MEMBRAN DİSTİLASYON VE OZMOTİK DİSTİLASYON İLE MEYVE SUYU KONSANTRASYONU

GIDA (2012) 37 (2): 103-110 GD11075 Derleme / Review MEMBRAN DİSTİLASYON VE OZMOTİK DİSTİLASYON İLE MEYVE SUYU KONSANTRASYONU Pelin Onsekizoğlu* Trakya Üniversitesi, Mühendislik Mimarl k Fakültesi, G da Mühendisli i Bölümü, Edirne Gelifl tarihi / Received: 26.09.2011 Kabul tarihi / Accepted: 24.11.2011 Özet Geleneksel termal evaporasyonla meyve suyu konsantresi üretiminde uygulanan yüksek s cakl klar, uçucu aroma maddeleri, vitaminler ve di er besin ö elerinde kay plar, piflmifl tat oluflumu, renk bozulmas ve insan sa l üzerinde olumsuz etkilere neden olmaktad r. Geleneksel uygulamalar n yerini almak üzere, hem iyi kalitede hem de güvenilir ürün üretimine olanak tan yan alternatif konsantrasyon teknolojileri gün geçtikçe önem kazanmaktad r. Bu teknolojiler aras nda, membran distilasyon ve ozmotik distilasyon gibi membran uygulamalar meyve sular n n oda s cakl nda veya buna yak n s cakl klarda 60-65 Briks ve hatta daha yüksek seviyelere konsantrasyonuna olanak sa lamalar bak m ndan ön plana ç km fllard r. Çal flmada, taze ürün karakteristiklerine yak n ürün üretiminde gelecek vadeden bu membran uygulamalar n n temel ilkeleri ve meyve suyu sanayinde kullan m potansiyelleri hakk nda bilgi verilmifltir. Anahtar kelimeler: Membran distilasyon, ozmotik distilasyon, meyve suyu konsantresi, termal evaporasyon NEW MEMBRANE PROCESSES FOR CONCENTRATION OF FRUIT JUICES: MEMBRANE DISTILLATION AND OSMOTIC DISTILLATION Abstract High temperatures applied during fruit juice concentrate production with traditional thermal evaporation results in unfavorable effects like volatile flavor, vitamin and other nutritional compound losses, off-flavor formation, color degradation and potential health risks. Alternative concentration technologies providing both good quality and reliable product production for replacing traditional applications are becoming important by day. Among these technologies, membrane applications like membrane distillation and osmotic distillation are at the forefront since they provide concentration of fruit juices up to 60-65 Brix and even more Brix levels at room temperature or close to room temperature. In this study, principal characteristics of these promising membrane processes able to retain the uniqueness of the fresh juices and potential for their utilization in fruit juice industry was evaluated. Keywords: Mmembrane distillation, osmotic distillation, fruit juice concentrate, thermal evaporation *Yazışmalardan sorumlu yazar / Corresponding author; pelinonsekizoglu@gmail.com (+90) 284 226 1217-2305 (+90) 284 226 1225 103

P. Onsekizoğlu GİRİŞ Meyve sular mikrobiyolojik ve kimyasal stabilitenin sa lanmas için genellikle çok kademeli termal evaporatörler kullan larak konsantre edilmektedir. Konsantrasyon prosesi ile meyve sular n n kuru madde miktar %5-20 den %60-75 e ç kar l r. Ürün hacmi 6-7 defa daha azald ndan depolama ve tafl ma giderleri de ayr ca düflmektedir. Depolanan meyve suyu konsantresi y l boyunca pazar ihtiyaçlar na göre uygun koflullarda ifllenerek tüketime haz r hale getirilir (1) Ancak geleneksel termal evaporasyon, s cakl n etkisine ba l olarak taze meyve sular na k yasla flavor kayb na yol açarken, ayn zamanda renk bozulmalar na ve "piflmifl" tat oluflumuna neden olmaktad r. Bu ürünlerde aroma bileflenlerindeki kay plar n azalt labilmesi için konsantrasyondan önce aroma maddeleri meyve suyundan ayr lmakta, konsantre edildikten sonra bu flekilde depolanmakta ve rekonstitüsyon ifllemi s ras nda tekrar meyve suyuna ilave edilmektedir. Aroma maddelerindeki kay plar n azalt labilmesi için uygulanan tüm bu ifllemler maliyet art fl n da beraberinde getirmektedir (1, 2). Ancak termal evaporasyonun neden oldu u olumsuzluklar yaln zca ürün kalitesindeki azalmayla da s n rl de ildir. Son y llarda yap lan çal flmalarda elde edilen bulgular, meyve sular na uygulanan termal yöntemlerin hidroksimetil furfural (HMF) veya furan gibi bir tak m olas kanserojen bilefliklerin oluflumuna da neden olabilece