Fermantasyonla üretilen organik asitlerin ayırma yöntemlerinin karşılaştırmalı değerlendirilmesi
Comparative assessment of separation methods of organic acids produced with fermentation
Yazar: ŞAHİKA SENA BAYAZİT
Danışman: DOÇ. DR. İSMAİL İNCİ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Özütleme = Extraction ; İyon değişimi = Ion exchange

Özet:
Bu çalışmanın amacı, fermentasyonla üretilen organik asitlerin sulu çözeltilerinden ayırma yöntemlerinin karşılaştırılmasıdır. Karşılaştırılacak olan yöntemler; ekstraksiyon, adsorpsiyon ve iyon değişimidir.Çalışmada kullanılan organik asitler; laktik asit ve sitrik asittir. Laktik asit bir monohidroksi karboksilik asittir. Sitrik asit ise bir trihidroksi karboksilik asittir. Bu asitlerin ekstraksiyonunda iki farklı ekstraktan kullanılmıştır. Bu ekstraktanlar uzun zincirli bir tersiyer amin olan tridodesilamin ve bir sekonder aminler karışımı olan Amberlite LA-2 dir. Bu ekstraktanlar farklı kimyasal yapıdaki çözücüler kullanılarak seyreltilmişlerdir. Bu amaçla kullanılan çözücüler; 1-oktanol, metilizobutilketon (MİBK), izo-oktan, toluen ve siklohekzandır.Adsorpsiyon denemesinde adsorban olarak aktif karbon kullanılmıştır. İyon değişimi denemelerinde ise zayıf bazik bir iyon değiştirici reçine olan Amberlite IRA-67 kullanılmıştır.Deneysel kısımda laktik asit ve sitrik asidin ağırlıkça % 10' luk sulu çözeltileri hazırlanmıştır. Organik asitlerin uzun zincirli aminlerle ekstraksiyonlarında amin türü, amin derişimi, amini seyreltmek amacıyla ortama ilave edilen çözücü ve çözücü karışımlarının ve başlangıç asit konsantrasyonunun etkisi incelenmiştir. Bu amaçla ekstraktanlar, 5 çözücü içerisinde, 5 farklı derişimde karışımları hazırlanarak kullanılmıştır. Bu derişimler tridodesilamin için 0,22; 0,52; 0,94; 1,57 ve 2,62 mol/L ve Amberlite LA-2 için 0,32; 0,74; 1,33; 2,22 ve 3,70 mol/L'dir. Hazırlanan bu ekstraktan karışımları ve ağırlıkça %10'luk sulu asit çözeltisi 1:1 hacim oranında 50 mL'lik erlenlere alınmış ve termostatlı bir çalkalayıcı içerisinde 4 saat karıştırma işlemine tabi tutulmuşlardır. Bu işlemden sonra fazların birbirinden tamamen ayrılmasını sağlamak için 1 saat kadar bekletilmişlerdir. Bu işlemler sonrasında her iki fazdaki asit miktarları analiz edilmiştir. Deneysel olarak elde edilen su fazı asit derişimlerinden dağılma katsayısı ve yükleme değerleri hesaplanmıştır. Sitrik asit ve laktik asitle yapılan bütün ekstraksiyon denemelerinin sonucunda, TDA ve Amberlite LA-2 derişimleri arttıkça dağılma katsayılarının arttığı tespit edilmiştir. Yapılan denemeler sonucunda, ekstraksiyon üzerinde en yüksek olumlu etkiye sahip çözücünün laktik asit ve sitrik asit için de 1-oktanol olduğu görülmüştür. Ayrıca her iki asidin ekstraksiyonlarında kullanılan aminlerden Amberlite LA-2 nin, TDA' ya göre daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir.Adsorpsiyon denemelerinde adsorban olarak aktif karbon kullanılmıştır. İlk olarak 0,25 g. aktif karbon ile asit çözeltisi karışımının dengeye gelme süresinin belirlenmesi için aynı karışımdan 7 adet hazırlanmış ve her yarım saatte bir sulu faz analiz edilmiştir. Bu şekilde dengeye gelme süresi 180 dakika olarak belirlenmiştir. Daha sonra farklı aktif karbon miktarlarının adsorpsiyona etkisinin incelenmesi amacıyla 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 ve 1 g.' lık miktarlar için denemeler yapılmıştır. Bunu sonucunda adsorban miktarı arttıkça, adsorbe edilen asit miktarının arttığı görülmüştür. Son olarak başlangıç asit konsantrasyonunun adsorpsiyona etkisinin incelenmesi için hazırlanan %2,5; %5 ve %20 `lik asit konsantrasyonlarında ve optimum adsorban miktarında denemeler yapılmıştır. Optimum adsorban miktarı 0,4 gram olarak belirlenmiştir. Bu denemelerin sonucunda başlangıç asit konsantrasyonu arttıkça, ayrılan asit yüzdesinin azaldığı görülmüştür.İyon değiştirici kullanılarak yapılan denemelerde de adsorpsiyon denemelerinde olduğu gibi sulu asit çözeltisiyle reçinenin dengeye gelme süresinin belirlenmesi için aynı işlemler tekrarlanmıştır. Amberlite IRA-67 ile her iki asidin de dengeye gelme süresi ortalama 120 dakika olarak belirlenmiştir. Daha sonra reçine miktarının ve başlangıç asit konsantrasyonunun iyon değişimine etkisi incelenmiş ve adsorpsiyonla aynı sonuçlar elde edilmiştir.