Kullanılmış ve atık kızartma yağlarının rejenerasyonu için yeni bir yöntem: Plazma polimerizasyon tekniği ile hidrofob karakterde kompozit membranların hazırlanması ve kullanım olanaklarının araştırılması
A novel method for regeneration of used/waste frying oils: Preparation of hydrophobic composite membranes with plasma polymerisation technique and investigation of it`s application possibilities
Yazar: EREN TUR
Danışman: PROF. DR. MEHMET MUTLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Biyodizel = Biodiesel ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Kızartma yağı = Frying oil ; Plazma polimerleşmesi = Plasma polymerization ; Polieter sulfon = Polyether sulfone

Özet:
Derin yağda kızartma, dünya çapında en çok kullanılan gıda pişirme tekniğidir; fakat aynı yağın tekrar tekrar kullanılmasının, insan sağlığı açısından potansiyel toksik maddeler olan aldehit, keton, dimerik, polimerik ve siklik maddelerin oluşumuna neden olduğu bildirilmiştir. Kızartma sırasında oluşan veya gıdalardan gelen istenmeyen maddelerin de, atık kızartma yağlarının biyodizel üretim verimini sınırlandırdığı bilinmektedir. Günümüzde membran filtrasyon; düşük enerji gereksinimi, ilave kimyasal gerekliliğinin olmaması yönünden, istenmeyen maddelerin ayrımında tercih edilen bir yöntemdir; ancak bu yöntemin en zayıf yönü, etkin kullanımını sınırlayan düşük permeat akısıdır. Plazma polimerizasyonu yöntemiyle modifiye edilmiş membranların kullanımının, membranların permeat akısını olumlu yönde etkilediği bilinmektedir.Tez kapsamında, kızartma yağlarından istenmeyen maddelerin ayrımı, kızartma yağlarının rejenerasyonu ve membranların permeat akısının geliştirilmesi için yeni bir yaklaşım olan, plazma polimerizasyonu (PP) yöntemiyle yüzey enerjisi düşük membran hazırlanmasına yönelik çalışmalar yapılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında Polietersülfon (PES) ve Polivinilidenflorid (PVDF) membranlar, Hekzametildisilokzan (HMDSO) ve 1,1,1,3,3,3-Hekzafloro-2-propanol (HFIP) monomerleri ile; düşük frekans (LF, 40 kHz) ve radyo frekansı (RF, 13,56 MHz) plazma sistemlerinde çeşitli boşalım gücü ve sürelerle modifiye edilmiştir. Modifikasyon sonrasında membranların yüzey enerjileri temas açısı ölçümü ile belirlenmiştir. Atomik kuvvet mikroskopisi (AKM) ve Fourier Transform Infrared Spektrometresi (FTIR) ile yüzeyler fiziksel ve kimyasal olarak incelenmiş; HMDSO ile 20W*10dk; 60W*5dk; 75W*5dk parametreleriyle RF plazma sisteminde modifiye edilmiş PES membranların tez amacı doğrultusunda kullanılabileceği belirlenmiştir. Kızartma yağları ve kızartma yağı ile metanol karışımları modifiye edilmiş ve edilmemiş membranlardan filtre edildikten sonra, filtratların fiziksel ve kimyasal özellikleri analiz edilmiş, kızartma yağının üzerinde en etkin olan membranın HMDSO ile RF plazma sisteminde 75W*5dk koşulu ile modifiye edilmiş PES membran olduğu belirlenmiştir. Modifiye edilen tüm membranlar arasından, sadece permeat akısı değil aynı zamanda kızartma yağlarının kalite özellikleri açısından; en iyi sonuç 75W*5dk koşulu ile modifiye edilen PES membran ile yapılan denemelerden elde edilmiştir. Bu membran; modifiye edilmemiş PES membrandan elde edilen değerler ile karşılaştırıldığında; permeat akısında %24'lük yükseliş sağlamış; filtratların serbest asitlik (SA) değerinde %32, toplam polar madde (TPM) miktarında %38, viskozitesinde %7, konjuge dien (KD) değerinde %13, TOTOX değerinde %21'lik düşüş elde edilmiştir.İkinci adım olarak, laboratuvar koşullarında, üç farklı yol ile 40 saat boyunca kızartma işlemleri yürütülmüştür. Bunlar; 1) herhangi bir filtrasyona tabi tutulmadan fiziksel ve kimyasal analizi yapılan kızartma yağları (esas durum); 2) her 8 saat sonunda kaba filtrasyondan geçirilen yağların analizleri; 3) her 8 saat sonunda modifiye edilmiş membrandan filtre edilen yağların analizleri. 40 saat sonunda, 2. duruma göre (kaba filtrasyondan geçirilen yağlar) filtre edilen yağların özellikleri, birinci durum ile karşılaştırıldığında; SA değerinde %3.3; TOTOX değerinde %1.1; KD değerinde %2.1; TPM yüzdesinde %2.4 ve viskozite değerinde %0.09 azalma, L değerinde %0.71'lik, a değerinde %3.3'lük, b değerinde ise %1.8'lik farklar belirlenmiştir. Ayrıca 3. duruma göre filtre edilen (8 saatte bir modifiye membranlardan filtre edilen yağlar) yağların özellikleri; birinci durum ile karşılaştırıldığında SA değeri %29.6; TOTOX değeri %11.7; KD değeri %25; TPM yüzdesi %30.8 ve viskozite değeri %7.84 daha düşük olduğu belirlenmiş, L değerinde %6.1'lik, a değerinde %11.3'lük, b değerinde ise %20.8'lik farklar ölçülmüştür.Sonuç olarak HMDSO monomeri ile 75W*5dk koşuluyla RF plazma sisteminde modifiye edilmiş PES membranların, kızartma yağlarının kullanım ömürlerinin arttırılması, atık kızartma yağlarının biyodizel gibi diğer alanlarda kullanım veriminin geliştirilmesi için uygun olacağı belirlenmiştir.