ine iflaret etmektedir (2-6). Dolay s yla hem iyi kalitede hem de güvenilir ürün üretimine olanak tan yan s l olmayan alternatif konsantrasyon teknikleri gün geçtikçe önem kazanmaktad r. Günümüzde taze s k lm fl meyve sular n n karakteristiklerinin yüksek düzeyde korunmas na yönelik bu araflt rmalar aras nda membran sistemlerinin kullan ld konsantrasyon prosesleri dikkat çekmektedir (7, 8). Membran proseslerinin g da endüstrisindeki uygulamalar, 1960 lar n bafllar nda asimetrik membranlar n ortaya ç kmas yla h zl bir art fl göstermeye bafllam flt r. Düflük s cakl klarda meyve sular n n konsantrasyonu amac yla ise yo unlukla ters ozmoz uygulamas üzerine çal flmalar gerçeklefltirilmifltir. Ters ozmoz prosesinin geleneksel evaporasyona göre daha az enerji sarfiyat ve duyusal özellikleri daha iyi düzeyde korunmas gibi avantajlar olmas na karfl n, bu yöntemde yüksek ozmotik bas nç s n rlamas dolay s yla 25-30 Briks seviyelerine ancak ulafl labilmektedir. Bu de er, geleneksel evaporasyon yöntemi ile elde edilen ve gerçek anlamda kimyasal ve mikrobiyolojik stabilitenin sa land 65-70 Briks seviyesinin oldukça alt nda kalmaktad r (9, 10). Son y llarda teknolojideki geliflmelere ba l olarak, meyve sular n n düflük s cakl klarda ve atmosferik bas nç alt nda 60-65 Briks ve hatta daha yüksek seviyelere konsantrasyonuna olanak sa layan "membran distilasyon" ve "ozmotik distilasyon" prosesleri alternatif membran uygulamalar olarak ortaya ç km flt r (2, 11, 12). Bu araflt rma, taze ürün karakteristiklerinin yüksek düzeyde korunmas, geliflen tüketici taleplerine cevap vermesinin yan s ra ekonomik olmalar dolay s yla son y llarda literatürde genifl olarak yer alan bu membran uygulamalar hakk nda ayr nt l olarak bilgi vermektedir. Membran distilasyon Membran distilasyon atmosferik bas nç alt nda gerçeklefltirilmektedir. Membran distilasyon ile meyve sular n n konsantrasyonunda meyve sular n n s cakl, kullan lan membran n özelliklerine (membran kal nl, por çap, membran n s l direnci vs.) ba l olarak genellikle 30-60 C aras nda tutulmaktad r. Farkl s cakl klara sahip meyve suyu ile permeat (distile su) mikroporöz hidrofobik bir membran taraf ndan birbirinden ayr lmaktad r. Membran n hidrofobik karakteri sayesinde s v fazda kütle transferinin önüne geçilmekte ve membran porlar n n giriflinde bir buhar-s v faz oluflmaktad r. Bu koflullar alt nda s cak taraftan so uk tarafa do ru su buhar transferi gerçekleflmektedir. Membran distilasyon uygulamas nda sürücü güç, mevcut s cakl k gradyeni dolay s yla iki çözelti aras nda oluflan buhar bas nc fark d r (13). Sistemde üç aflamal bir kütle aktar m mekanizmas söz konusudur: (1) s cak meyve suyu membran ara yüzeyinde suyun evaporasyonu; (2) su buhar n n mikroporöz sistem boyunca tafl n m ; (3) so uk permeat membran ara yüzeyinde su buhar n n yo uflmas (13, 14). Membran distilasyon prosesi ile, ters ozmoz sisteminde sistem performans n olumsuz yönde etkileyen konsantrasyon polarizasyonu sorununun büyük oranda önüne geçilmekte ve meyve sular düflük oranda bir ak azalmas ile yüksek konsantrasyonlara kadar konsantre edilebilmektedir (14). 104

Membran Distilasyon ve Ozmotik Distilasyon İle... Ozmotik distilasyon Ozmotik distilasyon, ozmotik evaporasyon, izotermal membran distilasyon veya gaz membran ekstraksiyon gibi isimlerle de an lmaktad r. Bu membran sisteminde, meyve sular n n yüksek Briks de erlerine konsantrasyonu atmosferik bas nç alt nda ve oda s cakl nda gerçeklefltirilmektedir (13). Ozmotik distilasyonda, farkl çözünen konsantrasyonlar na sahip olan besleme (meyve suyu) ve hipertonik tuz çözeltisi mikroporöz hidrofobik bir membran kullan larak birbirinden ayr lmaktad r. ki çözeltinin çözünen madde konsantrasyonlar aras ndaki buhar bas nc fark ve bunun sonucunda oluflan su aktivitesindeki farkl l k, seyreltik çözeltiden tuz çözeltisine do ru su buhar transferine yol açmaktad r. Suyun membran boyunca transferi üç aflamada gerçekleflir: (1) seyreltik çözeltide buhar-s v ara yüzeyinde suyun buharlaflmas ; (2) su buhar n membran boyunca tafl n m ; (3) tuz