ŞEKER PACARI KÜSPESİ KARBOKSİMETİL SELÜLOZUU GÖRÜÜR VİSKOZİTESİE SICAKLIK VE KOSATRASYOU ETKİSİ Hasa TOĞRUL, urha ARSLA Fırat Üiversitesi, Mühedislik Fakültesi, Kimya Mühedisliği Bölümü-ELAZIĞ ÖZET Şeker pacarı küspesi selülozuda elde edile karboksimetil selülozda (CMC hazırlaa CMC çözeltilerii akış davraışı 0-30 o C sıcaklık ve 5-30 kg/m 3 kosatrasyo aralığıda bir döer viskozimetre ile belirledi. Deeysel veriler Ostwald de Waele modelie uyguladı ve karboksimetil selüloz çözeltilerii pseudoplastik davraış gösterdikleri buludu. Görüür viskozite sıcaklık ve kayma hızıı artmasıyla azaldı, kosatrasyou artması ile arttı. Her bir kayma hızı içi CMC çözeltilerii görüür viskozitesie sıcaklık ve kosatrasyou birlikte etkisii ifade ede eşitlikler geliştirildi. Aahtar Kelimeler: Karboksimetil Selüloz; Reoloji; Selüloz; Şeker Pacarı Küspesi GİRİŞ Gıda edüstriside e yaygı kullaıla selüloz eterleri karboksimetil selülozdur. Karboksimetil selülozu kalılaştırıcı, yapıştırıcı, bağlayıcı ve stabilizatör olması, yağlara ve orgaik çözücülere karşı dayaıklı ola mükemmel film oluşturması gibi özellikleri vardır. Bu özellikleri ile karboksimetil selüloz; deterja, boya, duvar kağıdı tutkalı, kağıt, tekstil, petrol sodaj çamurları, seramik, gıda maddeleri, kozmetik ve eczacılık edüstrileri gibi geiş bir alada kullaılmaktadır. Karboksimetil selülozu görüür viskozite değeri kullaıla selülozu kayağıa ve karboksimetil selülozu saflık oraıa bağlı olarak geiş bir aralıkta değişmekte, farklı kullaım alalarıda kullamaya uygu olup olmaması bakımıda bu parametre öem taşımaktadır. Bu edele, sıcaklık ve kosatrasyou bir foksiyou olarak karboksimetil selülozu reolojik davraışıı bilimesi gerekir. o-ewtoia akışkaları reolojik özelliklerii belirlemek amacıyla Ostwald de Waele (power law modeli yaygı olarak kullaılmaktadır [,]. Bu çalışmada, şeker pacarı küspesi selülozuda elde edile karboksimetil selüloz kullaılarak hazırlaa çözeltileri görüür viskozitesie sıcaklık ve kosatrasyou birlikte etkisi icelemiş, görüür viskoziteyi sıcaklık ve kosatrasyou foksiyou olarak ifade ede amprik eşitlikler geliştirilmiş ve Ostwald de Waele model parametreleri belirlemiştir. KURAMSAL Ortak ekseli iki silidir arasıdaki bir akışkaa uygulaa kayma gerilimi, viskozimetrede okua tork değerleri kullaılarak aşağıdaki eşitlik yardımıyla hesaplaır [3]. τ rφ =M d /πlr o ( Kayma hızı-kayma gerilimi ilişkisi Ostwald de Waele modeli içi aşağıdaki eşitlik ile verilir.
