Bitkisel yağlardan çözücü ekstraksiyonu ile serbest yağ asitlerinin giderilmesinin ardından çözücünün iyon değişimi ile geri kazanılması


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Istanbul Technical University, Fen Bilimleri Enstitüsü, Turkey

Approval Date: 2016

Thesis Language: Turkish

Student: MELİKE ERGUVAN

Supervisor: Hale Gürbüz

Abstract:

Ham bitkisel yağlar gıda veya endüstriyel amaçlı kullanılmak istendiğinde, yapılarında oksidatif bozunmalar meydana getiren, yağın tadını ve kokusunu bozarak kullanımını sınırlayan serbest yağ asitlerinin giderilmesi, elde edilecek olan ürünün kalitesi ve maddi anlamda en büyük etkiyi yapması nedeniyle rafinasyon prosesinin en önemli basamağıdır. Yüksek yağ asidi içerikli ham bitkisel yağlarda, geleneksel asit giderme yöntemleri fazla miktarda nötral yağ kaybedilmesi, yüksek enerji gereksinimi, bazı istenmeyen maddelerin oluşumu ve onların giderilmesi, ayrıca fazla miktarda atık oluşturması gibi dezavantajlara sahiptir. Bu dezavantajların bu yöntemlerin kullanımını sınırlaması araştırmacıları yeni alternatif yöntemler geliştirmeye itmiştir. Sıvı–sıvı ekstraksiyonu da bu yöntemlerden biridir. Bu yöntem ortam sıcaklığında ve atmosfer basıncında uygulanması nedeniyle daha az enerji gereksinimi duyulan bir proses olması ve atık problemi olmaması gibi önemli avantajlara sahiptir. Sıvı–sıvı ekstraksiyonunda yağı çözebilecek uygun bir çözücü gerekmektedir ve bu çözücüler genellikle metanol ve etanol gibi kısa zincirli alkollerdir. Sıvı–sıvı ekstraksiyonu sonucunda oluşan ekstrakt fazın proseste yeniden kullanılmak üzere geri kazanılması hala üzerinde çalışılan ve araştırılan bir konudur. Çözücünün geri kazanılmasında yaygın olarak kullanılan distilasyon ve evaporasyon gibi yöntemler yüksek sıcaklık ve düşük basınç gerektirmesi nedeniyle enerji yoğun işlemlerdir. Son yıllarda bu yöntemlere alternatif olarak iyon değiştirici reçinelerin kullanılması umut vadeden bir yöntem olarak dikkat çekmektedir. İyon değiştirici reçinelerin saflaştırma ve ayırma işlemlerinde kullanılmasıyla ilgili literatürde pek çok çalışmaya rastlanmaktadır. Ancak yağ asidi+çözücü sistemlerinden çözücünün geri kazanılmasında iyon değiştirici reçinelerin kullanılmasıyla ilgili çalışmalar sınırlıdır ve bu konuda literatürde bulunan çalışmaların birçoğunda etanollü veya etanol+su çözeltilerinden yağ asitlerinin ayrılması üzerine odaklanılmış ve metanollü çözeltiden yağ asitlerinin giderilmesi ile ilgili bir çalışma daha önce yapılmamıştır. Bu bilgiler ışığında, yapılan bu çalışmada yağ asidi+metanol sisteminden metanolün iyon değiştirme yöntemi ile geri kazanılmasının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla gerçekleştirilen deneysel çalışmada yağ asitlerinin bitkisel yağlardan veya yağ+çözücü sistemlerinden ayrılmasında etkinliği literatürde belirtilmiş olan Amberlyst A26 OH reçinesi ve birçok bitkisel yağda ana yağ asidi olarak bulunan oleik asit kullanılmıştır. Çalışma iyon değişim denge izotermlerinin belirlenmesi ve iyon değişim kinetiğinin incelenmesi olmak üzere iki aşama olarak planlanmış ve yürütülmüştür. Denge deneyleri için oleik asit konsantrasyonu