çözeltisi-membran ara yüzeyinde su buhar n n yo uflmas (15). Ozmotik distilasyon prosesi ile ters ozmozda karfl lafl lan yüksek ozmotik bas nç s n rlamas ve membran distilasyonda ise uygulama s cakl na ba l olarak ortaya ç kan uçucu bileflen kayb, s l degradasyon gibi dezavantajlar n önemli ölçüde önüne geçilebilmektedir (10, 16, 17). Ozmotik distilasyon prosesi ile meyve sular, bilefliminde önemli bir farkl l k olmadan, 60 Briks ve üzerine konsantre edilebilmektedir (10, 18). Di er taraftan, lipofilik karakterdeki aroma bileflenlerinin ozmotik çözeltide çözünürlü ü sudaki çözünürlü ünden daha düflük oldu undan, bu maddelerin meyve suyundan hipertonik tuz çözeltisine buhar faz nda transferi için sürücü güç, suya k yasla çok daha düflüktür (19). Tüm bu faktörlerin sonucu olarak ozmotik distilasyon prosesi, özellikle yüksek oranda uçucu aroma maddeleri içeren meyve sular n n konsantrasyonunda önem kazanmaktad r (2, 20). Ozmotik distilasyon ve membran distilasyonda kullanılan proses parametrelerinin akı ve ürün karakteristikleri üzerine etkisi Ozmotik çözeltinin çeflidi Ozmotik distilasyonda suyun transfer h z, ozmotik çözelti taraf ndaki su buhar bas nc ile ters orant l olarak de iflmektedir. Bu nedenle suda çözünürlü ü yüksek olan ve düflük eflde er a rl a sahip NaCl, CaCl 2, MgCl 2, MgSO 2, K 2 HPO 4 ve KH 2 PO 4 gibi tuz çözeltileri kullan larak yüksek oranda sürücü güç sa lanmaktad r. Çözünürlü ün eflde er a rl a oran olan ozmotik aktivite de erlerine göre CaCl 2 ve K 2 HPO 4 çözeltilerinin NaCl den daha iyi ozmotik özellik gösterdi i bilinmektedir (21, 22). Ozmotik çözeltinin derişimi Ozmotik distilasyon prosesinde kullan lan ozmotik çözeltinin deriflimindeki art fla paralel olarak transmembran ak s n n önemli ölçüde artt belirlenmifltir. Bu buhar bas nc farkl l ndaki art fl nedeniyle oluflmaktad r (22-24). Babu et al. (25), ozmotik distilasyonla ananas suyunun konsantrasyonu sürecinde, ozmotik çözelti derifliminin 2 mol/kg dan 10 mol/kg a ç kar lmas n n, transmembran ak s nda 6 misli bir art fla neden oldu unu belirlemifltir. Passion suyunun konsantrasyonunda endüstriyel pilot ölçekli ozmotik distilasyon sisteminin kullan m potansiyelinin araflt r ld bir çal flmada (26), berrak passion suyunun 30 C de 60 Briksin üzerine konsantrasyonu 28 saat gibi uzun bir zaman diliminde tamamlanm flt r. Proses boyunca ak da gözlenen düflüflün temel nedeninin, ozmotik çözelti konsantrasyonundaki azalma oldu u ortaya konmufltur. Bu ba lamda gerçeklefltirilen di er birçok çal flmada da bu sonucu desteleyen bulgular elde edilmifltir (18, 27). Sıcaklık farkı Membran distilasyon prosesinde, besleme ve permeat aras ndaki s cakl k fark ile ak aras nda do rusal bir iliflki bulunmaktad r. Membran n iki ayr yüzeyine temas eden iki çözelti aras ndaki s cakl k fark ne kadar büyükse, kütle aktar m için sürücü güç olan su buhar bas nc fark da o kadar fazla olacakt r (8, 28). Membran distilasyon prosesinde s cakl k farkl l ndaki art fla paralel olarak ak n n büyümesi, ozmotik distilasyon prosesinde beslemenin s t l p, ozmotik çözeltinin so utulmas yoluyla konsantrasyon fark na ilave bir sürücü güç yarat labilece i fikrini do urmufltur. Ozmotik distilasyon ve membran distilasyon proseslerinin bir arada kullan ld ve "tümleflik membran distilasyon sistemi" olarak isimlendirilen bu sistemde, ozmotik çözelti ile besleme aras nda bir s cakl k fark oluflturularak, sürücü güç artt r lmakta ve transmembran ak s nda gözle görülür bir fark 105

