Christian Entrup
Proses Mühendisi – Membran Filtrasyonu
GEA
İlker Damar
Satış Müdürü
Endüstriyel Uygulamalar
GEA Türkiye
Biyokimyasalların üretimi için gereken birçok temel madde yenilenebilir kaynaklardan fermantasyon yoluyla elde edilir. Bu maddeler alkolleri, laktik asit ve sitrik asit gibi organik asitleri, enzimlerin yanı sıra biomonomerleri ve -polimerleri kapsar.
Şekil 1, bir fermantasyon işleminin temel akış şemasını göstermektedir. Membran filtrasyon teknolojileri için muhtemel uygulamalar mavi renkle işaretlenmiştir.
Şekil 1: Bir fermantasyon işleminin temel şeması.
Çapraz akışlı membran filtrasyon teknolojisi, yüksek kalitede ve rekabetçi ürünlerin üretimi için gerekli olan yüksek saflıkta biyokimyasalların sonraki işlem kademeleri için önemli bir rol oynar. Membran filtrasyon tesisleri, biyokütlenin ayrılması, değerli maddelerin ayrıştırılması, saflaştırılması ve ön konsantrasyon için kullanılır.
Biyokütle Separasyonu
Membran filtrasyonu yoluyla biyokütle ayrılması, sürekli ve neredeyse bakım gerektirmeyen bir işlemde, katı madde içermeyen bir fermantasyon çözeltisinin (filtrat-süzüntü) üretilebilmesi açısından önemli bir avantaja sahiptir. Tercihen, filtrattaki (çevrelenmiş) genetik olarak değiştirilmiş organizmayı (GDO) reddettiği için seramik membranlar kullanılır. Alternatif olarak, spiral bobin modülleriyle donatılmış santrifüjlerin ve membran tesislerinin kombinasyonları uygulanabilir.
Şekil 2: Seramik membran modüllü pilot tesis.
Değerli Maddelerin Ayrıştırılması ve Saflaştırılması
Biyokütle ayrıldıktan sonra, değerli maddeler fermantasyon çözeltisinden ayrıştırılır. Bu amaçla, 2 aşamalı bir fraksiyonlama işleminde ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon kullanılır. Verimliliği ve saflığı artırmak için çoğunlukla diafiltrasyon suyu eklenir.
Şekil 3: Polimer membranlı ultrafiltrasyon tesisi.
Konsantrasyon
Membran filtrasyon tesisleri ayrıca, özellikle düşük viskoziteli sulu çözeltiler için buharlaştırma tesislerinden önce büyük proses akımlarının ön konsantrasyonu için de kullanılabilir. Bu, evaporatörün işletme maliyetlerini önemli ölçüde azaltmaktadır.
Çapraz Akışlı Membran Filtrasyonu Arkasındaki Teknoloji
Çapraz akışlı membran filtrasyon teknolojisinde ürün, normal kek filtrasyonunun (kör uçlu) tersine, teğetsel olarak membranların üzerinden akar (çapraz akışlı). Bu, uzun süre boyunca kesintisiz çalışmaya imkan sağlar.
Çapraz akışlı membran filtrasyonu, 100 g/mol moleküler ağırlıktan 5 mikrona kadar değişen gözenek boyutlarına sahip basınçla çalışan bir teknolojidir. Uygulamaya bağlı olarak, farklı membranlar ve sistem konfigürasyonları mümkündür.
Ters Ozmoz (TO)
Ters Ozmoz, proses akımının suyunun giderilmesi, düşük molekül ağırlıklı bileşiklerin konsantrasyonu veya atık maddelerin saflaştırılması için yüksek basınçlı ve enerji verimliliği yüksek bir işlemdir. Yaygın uygulamalar arasında, buharlaşmadan ve proses suyunun arıtılmasından önceki akımın ön konsantrasyonu bulunur.
Nanofiltrasyon (NF)
Nanofiltrasyon, UF ve TO arasında, mineraller ve tuzlar gibi düşük molekül ağırlıklı bileşiklerin, karmaşık proses akışlarından yüksek oranda ve spesifik olarak ayrılmasını sağlamak için tasarlanmış eşsiz bir filtreleme işlemidir. Tipik uygulamalar, fermente ürünlerin saflaştırılması, hidrolize proteinlerin geri kazanılması, şekerlerin konsantrasyonu ve çözünür boyaların ve pigmentlerin saflaştırılmasıdır.
Ultrafiltration (UF)
Ultrafiltrasyon, proteinler, karbonhidratlar ve enzimler gibi yüksek molekül ağırlıklı bileşenlerin ortamını konsantre etmek ve saflaştırmak için kullanılan seçici bir ayırma aşamasıdır. Yaygın uygulama alanları arasında, fermente ürünlerin saflaştırılması, jelatin külünün giderilmesi ve konsantrasyonu ve meyve sularının arıtılması bulunur.
Microfiltrasyon (MF)
Mikrofiltrasyon, süspansiyon halindeki veya kolloidal bileşiklerin yüksek molekül ağırlıklı çözünmüş katı maddelerden ayrılması için düşük basınçlı bir işlemdir. Uygulamalar, fermantasyon besiyerlerinden hücre toplanmasını, proteinlerin parçalanmasını, şeker çözeltilerinin arıtılmasını ve CIP kimyasal geri kazanımını içerir.
Çeşitli sistem konfigürasyonları ve membran tipleri, spesifik separasyon uygulamalarının optimizasyonuna imkan sağlar. Membran tipleri arasında hem polimerik (spiral, boru şeklinde ve oluklu lif) hem de inorganik membranlar (seramik ve paslanmaz çelik) bulunur.
Düşük ısılarda veya ortam sıcaklığında faz değişimi olmadan çok spesifik separasyonlar yapabilme kapasitesi, membran filtrasyonunu birçok uygulamada geleneksel yöntemlerden çok daha hassas ve düşük maliyetli bir proses çözümü haline getirmektedir. Diğer separasyon yöntemlerine kıyasla faydaları: çoklu akımların doğru şekilde ayrılması, özellikle ısıya duyarlı ürünlerin hasarına karşı azaltılmış risk, besin değeri veya klinik etkinlik kaybına yol açmaması, düşük enerji tüketimi, daha yüksek verim ve yeni ürün geliştirebilme esnekliği.
GEA, özel olarak tasarlanmış membran filtrasyon tesislerinde ve müşteri gereksinimlerine uygun olarak hazırlanan komple proses hatları konusunda uzmanlaşmıştır. GEA, ürün testi ve sıvı geri kazanım proseslerinin geliştirilmesi ve optimizasyonu için çeşitli pilot tesisleri kapsayan test tesisleri işletmektedir. Bu testler geri kazanım işlemlerinin uygulanabilirliğinin ve etkinliğinin, müşterilerin tesisine kabul edilmeden önce pratik olarak görülmesini sağlar. GEA tarafından modüller halinde tedarik edilen pilot tesisler, tam ölçekli üretim öncesinde daha kapsamlı testler yapmak için müşterilerin tesislerine entegre edilebilmektedir.