lτ rφ =l 4π m ( R +l(/60 ( Eşitlik ( gereğice rotor devir hızlarıı logaritmasıa (l karşı kayma gerilmesi değerlerii logaritması (l τ rφ grafiğe geçirilerek elde edile doğruu eğimide akışkalık ideksi (,kaymasıda akışkalık sabiti (m buluabilir. m, ve kayma gerilimi değerleri kullaılarak kayma hızı aşağıdaki eşitlikte hesaplaır. exp( kayma = eğim m = 4 π ( R (3 Görüür viskozite kayma gerilimii kayma hızıa oraıdır ve aşağıdaki eşitlik ile hesaplaır. η a =τ rφ /(-dv φ /dr (4 CMC çözeltilerii görüür vizkozitesie sıcaklık ve kosatrasyou birlikte etkisii ifade ede eşitlikleri güveilirliğii araştırmak içi RMSE, MBE, MPE ve Khi-kare (χ gibi çeşitli istatistiksel testler uygulamış ve uygu model belirlemeye çalışılmıştır. ( hi RMSE = d i d i h i ( h i d i MBE = MPE = d i 00 χ = ( d i DEEYSEL hi EF ( di = ( dort di ( dort hi di (5 Kurutulmuş öğütülmüş şeker pacarı küspeside gerçekleştirile yağ, protei, pekti, hemiselüloz ekstraksiyou ve deligifikasyo işlemii takibe elde edile selüloz, sirkülasyolu su bayosua bağlı sıcaklık kotrollü ısı stabilizasyo ceketli bir reaksiyo kabıda 70 o C de, 360 dk. reaksiyo süreside ve çözücü olarak 00 ml izobütil alkol, % 30 luk aoh, /.5 selüloz/sodyumklorasetat oraıda sodyum klor asetat kullaılarak karboksimetil selüloza döüştürüldü 3. Optimum reaksiyo koşullarıda elde edile karboksimetil selüloz kullaılarak 5, 0, 5, 0, 5 ve 30 kg/m 3 kosatrasyolarda karboksimetil selüloz çözeltileri hazırladı. Ortamdaki karboksimetil selülozu tamame çözümesii sağlamak amacıyla, hazırlaa çözeltiler st süreyle 5 o C de karıştırıldı, süzüldü ve çözeltilerdeki hava kabarcıklarıı serbest kalması içi 4 saat bekledikte sora çalışıla kosatrasyodaki umue bir su bayosuda çalışma sıcaklığıa getirilerek rotor etki boyuu geçmeyecek şekilde döer
viskozimetrei umue kabıa aktarıldı. Karboksimetil selülozu sulu çözeltilerii akış özelliklerie kosatrasyou (5-30 kg/m 3 ve sıcaklığı (0-30 o C etkisii belirlemek amacıyla dış silidir iç yarıçapı 4x0-3 m, rotor yarıçapı.5x0-3 m ve rotor etki uzuluğu 9.x 0 - m ola döer viskozimetre (CETI, DJ- Model kullaıldı. Deeysel veriler Ostwald de Waele modelie uyguladı. SOUÇLAR Farklı sıcaklık ve kosatrasyolardaki karboksimetil selüloz çözeltilerie ait Ostwald de Waele model parametreleri Tablo de gösterilmiştir. İcelee kosatrasyo ve sıcaklık aralığıda akışkalık ideksi değerlerii 0.707-0.9590, akışkalık sabitii ise 0.004-0.06 Pas aralığıda değiştiği belirlemiştir. değerlerii de düşük olması tüm sıcaklık ve kosatrasyolarda karboksimetil selüloz çözeltilerii reolojik davraışı pseudoplastik olduğuu göstermektedir. Akış davraış ideksi değerlerii tüm örekler içi sıcaklıktaki artış ile arttığı, akışkalık sabiti m değerlerii ise azaldığı; akış davraış ideksi değerlerii tüm örekler içi kosatrasyodaki artış ile azaldığı, akışkalık sabiti m değerlerii ise arttığı belirlemiştir. Tablo. Ostwald de Waele Model Parametreleri T ( o C m (Pas r m (Pas 5 kg/m 3 0 kg/m 3 0 0.798 0.005 0.9965 0 0.7634 0.0064 0.9969 0.8390 0.0043 0.9987 0.7800 0.0057 0.9975 5 0.8898 0.0035 0.8870 0.9987 5 0.7836 0.0053 0.785 0.9984 7 0.949 0.008 0.9957 7 0.7968 0.0049 0.9986 30 0.9590 0.004 0.9990 30 0.80 0.0046 0.999 5 kg/m 3 0 kg/m 3 0 0.794 0.00 0.9973 0 0.703 0.06 0.9936 0.7347 0.009 0.9954 0.700 0.00 0.998 5 0.739 0.007 0.7473 0.9875 5 0.730 0.008 0.7306 0.9988 7 0.7575 0.006 0.9986 7 0.7396 0.007 0.9990 30 0.7757 0.0055 0.9983 30 0.753 0.0065 0.9978 5 kg/m 3 30 kg/m 3 0 0.7095 0.037 0.9969 0 0.707 0.06 0.9994 0.74 0.07 0.997 0.75 0.038 0.9978 5 0.778 0.004 0.774 0.997 5 0.75 0.00 0.730 0.9993 7 0.7386 0.009 0.9945 7 0.730 0.006 0.9987 30 0.7499 0.0084 0.9944 30 0.7407 0.0090 0.9983 T ( o C r 5 kg/m 3 lük CMC içi eşitlik (5 de hesaplaa görüür viskozite değerlerii kayma hızı ile değişimi Şekil de verilmiştir.