P. Onsekizoğlu belirmektedir (29-32). Tümleflik membran distilasyon sisteminde, s cakl k art fl na ba l olarak meyve suyunun viskozitesinde meydana gelen azalma da ak art fl na katk da bulunmaktad r (32). Fruktoz çözeltileri ve üzüm suyunda gerçeklefltirilen denemelerde, besleme çözeltisinin s cakl n n 25 C den 35 C ye ç kar lmas sonucu ozmotik distilasyon ak s n n %20 oran nda art fl gösterdi i bulunmufltur (33). S cakl k fark n n membran ve ozmotik distilasyon ak s na etkisini tart fl rken ele al nmas gereken bir di er husus da, s cakl k fark ndaki yükselmeyle beraber evaporasyon h z ndaki art fl n, konsantrasyon polarizasyonu oluflumunu da h zland rmas d r. Bu nedenle tümleflik membran distilasyon prosesinde, özellikle uzun soluklu uygulamalar için, besleme çözeltisinin s cakl n n ve ak fl h z n n optimizasyonu önem tafl maktad r. Tümleflik membran distilasyon sistemi ile meyve sular n n konsantrasyonu ozmotik distilasyon ve membran distilasyona k yasla çok daha k sa sürede tamamland ndan, aroma maddelerindeki kay plar n önemli ölçüde önüne geçilmektedir. Onsekizo lu et al. (2) elma sular n membran distilasyon, ozmotik distilasyon, tümleflik membran distilasyon sistemi ve geleneksel evaporasyonla konsantrasyonu s ras nda aroma bileflimindeki kay plar incelemifltir. Çal fl lan elma suyu örneklerinde tespit edilen en bask n aroma maddesi olan trans-2-hekzenal miktar ile gerçeklefltirilen denemelerde, tümleflik membran distilasyon sistemi ile konsantrasyonun elma sular n n aroma bilefliminde önemli bir kayba sebep olmad ; taze ürün özelliklerinin büyük ölçüde korundu u saptanm flt r. Araflt rmada elma sular n n trans-2-hekzenal içeri inde membran distilasyon sisteminde ozmotik distilasyona göre daha belirgin bir düflüfl olmufl; geleneksel evaporasyonda ise bilefli in hemen hemen tamam n n kayboldu u tespit edilmifltir. Di er taraftan, yüksek s cakl klar vitamin kay plar n da beraberinde getirmektedir. Nitekim membran distilasyon prosesi ile konsantre edilen portakal sular n n fleker ve organik asit bilefliminde bir de iflim görülmezken, askorbik asit bilefliminde %42 oran nda bir azalma tespit edilmifltir (13). Ak fl h z Yüksek ak fl h z nda oluflan kayma kuvvetleri pektin ve selüloz gibi yüksek molekül a rl kl partiküllerin membran yüzeyinde birikimini engellemekte ve böylece membran yüzeyinde film tabakas oluflumunu azaltmaktad r (28). Di er taraftan, düflük ak fl h z Reynold say s n düflürmekte ve y n ile membran yüzeyi aras ndaki s al flveriflini minimize ederek, s cakl k polarizasyonu etkilerini artt rmaktad r (13, 34). Özellikle meyve suyunun kuru madde miktar n n ve dolay s yla viskozitesinin yükseldi i konsantrasyonun ileri aflamalar nda ak fl h z n n etkinli i de daha belirgin flekilde hissedilmektedir. Örne in, 11 Briks suda çözünür kuru madde miktar na sahip elma suyunun membran distilasyon ile konsantrasyonunda, ak fl h z n n 0.37 m/s den 0.58 m/s e ç kar lmas permeat ak s nda %12 art flla sonuçlanm flt r. Buna karfl l k, 25 Brikse kadar ak fl h z n n ayn düzeyde yükseltilmesinin, permeat ak s nda %23 oran nda bir art fla neden oldu u belirlenmifltir (8). Benzer flekilde, 55 Briksteki limon suyunun ozmotik distilasyon ile konsantrasyonunda, ozmotik çözelti ak fl h z n n 25 ml/dak dan 100 ml/dak a ç kar lmas n n ak da %42 oran nda bir art fla neden oldu u belirlenmifltir (22). Onsekizo lu et al. (28) s cakl k, ak fl h z, tuz deriflimi parametrelerinin sistem performans üzerine etkilerini, ak ve suda çözünür kuru madde miktar bak m ndan full faktöriyel tasar m ile incelemifltir. ncelenen tüm koflullar için uygulanan parametrelerin üst limitlerinde daha yüksek ak ve Briks de erleri elde edilmekle birlikte, en önemli etkinin tuz deriflimi oldu u saptanm flt r. Tuz deriflimini s ras yla s cakl k fark ve ak fl h z parametrelerini takip etti i belirtilmektedir. Diğer membran uygulamaları ile bir arada kullanım potansiyelleri üzerine araştırmalar Ozmotik distilasyon ve membran distilasyon prosesleri ile konsantre edilen meyve sular n n bafllang ç kuru madde içeri i ne kadar fazlaysa, birim zamanda ayn miktarda uzaklaflt r lan su, daha yüksek konsantrasyon de erlerine ulaflmaya olanak sa layacakt r. Örne in, teorik olarak, bafllang çta 12 Briks olan 500 g meyve suyunun yap s ndan 200 g su uzaklaflt r ld nda, 20 Brikse ulafl l rken, 24 Briks kuru maddeye sahip meyve suyundan ayn miktarda su uzaklaflt r ld nda eriflilen kuru madde oran 40 Briks olacakt r. Bu nedenle meyve sular membran distilasyon ya da ozmotik distilasyon öncesinde genellikle ters ozmoz veya nanofiltrasyon gibi yöntemlerle belli 106

