Prof.Dr. Semih Ötleş

Prof.Dr. Semih Ötleş

Gıda Kimyası

Peyniraltı suyu değerlendirilmesinde kullanılan membran yöntemleri

Ekonomik, verimli bir yöntem olan membran teknolojisi sayesinde elde edilen peyniraltı suyu proteini ve laktozu; gıda sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır.

Neslihan KAYA
Prof. Dr. Semih ÖTLEŞ
Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi
Gıda Mühendisliği Bölümü

ÖZET

Peyniraltı suyu, süt endüstrisinde büyük önem taşıyan bir yan üründür. Sahip olduğu çevre kirletme potansiyeli ve besinsel zenginlik sebebi ile membran teknolojisi ile değerlendirilmesi kolaylıkla sağlanabilmektedir. Ekonomik, verimli bir yöntem olan membran teknolojisi sayesinde elde edilen peyniraltı suyu proteini ve laktozu; gıda sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. Uygulanan membran uygulamaları olan mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon, ters osmoz ve elektrodiyaliz gibi yöntemlerin avantaj ve dezavantajlarını bu makalede inceleyeceğiz.

GİRİŞ

Peyniraltı suyu süt kuru maddesinin neredeyse yarısını içeren, peynir üretimi sırasında oluşan sarımsı- yeşilimsi atık olarak düşünülen bir yan üründür (Chandan et al., 2011). İçerik olarak zenginliğe sahiptir. Bu zenginliğinden dolayı, bazı işlemler ile besinsel değeri daha yüksek olan bileşenlerin ayrılması ve kurutulup toz halinde farklı gıda içeriklerinde kullanılması oldukça yaygındır (Chandan et al., 2011; Bakırcı et al., 2006). Hem sahip olduğu besinsel potansiyelin değerlendirilmesi hem de çevre kirliliği konusunda sahip olduğu BOD (Biochemical Oxygen Demand) (10,200 mg O2 L-1) ve COD (Chemical Oxygen Demand) (69,500mg O2 L-1) değerleri peyniraltı suyunun değerlendirilmesi konusunda adım atılması gerektiğini göstermektedir. BOD değeri, kirli sulardaki organik maddelerin parçalanması için mikroorganizmanın kullanması gereken oksijen miktarıdır. Bu değer peyniraltı suyunun 1 litresi için 40 gramdır ve oldukça yüksek bir değerdir (Bakırcı et al., 2006; Kurt et al.,2011; Macedo et al., 2014).

Peyniraltı suyu, çevre zararı hakkında bu kadar bilgi edinilmediği süreçte, direkt olarak çevreye dökülüyordu. Daha sonrasında Çevre Bakanlığının yürürlükleri doğrultusunda, hayvan yemi, lor peyniri, protein ya da laktoz ayrımı- gıdalarda katkı maddesi olarak değerlendirilmesi, gübre olarak değerlendirilmesi hatta özellikle Türkiye dışında çeşitli alkollü ve alkolsüz içecekler üretilmesi şeklinde gelişmiştir (Bakırcı et al., 2006; Kurt et al.,2011).

Peyniraltı suyu, içerik olarak kullanılan süt ve üretilen peynir çeşidi, üretim koşullarına göre farklı içeriklerde bulunsa da ortalama olarak; % 7 kuru madde, % 0.3 yağ, % 5 laktoz, % 1 azotlu madde içermektedir. İçerdiği proteinler ise çok çeşitli ve istenilen proteinlerdir. Bunlar; % 23 laktoglobülin, % 5 serum proteinleri, % 56 ?-laktoglobülin, %16 globülin’dir (Kurt et al., 2011). Bu zengin içeriğin üründen alınarak elde edilmesi için birçok çalışma yapılmaktadır. Bu konuda membran teknolojisi büyük bir kolaylık sağlamaktadır. Konsantrasyon artışı için ters osmoz, makromoleküllerden (protein, yağ) küçük molekülleri (laktoz, mineral) ayırmak için ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ya da mikrofiltrasyon ve demineralizasyon içinde iyon değiştirici ya da elektrodiyaliz yöntemleri kullanılmaktadır (Chandan et al., 2011; Wyatt, 2015).

Membran teknolojisi gıda sektöründe birçok alanda kullanılmaktadır. Herhangi bir ekstra kimyasal kullanımı (solvent) gerekmeden, evaporasyon gibi proseslere göre çok daha az enerji harcayarak ayrımı gerçekleştirmektedir (Lipnizki et al., 2013; Wyatt, 2015).


1. Ultrafiltasyon, Nanofiltrasyon, Mikrofiltrasyon ve Ters Osmoz

Molekül büyüklüğü, şekli ya da karakteristik özellikleri kullanılarak ayrım gerçekleşir. Ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon, mikrofiltrasyon ve ters osmoz basınç ile gerçekleşen sistemlerdir (Wyatt, 2015).

