İtakonik asidin anyonik reçineler kullanılarak sulu fazlardan ayrımı
Separation of itaconic acid from aqueous phases using anionic resins
Yazar: CİHAT ERDEM CAN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ESEN MARTI
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
İtakonik asit, kimya endüstrisi için önemli bir hammadde olup çeşitli polyester, plastik, suni cam ve reçine türlerinin sentezinde kullanılır. Ayrıca tarım, eczacılık, ilaç ve temizlik endüstrilerinde kullanılan biyoaktif bileşiklerin hazırlanmasında da rol oynar. Biyoteknolojik üretimi sonucunda itakonik asidin su tabanlı fermantasyon ortamından yüksek verimle ve seçici olarak geri kazanımı gerekmektedir. Adsorpsiyon ve iyon değiştirme pek çok yüksek katma değerli ürünün geri kazanımında kullanılır ve itakonik asidin sulu çözeltilerden ayrımında kullanılmaya uygundurlar.   
Bu yüksek lisans tezinde itakonik asidin tek asitli sulu çözeltilerden adsorpsiyon ve iyon değiştirme yöntemleri ile ayrımı çalışılmıştır. Çalışmada üç farklı zayıf bazik anyon değiştirici (Amberlite IRA-67, Lewatit MP-62 ve Lewatit MP-64) ve bir kuvvetli bazik anyon değiştirici (Lewatit M-500) kullanılmış ve çeşitli değişkenlerin sürece etkileri incelenmiştir. Süreç verimi başlangıç pH değerinden önemli derecede etkilenmiştir. En yüksek adsorpsiyon verimine zayıf bazik anyon değiştirici reçinelerle pH=3'te, kuvvetli bazik anyon değiştirici reçineyle pH=4'te ulaşılmıştır. Kinetik çalışmalar sürecin dengeye ulaşma süresinin tüm reçineler için yaklaşık 60 dakika olduğunu ve kinetik verilerin görünür ikinci derece kinetik modeli izlediğini göstermiştir. Tüm reçineler için artan sıcaklık ile birlikte adsorpsiyon yüzdesi azalmış ve entalpi değişimi değeri negatif olmuştur ki bu da sürecin ekzotermik yapısına işaret etmiştir. Ayrıca Gibbs serbest enerji değişimi de tüm reçineler için negatif değere sahip olmuştur ki bu da sürecin kendiliğinden gerçekleştiği anlamına gelmektedir. İzoterm eğrileri itakonik asit adsorpsiyonunun tüm reçineler ile Tip 1 (görünür Langmuir) izotermi ile uyumlu olduğunu göstermiştir. Tüm reçineler için adsorpsiyon verimi artan reçine dozu ile birlikte artarken artan başlangıç asit derişimi ile birlikte azalmıştır. Bazı sapmalar haricinde, adsorpsiyon kapasitesi artan başlangıç asit derişimi ve azalan reçine miktarı ile birlikte artmıştır. En yüksek adsorpsiyon kapasitesi (522,7 mg IA/g reçine) ve adsorpsiyon verimi (%96,3) bir zayıf bazik anyon değiştirici olan Lewatit MP-62 ile elde edilmiştir. Tüm reçineler için denge verilerinin Langmuir izoterm modeli ile uyum içinde olduğu gözlenmiştir. Farklı olarak Lewatit MP-62 için Freundlich ve Temkin izotermleri ile de nispeten yüksek R2 değerlerine ulaşılmıştır. Bu da bu reçine için üç parametreli bir izoterm analizinin gerektiğini göstermiştir. Ayrıca sürece tezde çalışılan değişkenlerden başka parametrelerin de etkilerinin olabileceği tahmin edilmiştir. Özetle, bu yüksek lisans tezinde itakonik asidin sulu çözeltilerinden adsorpsiyonunda anyon değiştirici reçinelerin kullanılabilirliği değerlendirilmiş ve sürecin en yüksek verime ulaşabilmesi için gerekli ortam şartları ve süreç elemanları tespit edilmiştir.

Abstract:
Itaconic acid is an important raw material in chemical industry and utilized in the syntheses of various types of polyesters, plastics, artificial glasses and resins. Moreover, it plays roles in the preparation of bioactive compounds to be used in agriculture, pharmaceutical, drug and cleaning industries. Although its synthesis is possible via synthetic methods; with the growing biotechnological methods, today itaconic acid has been started to be produced widely by fermentation processes that carbohydrates are used as the main source. Following to its biotechnological production, itaconic acid needs to be recovered with high efficiency and selectivity from the aqueous based fermentation media. Adsorption and ion exchange have been used during the recovery of several high value added chemicals and they are suitable to be utilized in the separation of itaconic acid from aqueous solutions.  
In this MS thesis, the separation of itaconic acid from single acid aqueous solutions by adsorption and ion exchange techniques was studied. In the study, three types of weak basic anion exchanger (Amberlite IRA-67, Lewatit MP-62 and Lewatit MP-64) and a strong basic anion exchanger (Lewatit M-500) were used and effects of various parameters on the process were investigated. Process efficiency was significantly influenced from the initial pH value. Highest adsorption efficiency was obtained at pH=3 with the weak basic anion exchangers and at pH=4 with the strong basic anion exchanger. Kinetic studies showed that equilibration time was approximately 60 minutes for all resins and the kinetic data followed the pseudo second order kinetic model. For all resins, adsorption percentage reduced with the increase in temperature and the enthalpy change had a negative value that indicated the exothermic nature of the process. Moreover, Gibbs free energy change had a negative value for all resins too which means that the process occurs spontaneously. Isotherm curves presented that adsorption of itaconic acid with all resins was fitted with Type 1. Adsorption efficiency increased with the increase in resin dosage while decreased with the initial acid concentration. Except for some deviations, adsorption capacity increased with the increase in initial acid concentration and decrease in resin amount. Highest adsorption capacity (522.7 mg IA/g resin) and adsorption efficiency (96.3%) was obtained with Lewatit MP-62, a weak basic anion exchanger. For all resins equilibrium data was observed to be in consistency with Langmuir isotherm model. Differently, relatively high R2 values were reached with Freundlich and Temkin isotherms for Lewatit MP-62. This showed the need for a three parameter isotherm analysis for this resin. Furthermore, it estimated that other than the parameters studied in the thesis may have effects on the process. In summary, in this MS thesis, use of anion exchange resins during the recovery of itaconic acid from aqueous solutions was evaluated and optimum conditions and process members needed to achieve the highest adsorption efficiency were also established.