Membran Distilasyon ve Ozmotik Distilasyon İle... bir düzeye kadar konsantre edilerek ifllem süresi k salt lmakta ve sistem performans önemli ölçüde artt r lmaktad r (14, 35). Di er taraftan, portakal suyu gibi yüksek kuru madde ve pektin içeren meyve sular na do rudan ters ozmoz, membran distilasyon veya ozmotik distilasyon uyguland nda oldukça viskoz bir yap oluflmakta ve permeat ak s düflmektedir. Konsantrasyon aflamas ndan önce meyve suyundaki süspanse kat lar ve pektinin mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon ile ayr lmas sonucu ise viskozite azalmakta ve buna ba l olarak permeat ak s ndaki azalman n önüne geçilebilmektedir (2, 31, 36, 37). Nitekim membran distilasyon prosesinden önce ultrafiltrasyon ile berraklaflt r lan meyve sular n n bafllang ç kuru madde içeri inin iki kat na kadar konsantrasyonu boyunca ak da herhangi bir de iflim olmad rapor edilmifltir (13). Cassano et al. (18) taraf ndan gerçeklefltirilen araflt rmalarda portakal, limon ve havuç sular n n klarifikasyonu ve yüksek kalitede meyve suyu konsantresi üretimi amac yla tümleflik membran prosesleri kullan lm flt r. Bu amaçla ilk aflamada, pilot ölçekli bir ultrafiltrasyon düzene inde serum ve pulp k s mlar birbirinden ayr lan örneklerin serum k sm, 15-20 Brikse kadar ters ozmozla konsantre edilmifltir. Daha sonra ozmotik distilasyon ile kuru madde içeri i 60 Briksin üzerine ç kar lm flt r. Pulp k sm ise pastörize edildikten sonra konsantre serum ile birlefltirilmifltir. Bu yönteme göre üretilen konsantrelerin toplam antioksidan aktivitelerinin, geleneksel evaporasyon tekni i ile üretilen konsantrelere k yasla daha iyi ölçüde korundu u belirlenmifltir. Kompleks membran prosesleri ile yüksek kalitede konsantre ananas suyu üretimi üzerine gerçeklefltirilen bir baflka çal flmada (23), ultrafiltrasyon ile berraklaflt r lan ananas suyu, ters ozmoz tekni i ile 25 Brikse konsantre edilmifl, ard ndan, ozmotik distilasyon ile kuru madde içeri i 60 Briksin üzerine ç kar lm flt r. Ultrafiltrasyon ile süspanse haldeki kat lar ve kolloidler uzaklaflt r lm fl ve böylece sonraki aflamada uygulanan ters ozmoz ve ozmotik distilasyon ifllemlerinde konsantrasyon polarizasyonu minimize edilerek sistem kapasitesi önemli ölçüde artt r lm flt r. Kompleks membran prosesleri ile üretilen ananas sular n n duyusal niteliklerinin taze s k lm fl ananas suyuna çok yak n oldu u, son ürünlerde gerçeklefltirilen duyusal analizlerle ortaya konmufltur (23). Yüksek kalitede kivi suyu üretimi amac yla tümleflik membran proseslerinin kullan ld bir di er çal flmada, ilk aflamada ham kivi suyunun aromas pervaporasyon tekni i ile ayr lm flt r. Böylece durultma ve konsantrasyon s ras nda ortaya ç kabilecek aroma kay plar n n önüne geçilmifltir. Daha sonra, ultrafiltrasyon ile serum ve pulp k s mlar birbirinden ayr lan örneklerin serum k sm ozmotik distilasyon ile 60 Briks ve üzerine konsantre edilmifltir. Pulp k sm pastörize edildikten sonra konsantre serum ve pervaporasyonla önceden ayr lan aroma ile birlefltirilerek, taze kivi suyunun aroma, askorbik asit ve toplam antioksidan aktivite de erlerine çok yak n özelikte ürünler elde edilmifltir (27). Polarizasyon etkileri Konsantrasyon polarizasyonu Ozmotik distilasyon prosesinde, hidrofobik karakterdeki membran sadece su buhar geçifline izin verdi i için, besleme içerisinde bulunan çözünen molekülleri besleme-membran ara yüzeyinde birikerek konsantre olmaktad r. Tuzlu çözelti-membran ara yüzeyinde ise membran boyunca tafl nan su buhar yo uflmakta ve ara yüzeydeki konsantrasyonu azaltmaktad r. Sonuç olarak su buhar transferinin gerçekleflti i membran ara yüzeylerindeki çözelti konsantrasyonlar, hem retentat hem de permeat taraf ndaki y n konsantrasyondan farkl olmaktad r (fiekil 1). Konsantrasyon polarizasyonu olarak isimlendirilen bu olay, ozmotik distilasyonda performans olumsuz yönde etkileyen en önemli faktördür (25, 38, 39). fiekil 1. Ozmotik distilasyon prosesinde ortaya ç kan konsantrasyon profilleri: Cb,y: besleme y n konsantrasyonu; Cb,m: besleme membran yüzeyindeki konsantrasyon; Cp,y: permeat y n konsantrasyonu; Cp,m: permeat membran yüzeyindeki konsantrasyon; Py= y n su buhar bas nc fark ; Pm= membran yüzeyindeki su buhar bas nc fark (22, 25, 40 ve 41'den derlenmifltir). 107

P. Onsekizoğlu S cakl k polarizasyonu Membran distilasyon prosesi ile meyve sular n n konsantrasyonunda ak y olumsuz yönde etkileyen faktörlerin bafl nda ise s cakl k polarizasyonu gelmektedir. Termal s n r katman dirençleri nedeniyle, buhar-s v geçiflinin gerçekleflti i membran-çözelti ara yüzeyindeki çözeltinin s cakl, besleme y n s cakl ndan daha düflük düzeydedir (40). Baflka bir deyiflle, konsantrasyon boyunca, besleme taraf nda suyun buharlaflmas s ras nda verilen buharlaflma gizli s s nedeniyle membran-çözelti ara yüzeyindeki meyve suyu so umakta, permeat taraf nda ise su buhar n n yo uflmas s ras nda aç a ç kan buharlaflma gizli s s nedeniyle permeat-membran ara yüzeyindeki su s nmaktad r. Membran distilasyon prosesinde ortaya ç kan s cakl k polarizasyonu nedeniyle membran yüzeyinde oluflan s cakl k profilleri fiekil 2 de flematik olarak gösterilmektedir. fiekil 2. Membran distilasyon prosesinde ortaya ç kan s cakl k profilleri: Tb,y: besleme y n s cakl ; Tb,m: besleme membran yüzeyindeki s cakl k; Tp,y:permeat y n s cakl ; Tp,m: permeat membran yüzeyindeki s cakl k; Tm=Tb,m-Tp,m; Ty= Tb,y-Tp,y (40, 41, 42 ve 45'ten derlenmifltir) Asl nda, çal fl lan parametreler de göz önüne al nd nda, her iki membran sisteminde de konsantrasyon polarizasyonu ve s cakl k polarizasyonu etkilerinin belirebilece i aç kça görülmektedir. Ancak yap lan çal flmalarda membran distilasyon sisteminde konsantrasyon polarizasyonu etkilerinin; ozmotik distilasyon sisteminde ise s cakl k polarizasyonu etkilerinin genellikle ihmal edilebilir düzeylerde ortaya ç kt belirlenmifltir (33, 42). Islanma olayı Ozmotik distilasyon ve membran distilasyon sistemlerinin en önemli parças olan hidrofobik karakterdeki membranda karfl lafl lan en büyük problem slanmad r. Hidrofobik karakterdeki membran n slanmas, membran n özelliklerinin yan s ra membran boyunca uygulanan bas nç fark ile yak ndan iliflkilidir. Membran boyunca kritik bas nç de erinin üzerinde bir bas nç uyguland nda porlara s v penetrasyonu bafllamaktad r. S v penetrasyonu geri dönüflsüz bir olayd r (43). Deterjan, surfaktan veya benzer özellik gösteren çözücüler de membran n yüzey gerilimini düflürerek, hidrofobik karakterdeki membran n slanmas na yol açmaktad r (44, 45). Turunçgil sular gibi kabuk ya veya yüksek miktarda lipofilik karakterde aroma bilefli i içeren baz meyve sular membran yüzey gerilimini düflürerek hidrofobik yüzeyin slanmas na neden olmaktad r (46). Islanan membran hidrofilik özellik kazanmakta ve klasik mikrofiltrasyon membran gibi davranmaktad r. Bu durumda membran boyunca su ak s s v fazda oluflmakta ve su ile birlikte suda çözünen bileflenler de tafl nd ndan konsantrasyon gerçekleflememektedir. Ozmotik distilasyon ve membran distilasyon proseslerinde çok uzun süreli kullan m sonras nda film tabakas ortaya ç kabilmekte ve hatta ilerleyen aflamalarda bu oluflum membran n slanmas yla sonuçlanabilmektedir. Bu nedenle her kullan mdan sonra membran n etkin bir temizlik prosedürü ile temizlenmesi ve besleme çözeltisinin konsantrasyon aflamas ndan önce durultulmas gibi önlemler al narak film tabakas oluflumunun önüne geçilmelidir. Membran modülleri Membran distilasyon ve ozmotik distilasyon proseslerinde yayg n olarak kullan lan hidrofobik karakterdeki membranlar polivinildiflorid (PVDF), politetrafloroetilen (PTFE) ve polipropilen (PP) yap s nda olup, por çaplar 0.2 1.0 µm aral ndad r. Membran porozitesi %60 80 aras nda ve kal nl destek materyalinin varl na ba l olarak 80 250 µm düzeyindedir (46-48). Genel olarak düflük kal nl k ve yüksek poroziteye sahip membranlarda daha büyük ak elde edilmektedir. Her iki membran prosesi için de tercih edilen modül konfigürasyonlar, tabakaçerçeve (plate-frame), spiral sar lm fl (spiral wound), tubular, kapiler ve hollow fiber (içi bofl fiber) membran modülleridir (23, 30, 49). 108

