100 ve 150 mmhg basınç farkları ve 25 C de elde edilen süzüntü hacmi-süre verileri kullanılarak hesaplanan t/v değerlerinin V' ye karşı grafiğe geçirilmesiyle elde edilen doğruların eğiminden spesifik kek dirençleri hesaplanmıştır. 25 C süzme sıcaklığında elde edilen süzüntülerin viskozitesi 2.5 mpas olarak ölçülmüştür. 75,100 ve150 mmhg süzme basınçlarında ve 25 C süzme sıcaklığında deneysel filtrasyon verilerinin analizinden elde edilen spesifik kek direnci değerleri sırasıyla 1.16x10 11 m/kg, 1.52x10 11 ve 2.30x10 11 olarak bulunmuştur. Spesifik kek direnci uygulanan basınç farkının bir fonksiyonudur. Sıkıştırılabilir filtre keklerinin spesifik kek direnci için aşağıdaki amprik eşitlik kullanılır. α=α o (- P) υ (2)

4 25 o C sıcaklıkta ve değişik basınç farklarında yapılan süzme işlemlerinde ln (- P) değerlerine karşılık In α değerlerinin grafiğe geçirilmesiyle elde edilen doğrunun eğim ve kaymasından kek sıkıştırılabilirlik faktörü (υ) ve birim basınç farkındaki spesifik kek direnci (α o ) bulunmuştur. Süzme basıncındaki artış kekin gözenekliliğini azalttığından yüksek süzme basınçlarında daha yüksek spesifik kek dirençleri elde edilmektedir. Filtrasyon işleminde oluşan kekin, spesifik kek direncinin süzme basıncı ile değişimini gösteren eşitlik aşağıdaki şekilde bulunmuştur. α=1.352 x10 7 (- P) (3) Bu çalışmada, süzme işleminin etkinliğini artırmak için süzme ortamı süzme yardımcı maddesi ile kaplanmış, beslemeye süzme yardımcı maddesi ilave edilmiş veya her iki teknik birlikte uygulanmıştır.farklı miktarlarda buğday kepeği süzme ortamı üzerine kaplanmış ve portakal kabuğu-asidik su karışımının 25 C' de, farklı süzme basınçlarında süzülmesi sırasında, önkaplanmış süzme yardımcı maddesinin kek direncine etkisi hakkında veriler elde edilmiştir. 25 C' de ve farklı süzme basınçlarında yapılan deneylerden elde edilen verilerden hesaplanan spesifik kek dirençlerinin önkaplama miktarları ile değişimi Şekil 2' de gösterilmiştir x10-11 (m/kg) Önkaplama miktarı (kg/m 2 ) Şekil 2. Önkaplama miktarının spesifik kek direncine etkisi: Süzme basıncı (mmhg):( )75, ( )100, ( )150 Süzme yardımcı maddesi olarak buğday kepeğinin kullanıldığı önkaplamalı deneylerde;75 ve 100 mmhg süzme basınçlarında, süzme yardımcı maddesi kullanılmayan deneylere kıyasla önkaplama kullanımı ile spesifik kek direncinin kg/m 2 önkaplama miktarına kadar düştüğü, daha sonra önkaplama miktarının artmasıyla fazla değişmediği gözlenmiştir. 150 mmhg süzme basıncında ise süzme yardımcı maddesi kullanılmayan deneylere kıyasla önkaplama kullanımı ile spesifik kek direncinin düştüğü gözlenmiştir. Önkaplama miktarını daha fazla artırma, diğer önkaplama miktarlarına kıyasla spesifik kek direncini düşürmüştür.

