Ceramic membrane application for producing high quality end-product from acidic cheese whey based on filtration conditions and immobilized enzymatic activity

Yüksek besin değeri nedeniyle peynir altı suyu son yıllarda atık olarak değerlendirilmemekte, gıda endüstrisinde değerli bir kaynak olarak ekonomiye kazandırılmaktadır. Peynir altı suyu, peynir üretimi ya da sütten yağ ve kazeinin uzaklaştırılmasından sonra üretilen sıvı olarak tanımlanır. PAS üretimi dünya genelinde 100 milyar kg/yıl olarak hesaplanmıştır ve bunun % 92'si sadece peynir üretiminden elde edilmektedir. Elde edilen PAS miktarı hemen hemen peynir üretiminde kullanılan sütün miktarına eşittir. Besinlerin yaklaşık yarısı sütten PAS'a transfer edilmektedir. PAS, yüksek miktarlarda besi maddesi içerdiği için, çok çeşitli kullanımlarıyla gıda endüstrisinde önemli bir rol oynamaktadır. Dünyadaki en yaygın endüstrilerden biri, süt endüstrileri ve prosesleri sırasında yüksek oranlarda peynir altı suyu üreten özel peynir endüstrileridir. Gelişen teknolojiyle beraber yüksek besin değerlerine sahip olduğu için peynir altı suyunu atık olarak görmek doğru değildir. Membran prosesler, peynir altı suyundaki proteini geri kazanmak için kullanılan başlıca yöntemlerden biridir. Genellikle tüm PAS işleme prosesleri evaporasyon ve/veya sprey kurutma öncesi yapılmaktadır. İlk proses farklı moleküler boyuttaki bileşenlerin ayrılması için membran filtrasyondur. Bakteri ve yağ molekülleri için mikrofiltrasyon, protein fraksiyonu için ultrafiltrasyon, tuz giderimi için nanofiltrasyon ve yüksek kalitede su eldesi için ters osmoz kullanılmaktadır. Ultrafiltrasyon membranında proteinin konsentre edilmiş kısmı evaporasyon ve/veya sprey kurutma prosesi ile PAS'ın toz formuna transfer edilir. Membran proseslerin kullanımının atıksuyun oluşumunun azaltılması ve tekrar kullanılabilir bir su sağlaması gibi bazı avantajları da vardır. Son yıllarda membran filtrasyonuna yardımcı olarak ve proses içinde PAS içerisinde safsızlık yapan küçük partiküllerin ve/veya tuzların konsantrasyonlarını azaltmak veya bu bileşenleri tamamen uzaklaştırmak için diyafiltrasyon tekniği önerilmekte ve endüstriyel ölçekte de kullanılmaktadır. Diyafiltrasyon konsantre akımında kalan tuz bileşenlerinin su ile yıkanarak çözeltinin iyonik şiddetini azaltan proses olarak tanımlanabilmektedir. Diğer taraftan moleküler boyutu, kullanılan membran gözeneklerinden küçük ve tuzlardan daha büyük bazı maddelerin diyafiltrasyon ile uzaklaştırılmalarıda mümkündür ve uzun vadede bu PAS tozunun protein yüzdesini ve kalitesini arttırmaktadır. Diyafiltrasyon farklı çalışma modlarında uygulanabilmektedir; sürekli diyafiltrasyon, kesikli diyafiltrasyon-aşamalı seyreltme, kesikli diyafiltrasyon-hacim azaltma gibi. Yüksek sıcaklıklara, asidik/bazik pH değerlerine, kimyasallara ve solventlere karşı gösterdikleri termal ve mekanik avantajlar için seramik membran uygulamaları polimerik membran uygulamalarına kıyasla peynir altı suyu prosesleri için daha uygun görülmektedir. Seramik membranlar genellikle Alümina (Al2O3), Titania (TiO2) ve Zirkonya (Zr2O3) gibi inorganik malzemeler kullanılarak yüksek sıcaklıkta üretilen membranlardır. Yapı veya konfigürasyona göre sınıflandırılabilir. Konfigürasyona göre, genellikle disk veya tübüler form olarak ikiye ayrılır. Yapılarına göre ise, gözenekli veya gözeneksiz olarak sınıflandırılmaktadırlar. Seramik membranların çok yüksek veya düşük pH (1 - 14) ve yüksek sıcaklık gibi zorlayıcı çalışma koşullarına yüksek dayanıklılık göstermesi gibi avantajı vardır. Ayrıca, seramik membranların enerji gereksinimleri diğer membran proseslerine kıyasla daha azdır. Diğer taraftan, seramik membranın temizlenmesi, herhangi bir tür temizleme kimyasalından, organik çözücü veya sıcak su buharından etkilenmediği için işletme olarak daha kolaydır. Yüksek enerji verimliliği, daha az geri yıkama suyu ihtiyacı ve kimyasal kullanımının daha az olması gibi avantajlar ile