İyon değişimi ve adsorpsiyon prosesleri, ayrılan asit yüzdesi açısından karşılaştırıldığında Amberlite IRA-67 nin aktif karbona oranla daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir.Ayrıca adsorpsiyon ve iyon değişimi denemeleri için Langmuir ve Freundlich izotermleri hesaplanmıştır. Laktik asidin her iki izoterme de uyduğu fakat sitrik asidin aktif karbonla adsorpsiyonun Freundlich izotermine uygunluk göstermediği görülmüştür.

Abstract:
The aim of this study is to compare the processes which use for separation organic acids from aqueous solutions. The processes which compared in this study were extraction, adsorption and ion-exchange.The organic acids used in this study are lactic acid and citric acid. Lactic acid is a monohydroxy carboxylic acid, and citric acid is a trihydroxy carboxylic acid. In the extraction of these acids were used two different extractants. The first of these extractants was tridodecylamine that is a long chain tertiary amine. The second was Amberlite LA-2 which is a mixed secondary amine. These extractants were diluted with different solvents which have different chemical structures. Solvents used for this aim are 1-octanol, methyl isobutyl ketone (MIBK), isooctane, toluene and cyclohexane.The adsorbent used in adsorption process is active carbon. Amberlite IRA-67 is a weakly basic ion exchange resin that was used for ion exchage process.In the experimental section, aqueous acid solution at 10% (w/w) concentration were prepared. In the extraction of organic acids, the aim was to investigate the effects of the type of amines, the concentration of amines, nature of solvents and solvent mixtures and initial acid concentrations. For this purpose, the extractants were prepared in five different concentrations in five different solvents. These concentrations were 0.22, 0.52, 0.94, 1.57 and 2.62 mol/L for TDA and 0.32, 0.74; 1.33; 2.22 and 3.70 for Amberlite LA-2. Prepared amine- solvent and aqueous acid solutions were mixed at equal volumes (1:1), and extraction was performed in a thermostated shaker for 4 hours. Then the distribution coefficients and loading factors calculated from experimental results were presented. The results of the extraction experiments, the distribution coefficient depends on the amine concentration. The distribution coefficient increases with increasing amine concentration for all diluents. The best solvent for both acids was 1-octanol and the best extractant for both acids was Amberlite LA-2 in this study.In the adsorption experiments, active carbon was used as an adsorbent. In the first stage, for determining the period to achieve the adsorbent?s equilibrium state, seven identical acid and active carbon mixtures were prepared, were placed in the shaker and started to mix. After that, every 30 minutes one sample?s aqueous phase was analyzed. So, the period of the achieving to the equilibrium state of active carbon was found as 180 minutes for both acids. Then, the effects of different active carbon amount on adsorption and initial acid concentrations on adsorption were investigated. The results of adsorption experiments, the removal of acid percentages were increased with increasing adsorbent amount.In the experiment of ion exchange, the processes which were done for adsorption, were repeated. So, the period of the achieving to the equilibrium state of Amberlite IRA-67 was found as 120 minutes for both acids. The results of ion exchange experiments were the same as adsorption process? results.Ion-exchange and adsorption processes were compared as their value of percentage of removal acid. The result of the comparison; Amberlite IRA-67 was better than active carbon.Langmuir and Freundlich isotherms were calculated as well. It was observed that lactic acid was in compliance with both isotherms. On the other hand adsorption of citric acid on active carbon was not in accordance with Freundlich isotherm.