Membran Distilasyon ve Ozmotik Distilasyon İle... KAYNAKLAR 1. Acar J, Gökmen V. 2005. Meyve ve Sebze flleme Teknolojisi. Cilt 1, Hacettepe Üniversitesi Yay nlar, Ankara, Türkiye, 674 s. 2. Onsekizoglu P, Bahceci KS, Acar MJ. 2010. Clarification and the concentration of apple juice using membrane processes: A comparative quality assessment. J Membr Sci, 352(1-2), 160-165. 3. Fogliano V, Capuano E. 2011. Acrylamide and 5-hydroxymethylfurfural (HMF): A review on metabolism, toxicity, occurrence in food and mitigation strategies. Lwt-Food Sci Technol, 44(4), 793-810. 4. Ciesarova Z, Vranova J. 2009. Furan in Food - a Review. Czech J Food Sci, 27(1), 1-10. 5. Crews C, Castle L. 2007. A review of the occurrence, formation and analysis of furan in heat-processed foods. Trends Food Sci Technol, 18(7), 365-372. 6. Appel KE, Abraham K, Gurtler R, Berg K, Heinemeyer G, Lampen A. 2011. Toxicology and risk assessment of 5-Hydroxymethylfurfural in food. Mol Nutr Food Res, 55(5), 667-678. 7. Galaverna G, Di Silvestro G, Cassano A, Sforza S, Dossena A, Drioli E, Marchelli R. 2008. A new integrated membrane process for the production of concentrated blood orange juice: Effect on bioactive compounds and antioxidant activity. Food Chem, 106(3), 1021-1030. 8. Gunka S, Verbych S, Bryk M, Hilal N. 2006. Concentration of apple juice using direct contact membrane distillation. Desalination, 190(1-3), 117-124. 9. Matta VM, Moretti RH, Cabral LMC. 2004. Microfiltration and reverse osmosis for clarification and concentration of acerola juice. J Food Eng, 61(3), 477-482. 10. Rodrigues RB, Menezes HC, Cabral LMC, Dornier M, Rios GM, Reynes M. 2004. Evaluation of reverse osmosis and osmotic evaporation to concentrate camu-camu juice (Myrciaria dubia). J Food Eng, 63(1), 97-102. 11. Dornier M, Cisse M, Vaillant F, Bouquet S, Pallet D, Lutin F, Reynes M. 2011. Athermal concentration by osmotic evaporation of roselle extract, apple and grape juices and impact on quality. Innov Food Sci Emerg, 12(3), 352-360. 12. Cabral LMC, Pagani MM, Rocha-Leao MH, Couto ABB, Pinto JP, Ribeiro AO, Gomes FD. 2011. Concentration of acerola (Malpighia emarginata DC.) juice by integrated membrane separation process. Desalin Water Treat, 27(1-3), 130-134. 13. Jiao B, Cassano A, Drioli E. 2004. Recent advances on membrane processes for the concentration of fruit juices: a review. J Food Eng, 63(3), 303-324. 14. Curcio E, Drioli E. 2005. Membrane distillation and related operations - A review. Sep Purif Rev, 34(1), 35-86. 15. Nagaraj N, Patil BS, Biradar PM. 2006. Osmotic Membrane Distillation - A Brief Review. Int J Food Eng, 2(2), -. 16. Cassano A, Drioli E. 2007. Concentration of clarified kiwifruit juice by osmotic distillation. J Food Eng, 79(4), 1397-1404. 17. Hongvaleerat C, Cabral LMC, Dornier M, Reynes M, Ningsanond S. 2008. Concentration of pineapple juice by osmotic evaporation. J Food Eng, 88(4), 548-552. 18. Cassano A, Drioli E, Galaverna G, Marchelli R, Di Silvestro G, Cagnasso P. 2003. Clarification and concentration of citrus and carrot juices by integrated membrane processes. J Food Eng, 57(2), 153-163. 19. Ali F, Dornier M, Duquenoy A, Reynes M. 2003. Evaluating transfers of aroma compounds during the concentration of sucrose solutions by osmotic distillation in a batch-type pilot plant. J Food Eng, 60(1), 1-8. 20. Alves VD, Coelhoso IM. 2006. Orange juice concentration by osmotic evaporation and membrane distillation: A comparative study. J Food Eng, 74(1), 125-133. 21. Narayan AV, Nagaraj N, Hebbar HU, Chakkaravarthi A, Raghavarao KSMS, Nene S. 2002. Acoustic field-assisted osmotic membrane distillation. Desalination, 147(1-3), 149-156. 22. Babu BR, Rastogi NK, Raghavarao KSMS. 2006. Mass transfer in osmotic membrane distillation of phycocyanin colorant and sweet-lime juice. J Membr Sci, 272(1-2), 58-69. 23. Nagaraj N, Patil G, Babu BR, Hebbar UH, Raghavarao KSMS, Nene S. 2006. Mass transfer in osmotic membrane distillation. J Membr Sci, 268(1), 48-56. 109