0 8 η a (mpas 6 4 0 6 8 4 30 36 4 48 54 60 66 -dv φ /dr (s - Şekil. 5 kg/m 3 lük karboksimetil selüloz çözeltisi içi kayma hızı-görüür viskozite grafiği (Sıcaklık ( o C: 0,, 5, ο 7, 30 Kayma hızıı artmasıyla görüür viskozitei azalması CMC çözeltilerii akış davraışıı pseudoplastik olduğuu göstermektedir. Düşük kayma hızlarıda görüür viskozite hızlı bir şekilde azalırke yüksek kayma hızlarıda viskozitedeki değişimi daha az olması, yüksek hızlarda agregatları dağılması edeiyle akışa karşı daha az bir direç oluştuğuu göstermektedir.yüksek kosatrasyolardaki CMC çözeltilerii görüür viskozitesi kayma hızıdaki değişime daha duyarlıdır. Görüür viskozite sıcaklıktaki artış ile düşmüştür. Düşük sıcaklıklarda görüür viskozite değerleri daha yüksektir ve bu edele molekülleri hareket edebileceği uygu bir hacim yaratmak içi daha yüksek sıcaklıklarda gerekli olada daha fazla eerjiye ihtiyaç vardır. Sıcaklığı artmasıyla görüür viskozitei azalmasıa polimer zicirii esekliğii artıra polimer molekülü etrafıdaki hidratasyo suyuu kaybı ede olmaktadır.yüksek kosatrasyolarda CMC çözeltilerii viskozitesi kayma hızıdaki değişime daha duyarlıdır [4]. Görüür viskozite ve sıcaklık arasıdaki ilişki aşağıdaki şekilde verilebilir [5]. η a =η o exp (E a /RT (6 η o ile kosatrasyou değişimi aşağıdaki şekillerde ifade edilebilir. η o =δ(c ε (7 η o = δ exp(ε C (8 CMC gibi hidrokolloidleri reolojik özellikleri sıcaklık ve kosatrasyoa bağlı olduğuda, her bir kayma hızı içi görüür viskoziteye sıcaklık ve kosatrasyou birlikte etkisii belirlemek amacıyla Eşitlik (6 deki η o yerie Eşitlik (7 ve (8 yazılarak Eşitlik (9 ve (0 türetildi. η = δ(c ε a exp(e a /RT (9 η a = δ exp(ε Cexp(E a /RT (0 Eşitlik 7 ve 8 ile tarif edile teorik modelleri parametrelerii değerleri ve akış aktivasyo eerjisi farklı sıcaklık ve kosatrasyolardaki görüür viskozite değerlerie STATISTICA for Widows programı kullaarak o-lieer regresyo aalizi uygulayarak belirledi. Souçlar Tablo ve 3 de verilmiştir.
Tablo. Karboksimetil Selüloz Çözeltilerii Görüür Viskozitesie Sıcaklık ve Kosatrasyou Birlikte Etkisi (Eşitlik 9 Rotor devir sayısı (dev/dk δx0 7 mpas(kg/m 3 - ε ε [ ] E a (J/mol η a = δ(c ε exp(e a /RT r MPE MBE RMSE EF χ 3.9994 0.63653 3890 0.9897-0.66447-0.046 0.083 0.9795 0.98 6 5.5693 0.579464 3580 0.9853-0.7600-0.039 0.0865 0.9967 0.08 9 9.39673 0.54745 3496 0.984-0.69404-0.033 0.0735 0.996 0.0965 4.5535 0.53934 3304 0.9776-0.644-0.07 0.06463 0.9957 0.093 5 0.769 0.5055 336 0.974-0.5833-0.0 0.05807 0.9953 0.0909 8 7.637 0.48970 363 0.9706-0.55-0.07 0.0578 0.9949 0.0894 0 3.8556 0.480578 385 0.9683-0.4866-0.04 0.05005 0.9946 0.0886 5 47.494 0.460999 3080 0.968-0.395-0.007 0.04400 0.994 0.087 30 46.506 0.44466 953 0.9574-4.539-0.67 0.09 0.9936 0.0860 35 84.3683 0.43069 8864 0.95-0.308-0.0097 0.0355 0.993 0.085 40 06.758 0.48385 888 0.9469-0.566-0.0093 0.034 0.997 0.0845 45 3.706 0.407379 7775 0.948 -.98-0.0950 0.0875 0.993 0.0840 50 59.59 0.397460 73 0.9368-0.0-0.0085 0.0748 0.999 0.0835 55 89.68 0.3886 6886 0.938 -.34-0.073 0.0736 0.996 0.083 60 3.78 0.379969 6489 0.969 0.0976-0.0079 0.0365 0.99 0.086 Tablo 3. Karboksimetil Selüloz Çözeltilerii Görüür Viskozitesie Sıcaklık ve Kosatrasyou Birlikte Etkisi (Eşitlik 0 Rotor devir sayısı (dev/dk δ x0 7 (mpas ε (kg/m 3 - E a (J/mol η a = δ exp(ε Cexp(E a /RT r MPE MBE RMSE EF χ 3 5.58735 0.03785 3896 0.9865.5553 0.00897 0.08049 0.973 0.5676 6 3.7844 0.03539 3575 0.9885 0.59587 0.0099 0.0669 0.9974 0.083 9 3.8967 0.03386 346 0.989 0.3460 0.00056 0.05308 0.99776 0.05689 35.664 0.0373 3303 0.989 0.69-0.0007 0.04794 0.99790 0.04585 5 49.663 0.0383 3 0.9887 0.0685-0.006 0.04448 0.99794 0.03998 8 64.05 0.0308 3486 0.988 0.0093-0.00 0.0490 0.9979 0.03664 0 75.0449 0.03063 305 0.9876-0.078-0.004 0.04030 0.99789 0.0358 5 04.807 0.0967 3035 0.9859-0.0586-0.009 0.03764 0.99777 0.0338 30 38.63 0.089 93 0.984 0.8379 0.00693 0.0738 0.99760 0.0346 35 76.9473 0.088 8707 0.98-0.0779-0.0034 0.03400 0.9974 0.033 40 9.059 0.0756 88 0.9799-0.076-0.0035 0.0364 0.997 0.0355 45 64.958 0.070 76 0.9776 0.5957 0.0050 0.06065 0.99699 0.0395 50 34.984 0.065 750 0.975-0.0438-0.0037 0.03063 0.99678 0.03346 55 368.67 0.0606 67 0.977 0.48603 0.00445 0.0550 0.99656 0.03404 60 46.487 0.0564 637 0.970-0.0038-0.0037 0.093 0.99634 0.0346
Eşitlik (9 ve (0 u sabitleri sadece icelee sıcaklık ve kosatrasyo aralığıda görüür viskoziteyi hesaplamak içi kullaılabilir. Sabit kayma hızıda görüür viskoziteye sıcaklık ve kosatrasyou birlikte etkisii icelemek amacıyla Eşitlik (9 ve (0 da hesaplaa görüür viskozite değerleri ve deeysel görüür viskozite verileri kullaılarak yapıla istatistiksel testler soucu tüm kayma hızlarıda görüür viskoziteyi belirlemek içi Eşitlik (0 u daha uygu olduğu Tablo ve 3 de görülmektedir. Eşitlik (0 içi hesaplaa istatistiksel test souçları Eşitlik (9 içi hesaplaa değerlerde daha uygudur. Fakat test souçları, viskozitei öemli olduğu uygulamalarda 5-30 kg/m 3 kosatrasyo ve 0-30 o C sıcaklık aralığıda her iki eşitlik kullaılarak belirlee souçları görüür viskozite verileride sapmasıı güve sıırı içide kalacağıı göstermektedir. SEMBOLLER C Kosatrasyo (kg/m 3 dv φ /dr kayma hızı (s - E a Aktivasyo eerjisi (J/mol EF modeli modelleme yeteeği L rotor etki uzuluğu (m m akışkalık sabiti (Pa s M d tork (m MBE ortalama hata MPE ortalama yüzde hata akış davraış ideksi modeldeki parametre sayısı Rotor devir sayısı (devir/s R o rotor iç yarıçapı (m R rotor yarıçapıı dış silidiri iç yarıçapıa oraı ve ideal gaz sabiti (J/molK RMSE hata karelerii ortalama karekökü T Sıcaklık (K η a görüür viskozite (mpas η o Eşitlik 6 ı sabiti ε Eşitlik 7 ı sabiti ε Eşitlik 8 i sabiti (kg/m 3 - δ Eşitlik 7 ı sabiti (mpas (kg/m 3 -ε δ Eşitlik 8 i sabiti (mpas τ rφ kayma gerilimi (Pa di deeysel görüür viskozite değeri (mpas dort deeysel görüür viskozite değerlerii ortalaması(mpas hi modelde hesaplaa görüür viskozite değeri (mpas χ khi-kare KAYAKLAR. Guerrero, S.., Alzamora, S. M., Effect of ph, Temperature ad Glucose Additio o Flow Behaviour of Fruit Purees: II. Peach, Papaya ad Mago Purees, Joural of Food Egieerigg, 33, 39-56, 997.. Kirk, R.E., Othmer, D.F., Cellulose, Ecylopedia of Chemical Techology, ew York: Wiley,967. 3. Steffe, J.F., Rheological Methods i Food Process Egieerig, Freema Press, USA, 99. 4. Almedia, A.R., Dias, M.L., Comparative Study of Shear Degradatio of Carboxymethylcellulose ad Poly (ethylee oxides i Aqueous Solutio, Polymer Degradatio ad Stability, 56, 33-337, 997. 5. Rao, M., Cooley, J., Vitali, A.A., Flow properties of cocetrated juices at low temperatures, Food Techology, 38(3, 3-9, 984.