kullanım ömrünün uzun olması dolayısıyla işletme maliyetlerinin polimerik membranlara göre daha düşük olmasını sağlamaktadır. Seramik membranlar, atıksu arıtımı ve gıda ve süt uygulamaları, meyve suyu arıtımı, bira üretimi, yağ/suayırımları, katalizör geri kazanımı, tekstil suyu ihtiyaçları ve alkali temizleme çözeltisi geri kazanımı gibi farklı alanlarda iyi uygulamalara sahiptir. Membran kirlenmesi/tıkanması, farklı teorik yaklaşımlar ve işletme stratejileriyle kontrol edilmesi gereken filtrasyon performansını etkileyen en önemli dezavantajdır. Bunun yanında peynir altı suyundan özellikle değerli ürün geri kazanımı için kullanılması yenilikçi teknolojiler arasındadır. Bu uygulamalardan biri peynir altı suyunda yüksek laktoz hidroliz performansına sahip olan enzimatik membran sistemleri veya reaktörleridir. Bu çalışmanın amacı, asidik peynir altı suyu prosesinin son ürününde maksimum protein ve minimum laktoz içeriğini elde etmek için seramik ultrafiltrasyon/diafiltrasyon membran sisteminin çalışma koşullarını belirlemektir. Bu çalışma kapsamında ilk aşamada farklı besleme sıcaklıkları (30oC, 40oC, 50 oC) ve hacimsel konsantrasyon faktörleri (1.4, 2.0, 3 .3), farklı moleküler ağırlık engelleme sınırına (8kDa ve 15 kDa) sahip olan disk seramik membranlarda test edilmiştir. İkinci aşamada, son ürün kalitesini artırmak için normal ultrafiltrasyon ve ultrafiltrasyon -diafiltrasyon olmak üzere iki farklı filtrasyon modu uygulanmıştır. Bu çalışmalara ek olarak filtrasyon modları için kirlenme/tıkanma deneyleri yapılmıştır. Seri direnç modelinde, membran kirlenme/tıkanma endeksi ve birleşik membran kirlenme/tıkanma endeksi gibi farklı kirlenme/tıkanma modelleri belirlenmiştir. Son aşamada, serbest ve immobilize edilmiş -galaktosidaz enziminin performanslarının laktozun hidrolizine etkisi araştırılmıştır. Bu yaklaşım, istenen son ürünün kalitesini arttırmakta ve laktoz intoleransı gibi bazı sağlık problemlerini çözmekte ve aynı zamanda peynir altı suyundan glikoz ve galaktoz şurubu üretimi sağlamaktadır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara bakıldığında sıcaklık optimizasyonuna göre, protein ve laktoz kütlesi konsantre ve süzüntü akışında farklı sıcaklıklarda ihmal edilebilecek derecede değişmektedir. Sıcaklık optimizasyonu çalışmalarına göre, 15kDa seramik membranlar 8kDa olan seramik membranlara kıyasla daha iyi sonuçlar vermiştir. Hacimsel konsantrasyon faktörü optimizasyonu çalışmalarında ise hacimsel konsantrasyon faktörü arttığında hem 8kDa hem de 15kDa seramik membranlarında konsantre akışındaki protein yüzdesi ve konsantrasyonunun arttığı gözlemlenmiştir. Maksimum hacimsel konsantrasyon faktöründe konsantre akışındaki protein ve laktoz yüzdeleri sırasıyla %15 ve %62 olduğu görülmüştür. Membran tipine göre karşılaştırma yapıldığında ise, konsantre akışındaki laktoz konsantrasyonunun 15kDa membrandaki 8kDa membrandan daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, konsantre akışında en yüksek protein miktarı için optimum koşullar, çalışma sıcaklığı 40oC, VCF değeri 3.3 ve MWCO değeri ise 15kDa olarak belirlenmiştir. Optimum koşullardaki diafiltrasyon modunda, protein konsantrasyonu konsantre akışında sabit kalmıştır. Bununla birlikte, kuru madde bazında protein konsantrasyon yüzdesi %39'a çıkarken laktoz oranı konsantre akışında %1'in altına düşmüştür (UF içinVCF= 3.3 ve 3 diafiltrasyon çevriminde). Kirlenme/tıkanma kontrol deneylerinde, 8kDa seramik membranında 15kDa seramik membranından daha çok tıkanma olduğu görülmüştür. Enzimatik laktoz hidroliz çalışmalarına göre, askıda enzim kullanımında, 5 g/l enzim konsantrasyonunda 6 saat sonra laktoz hidrolizinin %96 olduğu görülmüştür. İmmobilize enzim membran reaktöründe ise, süzüntü akışındaki maksimum glikoz konsantrasyonunun 3.3 g/l ve maksimum galaktoz konsantrasyonunun 2.9 g/l olduğu görülmüş olup maksimum immobilize enzim miktarı 0.04g/cm 2 iken laktozun hidrolizinin %16 olarak elde edildiği görülmüştür.