P. Onsekizoğlu 24. Alves VD, Coelhoso IM. 2002. Mass transfer in osmotic evaporation: effect of process parameters. J Membr Sci, 208(1-2), 171-179. 25. Babu BR, Rastogi NX, Raghavarao KSMS. 2008. Concentration and temperature polarization effects during osmotic membrane distillation. J Membr Sci, 322(1), 146-153. 26. Vaillant F, Jeanton E, Dornier M, O'brien GM, Reynes M, Decloux M. 2001. Concentration of passion fruit juice on an industrial pilot scale using osmotic evaporation. J Food Eng, 47(3), 195-202. 27. Cassano A, Figoli A, Tagarelli A, Sindona G, Drioli E. 2006. Integrated membrane process for the production of highly nutritional kiwifruit juice. Desalination, 189(1-3), 21-30. 28. Onsekizoglu P, Bahceci KS, Acar J. 2010. The use of factorial design for modeling membrane distillation. J Membr Sci, 349(1-2), 225-230. 29. Belafi-Bako K, Koroknai B. 2006. Enhanced water flux in fruit juice concentration: Coupled operation of osmotic evaporation and membrane distillation. J Membr Sci, 269(1-2), 187-193. 30. Bui VA, Nguyen MH, Muller J. 2004. A laboratory study on glucose concentration by osmotic distillation in hollow fibre module. J Food Eng, 63(2), 237-245. 31. Koroknai B, Csanadi Z, Gubicza L, Belafi-Bako K. 2008. Preservation of antioxidant capacity and flux enhancement in concentration of red fruit juices by membrane processes. Desalination, 228(1-3), 295-301. 32. Min JC, Wang LN. 2011. Modeling and analyses of membrane osmotic distillation using non-equilibrium thermodynamics. J Membr Sci, 378(1-2), 462-470. 33. Thanedgunbaworn R, Jiraratananon R, Nguyen MH. 2007. Mass and heat transfer analysis in fructose concentration by osmotic distillation process using hollow fibre module. J Food Eng, 78(1), 126-135. 34. Martinez-Diez L, Florido-Diaz FJ, Vazquez- Gonzalez MI. 2000. Study of polarization phenomena in membrane distillation of aqueous salt solutions. Sep Sci Technol, 35(10), 1485-1501. 35. Rektor A, Kozak A, Vatai G, Bekassy-Molnar E. 2007. Pilot plant RO-filtration of grape juice. Sep Purif Technol, 57(3), 473-475. 36. Vaillant F, Cisse M, Chaverri M, Perez A, Dornier M, Viquez F, Dhuique-Mayer C. 2005. Clarification and concentration of melon juice using membrane processes. Innov Food Sci Emerg, 6(2), 213-220. 37. Rektor A, Vatai G, Bekassy-Molnar E. 2006. Multi-step membrane processes for the concentration of grape juice. Desalination, 191(1-3), 446-453. 38. Gostoli C. 1999. Thermal effects in osmotic distillation. J Membr Sci, 163(1), 75-91. 39. Thanedgunbaworn R, Jiraratananon R, Nguyen MH. 2009. Vapour Transport Mechanism in Osmotic Distillation Process. Int J Food Eng, 5(5), Article number:3. 40. Khayet M, Godino MP, Mengual JI. 2004. Study of asymmetric polarization in direct contact membrane distillation. Sep Sci Technol, 39(1), 125-147. 41. Bui AV, Nguyen HM, Joachim M. 2004. Characterisation of the polarisations in osmotic distillation of glucose solutions in hollow fibre module. J Food Eng, 68(3), 391-402. 42. Cath TY, Adams D, Childress AE. 2004. Experimental study of desalination using direct contact membrane distillation: a new approach to flux enhancement. J Membr Sci, 228, 5-16. 43. Martinez-Diez L, Vazquez-Gonzalez MI. 1999. Temperature and concentration polarization in membrane distillation of aqueous salt solutions. J Membr Sci, 156(2), 265-273. 44. Khayet A, Matsuura T, Mengual JI, Qtaishat M. 2006. Design of novel direct contact membrane distillation membranes. Desalination, 192(1-3), 105-111. 45. Gryta M. 2005. Long-term performance of membrane distillation process. J Membr Sci, 265(1-2), 153-159. 46. Gryta M. 2005. Osmotic MD and other membrane distillation variants. J Membr Sci, 246(2), 145-156. 47. Hogan PA, Canning RP, Peterson PA, Johnson RA, Michaels AS. 1998. A new option: Osmotic distillation. Chem Eng Prog, 94(7), 49-61. 48. Kunz W, Benhabiles A, Benaim R. 1996. Osmotic evaporation through macroporous hydrophobic membranes: A survey of current research and applications. J Membr Sci, 121(1), 25-36. 49. Alves VD, Coelhoso IM. 2007. Study of mass and heat transfer in the osmotic evaporation process using hollow fibre membrane contactors. J Membr Sci, 289(1-2), 249-257. 110