ağırlıkça %1 ile %15 arasında değişen karışımlara reçine/çözelti oranı 1/3 olarak sabit tutularak reçinenin ilavesinden sonra, karışımlar 30°C' de çalkalamalı su banyosunda 5 saat bekletilmiştir. Reçine ve çözelti fazının filtrasyon ile ayrılmasının ardından çözeltideki oleik asit ve kalan ıslak reçinedeki uçucu madde miktarları belirlenmiştir. Denge durumunda reçinede tutulan oleik asit konsantrasyonu q* (mg oleik asit/g kuru reçine) her deney için kütle denkliğinden belirlenmiştir. Elde edilen denge verileri Langmuir, Freundlich ve Redlich– Peterson adsorbsiyon modelleri kullanılarak doğrusal ve doğrusal olmayan regresyon ile değerlendirilmiştir. Deneysel olarak belirlenen ve Freundlich izotermine göre hesaplanan q* değerleri arasındaki korelasyon katsayısı R2=0,45 bu modelin incelenen sistem için uygun olmadığını göstermiştir. Literatürde yapılan çalışmaların çoğunda da bu tip sistemler için uygun olduğu belirtilen Langmuir izotermi ise, Freundlich izoterminden daha iyi bir korelasyon (R2=0,55) sağlamakla birlikte incelenen sistemi tam olarak tanımlamamaktadır. İyon değişim kapasitesinin değiştirilen iyonunun çözeltideki konsantrasyonuna bağlı değişimini dikkate alan modifiye edilmiş Langmuir izotermi ile regresyon korelasyon katsayısı R2=0,97 olarak elde edilmiştir. Deneysel verileri çok iyi tanımlayan bu modeldeki konsantrasyon bağımlılığı parametresinin x=13 gibi yüksek bir değerde olması Amberlyst A26 OH-Metanol-Oleik asit sisteminde iyon değişim kapasitesinin çözeltideki oleik asit konsantrasyonuna çok bağlı olduğunu göstermektedir. Kinetik deneyler başlangıç oleik asit konsantrasyonu ağırlıkça %2, %8 ve %15 olarak değiştirilen metanollü çözeltilerde reçine/çözelti oranı 1/3, sıcaklık 30 °C ve karıştırma hızı 175 rpm olarak sabit tutularak yürütülmüştür. Oleik asit konsantrasyonundaki değişim karışımdan belirli zamanlarda sıvı çekilerek incelenmiştir. Reçinede her bir t anında tutulan oleik asit miktarı qt (mg Oleik asit/g Kuru reçine) çözeltideki oleik asit konsantrasyonu kullanılarak hesaplanmıştır. İyon değişimi çözeltideki kütle transferi, iyon değiştiriciyi saran sıvı film tabakasında kütle transferi, iyon değiştiricide kütle transferi ve kimyasal reaksiyon olmak üzere dört önemli adımdan meydana gelmektedir. İyon değişim mekanizmasının belirlenmesinde bu adımlar arasından hız belirleyici basamağın seçilebilmesi için film difüzyonu, gözenek difüzyonu ve kimyasal reaksiyondan oluşan üç kinetik model incelenmiştir. Çalışılan konsantrasyon aralıklarının tümünde film difüzyonu modelinin deneysel verilerle diğer iki modelden daha yüksek korelasyon gösterdiği görülmüştür. Bu çalışmada elde edilen bulgulara göre, sıvı-sıvı ekstraksiyonunda elde edilecek ekstrakt fazları temsil eden oleik asitli metanol çözeltilerinden oleik asidin Amberlyst A26 OH anyon değiştirici reçine ile %99 civarında yüksek bir ayırma verimi ile ayrılması mümkündür. Ayrıca, iyon değişim ilk hızlarının yüksek olması da sıvı-sıvı ekstraksiyonuna dayanan asit giderme proseslerinde iyon değişimi yönteminin çözücü geri kazanımı için distilasyon ve buharlaştırma gibi bilinen yöntemlere iyi bir alternatif olduğunu göstermektedir.