Abstract:
Deep-frying is the most commonly used cooking technique in the world. However repeated use of same frying oil causes formation of compounds like aldehydes, ketones, dimeric, polymeric and cyclic compound etc. which are reported as potentially toxic compounds for human health. It?s also known that undersirable components of the food material and byproducts formed during frying process limit the efficiency of biodiesel production from waste frying oil. So far membrane filtration has been the most favorable technique to adress these challenges thanks to its lower energy requirement, and no necessity for supplementary chemicals. The biggest weakness of this technique however, is the fact that low permeate flux prevents effective usage of membranes. It?s suggested that modifying membranes using plasma polymerisation affects the permeate flux in a positive way.This thesis investigates performance of low surface energy membranes prepared by utilizing a novel application ofplasma polymerization (PP) technique, Performance in this context refers effectiveness in removal of undesirable products from frying oil, regeneration of frying oil and improvement of permeate flux of membranes. Analysis is realized in two key steps: preparation of low surface energy membrans, and benchmarking their performance against two other cases with no filtration and filtration by crude filter.In the first step, polyethersulphone (PES) and polyvinyldeneflorid (PVDF) membranes were modified with hexamethyldisiloxane (HMDSO) and 1,1,1,3,3,3-Hexafloro-2-propanol (HFIP) precursors by low frequency (LF) and radio frequency (RF) plasma systems at different time and discharge power combinations. Subsequently, measures of surface energies were taken with contact angle metrics. Physical and chemical properties of surfaces were examined with atomic force microscopy (AFM) and fourier transform infrared spectrometer (FTIR) . After filtration of waste frying oils and oil-methanol mixtures through modified and unmodified membranes, physical and chemical properties of filtrates were analyzed. Optimum results are obtained by using PES membranes modified with HMDSO and RF plazma system at 20W*10 min, 60W*5min and 75W*5min This membrane, provided up to 24% increase in permeate flux, 32% of reduction in free fatty acid (FFA), 38% of reduction in total polar compound (TPC), 7% of reduction in viscosity, 13% of reduction in conjugated dien (CD) value and 21% of reduction in TOTOX values compared to those achieved by an unmodified PES membrane.In the second step,frying analysis is run within laboratory scale for 40 hours by using three different approaches. These approaches are namely; 1) Physical and chemical analysis of fried oil without any filtering (i.e. base case); 2)analysis of fried oil which is filtered every 8 hours through crude filtration; 3) analysis of fried oil which is filtered every 8 hours by the modified membrane. At the end of 40 hours analysis, following observations are noted. Firstly, fried oil samples which were filtered using the second appeach (i,e, every 8 hours through crude filtration) resulted in 3.3% reduction in FFA, 2.4% reduction in TPC, 0.09% reduction in viscosity, 2.1% reduction in CD value, 1.1% reduction in TOTOX value, 0.71% difference in L value, 3.3% difference in a value and 1.8% difference in b value when compared to the base case (i.e. no filtering). Secondly, fried oil samples which were filtered using the third approach (i.e. every 8 hours through modified membrane) resulted in 29.6% reduction in FFA, 30.8% reduction in TPC, 7.84% reduction in viscosity, 25% reduction in CD value and 29.6% reduction in TOTOX value, 6.1% difference in L value, 11.3% difference in a value and 20.8% difference in b value when compared to base case.As a conclusion, PES membranes modified with HMDSO precursor at 75W*5min by RF plasma system is shown as a effective mean to use for prolongation of using of fried oils, improving the efficiency of waste fried oils for biodiesel or other fields.