Peynir altı suyunun saflaştırılmasında kullanılan plazma modifiye membranların kirlenme karakteristiklerinin incelenmesi
The investigation of fouling characteristics of plasma modified membranes used in whey purification
Yazar: İREM DAMAR HÜNER
Danışman: DOÇ. DR. HACI ALİ GÜLEÇ
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uygulamalı Bilimler ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Peynir altı suyu = Whey ; Polimerik membranlar = Polymeric membranes

Özet:
Bu çalışmanın amacı, peynir altı suyu (PAS) proteinlerinin konsantrasyonu için kullanılan ticari polimerik ultrafiltrasyon (UF) membranın (UP020, MWCO; 20kDa) kirlenme performansının incelenmesi ve atmosferik basınç argon jet plazma (APAJPlz) kullanılarak membranın kirlenmesinin azaltılmasıdır. Buna ek olarak, üç farklı pH değerine (pH=4,6, pH=5,2 ve pH=6,4) ayarlanan PAS, işlem görmemiş ve APAJPlz modifiye UP020 membranı kullanılarak konsantre edilmiştir. PAS'nin pH değerlerinin de membranın kirlenmesi üzerine etkileri incelenmiştir.
Plazma modifikasyonunda argon gazı kullanılmış, modifikasyon uygulamaları plazma jeti ile yüzey arasında 3 farklı uzaklıkta (25-30-35 mm) ve 3 farklı işleme periyodunda (1-5-10 kez) gerçekleştirilmiştir. Bu koşullarda, UP020 membranın yüzeyinin hidrofilik yönde modifikasyonu sağlanmıştır. Yüzeyin hidrofilik değişimi temas açısı ölçümü, serbest yüzey enerjisi hesaplamaları ve xDLVO teorisi kullanılarak belirlenmiştir. En hidrofilik yüzey su ile membran arasındaki en yüksek ara yüzey serbest enerji değerini (〖∆G〗_iwi^Tot=18,8 mJ/m2) veren 30 mm uzaklıkta 5 kez işleme koşulu, plazma modifikasyon parametresi olarak belirlenmiştir. 
APAJPlz modifikasyonu ile membrana kazandırılan hidrofilik etki sonucunda, pH=4,6, 5,2 ve 6,4 PAS için toplam akı azalmasında sırasıyla %23, %17 ve %21 oranında kazanım sağlanmıştır. Kek tabakası direncinin (Rc) önemli oranda düştüğü ve toplam kirlilik direncinin (Rfrev+Rfirr) toplam dirence katkısının %34-37 oranında azaldığı gözlemlenmiştir. Kimyasal temizleme sonrasında hidrolik geçirgenlikte daha yüksek oranda geri dönüş elde edilmiş olmakla birlikte, APAJPlz modifikasyonu membranın gözeneklerini etkileyerek hidrolik geçirgenliğin yüksek oranda düşmesine neden olmuştur. Bu nedenle konsantrasyon işleminde, işlem görmemiş UP020 membranı ile daha yüksek ağırlık azaltma faktörü (WRF) elde edilmiştir. 
Hem işlem görmemiş hem de APAJPlz modifiye UP020 membranı kullanılarak pH=4,6'da gerçekleştirilen PAS UF'si sonucunda, akının son değerinin, saf su akısı geri dönüş oranının ve ulaşılan WRF oranının diğer pH değerlerine göre daha yüksek olduğu saptanmıştır. pH=4,6'da toplam kirlilik direncinin büyük oranda geri dönüşümlü kirlilik direncinden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Bu nedenlerle, işlem görmemiş ve APAJPlz modifiye membranlar kullanılarak yapılan konsantrasyon işlemlerinin pH=4,6 PAS ile gerçekleştirilmesinin avantajlı olduğu gözlenmiştir. 
Sonuç olarak, APAJPlz modifikasyonunun membran gözenekleri üzerinde olumsuz etkileri olduğu bulunmuş ve bu nedenle hedeflenen WRF=3,43 değeri yerine UF sonucunda ancak WRF=2,36 değerine ulaşılabildiği sonucuna varılmıştır. Ancak, APAJPlz modifikasyonunun PAS proteinlerinin konsantrasyonu sırasında kullanılan UP020 ticari membranın kirlenme karakteristiğini geliştirdiği bulunmuştur. Bu nedenle, atmosferik basınç gaz plazmasının, ultrafiltrasyon membranlarında kirlenmeyi azaltmak için etkili ve güvenli bir şekilde kullanılabileceği ortaya çıkarılmıştır.

Abstract:
The aim of this study is to investigate the fouling performance of the commercial polymeric ultrafiltration membrane (UP020, MWCO; 20 kDa), which is used for the concentration of whey proteins (PAS) and to reduce the fouling of membrane by using atmospheric pressure argon jet plasma (APAJPlz). In addition, whey, adjusted to three different pH values (pH = 4.6, pH = 5.2 and pH = 6.4), was concentrated by plain and APAJPlz modified UP020. The effects of pH values on membrane fouling were also investigated. 
During plasma modifications, argon was used as gas and three different distances of nozzle to substrate surface (25-30-35 mm) and three different exposure periods (1-5-10 times) were applied. In these conditions, hydrophilic modification of the surface of the UP020 membrane was performed. The hydrophilicity of the membrane surfaces were determined by using the contact angle method, the surface free energy and the xDLVO theory. The most hydrophilic surface was determined as the plasma modification parameter, which was 5 times of exposure at 30 mm distance, based on the highest interface free energy (〖∆G〗_iwi^Tot=18.8 mJ/m2) between water and membrane obtained. Hydrophilic characteristics of the membrane, enhanced by APAJPlz modification, at pH=4.6, 5.2 and 6.4 provided a flux recovery of 23%, 17% and 21% respectively. Significant decrease in cake layer resistance (Rc) was observed and the contribution of the total fouling resistance (Rfrev+Rfirr) to the total resistance decreased by 34-37%. After chemical cleaning, higher percentages of recovery was obtained in the hydraulic permeability. However, APAJPlz modification caused higher decrease in hydraulic permeability by affecting the membrane pores. Therefore, a higher weight reduction factor (WRF) was obtained with the plain UP020 during concentration. 
Final flux, percentage recovery of pure water flux and WRF upon ultrafiltration of whey using plain and APPlzAJ modified UP020 membranes were higher for whey processed at pH=4.6 when compared with other pH values. Total fouling resistance at pH=4.6 was determined to be due to substantially reversible fouling resistance. Thus, it is advantageous to carry out ultrafiltration of whey at pH = 4.6 regardless of whether the UP020 commercial membrane is plasma-modified or not.
As a result, it was found that APAJPlz modification had negative effects on the membrane pores and it was concluded that the WRF = 2.36 value could be achieved in ultrafiltration instead of the target WRF = 3.43 value. However, the results of the presence study revealed that the APAJPlz modification improves the fouling characteristics of the UP020 commercial membrane during concentration of whey proteins. Therefore, it has been found that atmospheric pressure gas plasma can effectively and safely be used to reduce fouling on ultrafiltration membranes.