5 Buğday kepeği farklı miktarlarda beslemeye homojen olarak karıştırılmış ve portakal kabuğuasidik su karışımının 25 C' de, farklı süzme basınçlarında süzülmesi sırasında, beslemeye ilave edilen süzme yardımcı maddesinin kek direncine etkisi hakkında veriler elde edilmiştir. 25 C' de ve farklı süzme basınçlarında yapılan deneylerde elde edilen verilerden hesaplanan spesifik kek dirençlerinin beslemeye katkı miktarları ile değişimi Şekil 3' de gösterilmiştir x10-11 (m/kg) Bes. katkı kons.x10 3 (kg/l) Şekil 3. Beslemeye katkı konsantrasyonunun spesifik kek direncine etkisi:süzme basıncı (mmhg): ( )75, ( )100, ( )150 Beslemeye katkı deneylerinde süzme yardımcı maddesi kullanılmayan deneylere kıyasla beslemeye katkı miktarlarının artırılmasıyla spesifik kek direncinde azalma gözlenmiştir. Bu durum, yüksek süzme yardımcı maddesi konsantrasyonlarında süzme yardımcı maddesi kanallarının parçacıklar ile daha az tıkandığını gösterir. Beslemeye katkılı deneylerde;75 ve 100 mmhg süzme basınçlarında, spesifik kek direnci 0.67x10-3 kg/l beslemeye katkı konsantrasyonuna kadar düşmüş, daha sonra beslemeye katkı konsantrasyonunun artması ile spesifik kek dirençlerinde önemli bir değişme gözlenmemiştir. 150 mmhg süzme basıncında, spesifik kek direnci 1.33x10-3 kg/l beslemeye katkı konsantrasyonuna kadar düşmüş, daha sonra beslemeye katkı konsantrasyonunun artması ile spesifik kek direnci fazla değişmemiştir.önkaplama ve beslemeye katkı işleminin birlikte uygulanmasının spesifik kek direncine etkisini incelemek amacıyla 25 C' de 150 mmhg basınç farklarında yapılan deneylerde, önkaplama ve beslemeye katkı miktarlarının spesifik kek direncine birlikte etkisi sırasıyla Şekil 4 de gösterilmiştir. Süzme yardımcı maddelerinin önkaplama ve beslemeye katkı olarak birlikte uygulandığı deneylerde, süzme yardımcı maddesi kullanılmayan deneylere kıyasla spesifik kek dirençleri azalmıştır. Önkaplama-beslemeye katkı karışımı içindeki beslemeye katkı miktarının artmasıyla spesifik kek dirençlerinde daha fazla azalma gözlenmiştir. Yüksek basınçlarda sabit bir beslemeye katkı konsantrasyonunda beslemeye katkı miktarının değiştirilmesi spesifik kek dirençlerinin değişiminde daha etkili olmuştur. Spesifik kek direncindeki en fazla azalma yüzdesi genellikle 0.27x10-3 kg/l beslemeye katkı konsantrasyonu kullanıldığında elde edilmiştir. Tüm süzme basınçları için, önkaplama-beslemeye katkı karışımı içindeki beslemeye katkı miktarının artmasıyla spesifik kek dirençleri 0.67x10-3 kg/l beslemeye katkı konsantrasyonuna kadar düşmüş, daha sonra ise spesifik kek dirençlerinde fazla bir değişim gözlenmemiştir.

6 2.5 2 x10-11 (m/kg) Be s. k atkı kons.x10 3 (kg/l) Şekil 4. Önkaplama ve beslemeye katkı miktarının spesifik kek direncine birlikte etkisi; Süzme basıncı: 150 mmhg, Önkaplama miktarı (kg/m 2 ): ( ) 0.102, ( ) 0.135, ( o ) 0.203, ( ) Spesifik kek direnci önkaplama miktarı ve beslemeye katkı konsantrasyonu ile değişmektedir. Kek gözenekliği süzme basıncındaki artış ile azaldığından daha yüksek süzme basınçlarında daha yüksek spesifik kek dirençleri elde edilmiştir. Süzme basıncının artmasıyla spesifik kek direncinin artması, filtre kekinin sıkıştırılabilir özellikte olduğunu göstermektedir. Sabit bir süzme basıncı için, spesifik kek direncinin düşmesi süzme hızının artması anlamına geldiğinden portakal kabuğu-asidik su karışımının süzülmesinde yüksek süzme hızlarına erişmek için önkaplama ve beslemeye katkı tekniğinin birlikte uygulanması ve beslemeye katkı miktarının yüksek tutulması gerekmektedir. SEMBOLLER A filtrasyon alanı (m 2 ) c birim süzüntü hacmi başına katı maddelerin kütlesi (kg/m 3 ) R m süzme ortamı direncidir (m -1 ). t süre (s) V süzüntü hacmi (m 3 ) α ort. spesifik kek direnci (m/kg) α 0 sabit ν sabit µ süzüntünün viskozitesi (Pa s) - P süzme basıncı (Pa) KAYNAKLAR 1. Evranuz, Ö., Ayçiçeği Tablalarından Pektin Eldesinde Pektin Kalitesini Etkileyen Faktörler ve Konu ile İlgili Teknolojik Öneriler, Tübitak MBEAE Beslenme ve Gıda Tek. Bölümü, Yayın no: 92, Kirk, D.E., Othmer, D.F.,Pectic Substances, Encyclopedia of Chemical Technology,New York: Wiley, Arslan, N.,Kar, F., Filtration of Sugar-Beet Pulp Pectin Extract and Flow Properties of Pectin Solutions, Journal of Food Engineering., 36, , Lee,D.J., Hsu, Y.H., Cake Formation in Capillary Suction Apparatus, Ind. Eng. Chem. Res., 32(6), , McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, Fourth Edition, McGraw-Hill Book Company, Singapore,1985.