Çeşitli sentetik membranların karboksilli asitlerin sulu çözeltilerinden ayrılmasında kullanımının incelenmesi
Investigation of the use of various synthetic membranes for separation of carboxylic acids from its aqueous solutions
Yazar: YAVUZ SELİM AŞÇI
Danışman: PROF. DR. M. UMUR DRAMUR
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Ayırma = Separation ; Karboksilik asitler = Carboxylic acids ; Membran teknolojileri = Membrane technologies

Özet:
Kimya endüstrisinde pek çok biyoteknolojik ürün üretilmektedir. Bu ürünlerin üretim aşamaları içerisinde elde edilmeleri kadar bulundukları fermentasyon ortamından uzaklaştırılmaları ve saflaştırılmaları da önemli bir yer tutmaktadır. Başta gıda endüstrisi olmak üzere ilaç, kozmetik, deterjan, polimer ve metal sanayilerinden tarıma kadar çok farklı alanlarda hammadde ve katkı maddesi olarak kullanılan karboksilli asitler, kimya sanayiinde en çok kullanılan biyoteknolojik ürünler arasındadır.Karboksilli asitlerin en yaygın üretim metodlarından biri fermentasyon yöntemidir. Doğal hammaddeler kullanılarak gerçekleştirilen bu prosesin avantajları bulunmakla birlikte ürünler ancak seyreltik sulu çözeltiler olarak elde edilebilmektedir. Bu nedenle üretim sonrasında ürünlerin sulu ortamdan uzaklaştırılmasına gerek duyulmaktadır. Karboksilli asitlerin sulu çözeltilerden uzaklaştırılması üzerine destilasyon, kristalizasyon ve ekstraksiyon gibi geleneksel ayırma işlemleri kullanılarak yapılan birçok çalışma bulunmaktadır.Bu çalışma kapsamında karboksilli asitlerin sulu çözeltilerinden sentetik membranlar kullanılarak ayrılması incelenmiştir. Denemelerde ayrılacak karışım olarak formik, asetik, propiyonik, glikolik, malik ve sitrik asitlerin sulu çözeltileri hazırlanmıştır. Asit çözeltilerini ayırmak üzere nanofiltrasyon (NF) ve ters osmoz (RO) membranları kullanılmıştır. Denemeler 140 cm2 aktif yüzey alanına sahip sentetik membranların kullanılabileceği yüksek basınçlı membran sisteminde gerçekleştirilmiştir. Denemeler 10, 20, 30 bar basınçlarda farklı başlangıç asit konsantrasyonları (ağ. %2.5-15) kullanılarak 20 0C'de yapılmıştır. Bu şekilde ilk aşamada tek asitli sulu çözeltiler kullanarak ayırma performansı üzerine basıncın, membran türünün ve asit türünün etkileri incelenmiştir. Cevap yüzey metodu yardımıyla ayırma işlemine ait model denklemler oluşturulmuştur. Daha sonra membran prosesinin karboksilli asit karışımlarını ayırmadaki etkinliğini incelemek üzere, asetik asit ve propiyonik asidin farklı oranlardaki (% 2.5-7.5, % 5-5, % 7.5-2.5) karışımlarını içeren sulu çözeltilerle deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir.Sonuç olarak bu çalışma kapsamında yapılan denemelerden; karboksilli asitlerin sulu çözeltilerinden ayrılması için genel olarak tek bir membran türünün önerilmesinin mümkün olmadığı anlaşılmıştır. Molekül büyüklükleri yüksek olan asitlerin sudan ayrılmasında veya molekül büyüklükleri birbirinden çok farklı olan asitlerin oluşturduğu karışımlarının ayrılmasında sentetik membranların başarılı bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür.

Abstract:
Numerous biotechnological products are produced in chemical industry. In the production processes, it is very important removing these products from the fermentation broth and purification as well as obtaining. Carboxylic acids are one of the most common used biotechnological products in chemical industry which are used as raw material or additives in food, pharmaceutical, cosmetics, detergents, polymer, and metal industries and in agriculture.The most common production method of the carboxylic acids is the fermentation method. Natural raw material used fermentation method has many advantages, however, products can be obtained only as diluted solutions. For this reason, removing products from aqueous solution is required after the production. There are many studies about removing carboxylic acids from aqueous solution using conventional separation processes such as distillation, crystallization and extraction.Separation of carboxylic acids from aqueous solutions using synthetic membranes has been investigated within the context of this study. Aqueous formic, acetic, propionic, glycolic, malic, and sitric acid solutions were prepared in the experiments as mixtures to be separated. Nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) membranes were used for the separation of acid solutions. Experiments were performed in high pressure membrane systems which allows to use synthetic membranes with an active surface area of 140 cm2. Experiments were performed by using different initial acid concentrations (2.5-15 % w.) at 10, 20, 30 bar and 20 0C. Thus, the effects of pressure, the type of membrane and the type of acids were analysed on the separation performance by using single acid solutions. Model equations were formed with the help of response surface methodolgy (RSM). Furthermore, in order to examine the separation perforance of membrane processes to separate the carboxylic acid mixtures, experiments were also performed with aqueous solutions of acetic and propionic acid mixtures in different proportion (2.5-7.5 %, 5-5 %, 7.5-2.5 %).As a result of these studies, it has been understood that there is no way to recommend only one membrane type for the separation of various carboxylic acids from aqueous solutions. It has been also observed that synthetic membranes can be used successfully for the separation of large molecule carboxylic acids from water or mixtures of acids composed of very different molecule sizes.