Sulu akımlardan uçucu asitlerin membran kontaktörlerle uzaklaştırılması
Volatile acid removal from aqueous streams using membrane contactors
Yazar: EZGİ KAYA
Danışman: DOÇ. DR. AYÇA MERİÇ HASANOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Uçucu asitlerin fermantasyon sonrası sulu akımlardan ve asit fazlası içeren fermente sıvı gıdalardan uzaklaştırılması, membran kontaktörler kullanılarak incelenmiştir. Fermentasyon sonrası ürünlerde açığa çıkan en yaygın uçucu organik asit olan asetik asit, asidik besleme çözeltileri hazırlamak için kullanılmıştır. Asetik asit içeren (1,2-4 g/L) besleme çözeltileri ile 1-1,5 N NaOH içeren sıyırma çözeltileri hazırlanarak reaktif membran absorpsiyonu yöntemi ile asit giderimi gerçekleştirilmiştir. Bunun yanında, ampirik olarak ve seri dirençler esasına göre kütle transfer katsayıları hesaplanarak model çalışmaları yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Gövde sınır tabakası, membran ve boru sınır tabakası  dirençleri hesaplandığında membran direncinin kütle transferi üzerinde en fazla etkiye sahip olduğu sayısal olarak saptanmıştır. 
Deneysel çalışmalarda hidrofobik polipropilen içi boşluklu fiberler içeren Liquicel Membrana marka ve model membran kontaktörler kullanılmıştır. Besleme çözeltisi, membran kontaktörün gövde tarafı boyunca sirküle edilirken, reaktif NaOH sıyırma çözeltisi boru tarafında sirküle edilmiştir. Bu şekilde asetik asit, kimyasal absorpsiyonla sıyırma çözeltisine aktarılmıştır. Böylece besleme tarafındaki asit membran gözeneklerinden buharlaşarak sıyırma tarafına difüze olmuş, burada NaOH ile reaksiyona girerek tuza dönüşmüştür. Bu yöntem ile aynı anda asidin beslemeden uzaklaştırılması ve sıyırma kısmında sodyum asetat olarak geri kazanılması sağlanmıştır. Çalışmalarda üç çeşit besleme kullanılmıştır; asetik asit- su çözeltileri, asetik asit ve su ile beraber %13 etanol içeren simule fermente gıda çözeltisileri ve asit fazlası içeren sıvı fermente gıda. Deneysel çalışmalar ile akış hızı (1200-2000 mL/dk), sıcaklık (25-35°C), besleme konsantrasyonu (1,2-4 g/L), sıyırma çözeltisi konsantrasyonu (1-1,5 N) gibi proses parametrelerinin ayırma işlemine etkisi incelenmiştir. Sıcaklığın asit gideriminde en etkin parametre olduğu saptanmıştır.  Sistemin gerçek gıdalardaki etkinliğini incelemek için asit fazlası içeren fermente gıda olarak şarap kullanılmıştır. Şaraptan 25, 30 ve 35°C'de asit giderimi performansları incelenmiştir. Yapılan çalışmalar ile asit fazlası içeren şaraptan asidin kontrollü bir şekilde uzaklaştırılabildiği görülmüştür. 
Deneysel çalışma asetik asidin sulu çözeltilerden etkin bir şekilde ayrılabileceğini ve ayrıca bu konfigürasyonla sıyırma aşamasında çok verimli bir şekilde geri kazanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca bu yöntem ile asit fazlası içeren okside olmuş sıvı fermente gıdalardan fazla asidin uzaklaştırılmasında kullanılabileceği ön görülmektedir.  Böylece bu işlem ile hem sulu endüstriyel post-fermantasyon akımlarından hem de bozulmuş fermente sıvı gıdalardan uçucu asidin uzaklaştırılması mümkün olmuştur. Bu yöntemin endüstride özellikle asit uzaklaştırma içeren ayırma işlemlerinin çeşitli alanlarında potansiyel içerdiği düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler: Uçucu organik asit giderimi, asetik asit, reaktif membran absorpsiyonu, fermente ürünler, membran kontaktör

Abstract:
Removal of volatile acids from aqueous streams and fermented liquid foods with excess acid content was studied using membrane contactors. Acetic acid, the most common organic volatile acid in post-fermentation products, was used to prepare acidic feed solutions. Acetic acid containing (1.2-4 g/L) feed solutions and stripping solutions containing 1-1.5 N NaOH were prepared and acid removal was performed by reactive membrane absorption method. Besides, theoretical studies performed by calculating mass transfer coefficients on the basis of expermental and Resistance-in-series models, and the results were compared. When the shell boundary layer, membrane and lumen boundary layer resistances were calculated, it was numerically determined that the membrane resistance has the greatest effect on the mass transfer.
Hydrophobic membrane contactors with polypropylen fibers (Membrana brand Liquicel minimodule model, Germany) were used for the expermental study. A reactive NaOH stripping solution was circulated on the lumen side while the feed solution was circulated through the shell side of the membrane contactor. In this way, acetic acid was transferred to the stripping solution by chemical absorption. The acetic acid in feed diffused to the stripping side by vaporizing through the pores of the fibers and it reacted with NaOH forming an organic salt in the strpping side.  With this method the removal of acetic acid and its recovery as sodium acetate in the stripping side were achieved simultaneously.  In the experimental work three different feed solutions were used; aqueous acetic acid solutions, simuled fermented food which contains 13% ethanol with aqueous acetic acid, and real liquid fermented food which contains excess acid.  In the experimental work the effect of process parameters including flow rate (1200-2000 mL/min), temeprature (25-35°C), feed concentration (2-4 g/L) and stripping solution concentration (1-1.5 N) on the separation performance was investigated. Temperature was found to be the most effective parameter. In order to investigate the efficiency of the system for the real liquid food, wine with excess acid content was used as feed. The performance of acid removal from wine was investigated at 25, 30 and 35 °C.  The experiments showed that the acid can be removed in a controlled manner from excess acid containing wine. 
Experiments have shown that acetic acid can be separated from aqueous solutions and can also be recovered very efficiently in the stripping step with this configuration. In addition this method can be used to remove excess acid from oxidized liquid fermented foods containing excess acid. Thus, with this process, it was possible to remove volatile acid from both aqueous industrial post-fermentation streams and spoiled fermented liquid foods. This method is considered to have potential in various areas of separation processes involving acid removal in industry.

Keywords: Volatile organic acid removal, acetic acid, reactive membrane absorption, fermentation products, membrane contactor