1.1. Mikrofiltrasyon (MF)

Mikrofiltrasyon diğer membran sistemlerine göre daha geniş gözeneklere sahip olan daha büyük moleküllerin ayrılmasında kullanılan bir sistemdir. Özellikle bakterilerin, sporların, yağ moleküllerinin ve kazein misellerinin ayrılmasında peyniraltı suyunda ya da süt endüstrisinde kullanılmaktadır. 10-1-101 ?m aralığında gözeneklere sahiptir (Lipnizki et al., 2013).

Hangi moleküllerin geçip hangi moleküllerin geçemeyeceğini anlamak adına aşağıda moleküllerin büyüklüklerinden oluşan bir tablo yer almaktadır.

Mikrofiltrasyon genellikle bakteri yükünü azaltmak için endüstride kullanılmaktadır. Bu sistemlerin tek başına kullanımı yeterli olmadığı durumlarda istenilen hedef ürüne göre farklı kombinasyonlar ile sağlanabilmektedir. Örnek olarak; yağsız sütten protein konsantrasyonu elde etmek istediğimizde, yağsız süt mikrofiltrasyon ve ulftarfiltrasyon ünitelerinden geçirilir ve süt protein konsantrasyonu elde edilir (Lipnizki et al., 2013; Wyatt, 2015).

1.2. Ultrafiltrasyon (UF)

Ultrafiltrasyon sürecinde peyniraltı suyundan protein konsantrasyonu eldesi sağlanır. %35-85 oranlarında peyniraltı suyu protein konsantresi elde edilebilir. Peyniraltı suyu protein konsantresi, özellikle gıda sektöründe yiyecek ve içeceklerde takviye olarak oldukça kullanılmaktadır.

Ultrafiltrasyonda diğer tüm membran teknolojilerinde olduğu gibi permeate-süzüntü ve retentate- konsantre olmak üzere iki fraksiyon eldesi gerçekleşir. Süzüntü dediğimiz kısım laktoz, mineral ve sudan oluşurken, konsantre kısım protein, su ve mikrofiltrasyon uygulanıp uygulanmamasına bağlı olarak yağ içerir. Sektörde, ultrafiltrasyonun süzüntü kısmı nanofiltrasyondan geçirilip, daha sonra konsantrasyon artışı için ters osmoz uygulanıp kristalizasyon ve kurutma (spray dry) işlemleri sonrasında, laktoz eldesi sağlanmaktadır. Bu da özellikle karbonhidrat içeriği düşük içeceklerde, takviye olarak kullanılmaktadır (Lipnizki et al., 2013; Wyatt, 2015; Chandan et al.,2011; Macedo et al., 2014).


1.3. Nanofitrasyon (NF)

Nanofiltrasyon süreci, ultrafiltrasyon ve mikrofiltrasyona göre daha küçük gözeneklere sahip olmasından dolayı, fraksiyonlara ayırma konusunda daha başarılıdır. Peyniraltı suyu tozu, birçok gıdaya takviye olarak eklenmektedir. Bu gıda çeşitleri et ürünleri, bisküvi, dondurma, kraker, çikolata vb. olmakla beraber, liste daha da uzatılabilir. Gıdalarda kullanımı süresince ürünün içerdiği mineral konsantrasyonu istenmeyen tat ya da yapıya sebep olabilmektedir. Sebep olduğu kalite kaybından dolayı, demineralizasyon işlemi uygulamaları denenmektedir. Bu açıdan, nanofiltrasyon, elektrodiyaliz, iyon değiştirici gibi yöntemler uygulanmaktadır. Bu sistemlerin kombinasyon olarak kullanımı en başarılı sonucu vermektedir. Nanofiltrasyon ile kül miktarında yaklaşık olarak % 35 azalma sağlamaktadır.

Nanofiltrasyon süreci, diğer yöntemlere göre bazı avantajlar sunmaktadır. Hem konsantrasyon artışı hem kısmi demineralizasyon sağlarken, küçük bir sistem olduğu için su ve enerji kullanımı oldukça az ve bakımı kolaydır. Bunların yanı sıra, elektrodiyaliz ya da iyon değiştiricilerde sistemin çalışabilmesi için gerekli olan kimyasallara ihtiyaç duymadan, basınç yolu ile çalışmaktadır.

Peyniraltı suyu mineral açısından oldukça zengindir. Yüksek oranlarda sodyum (Na), potasyum (K) ve klorid (Cl) içermektedir. Nanofiltrasyonda kısmi demineralizasyon gerçekleşmesinin nedeni ise, katyonların ayrımının gerçekleşemiyor olmasıdır. Nanofiltrasyon sonucunda Cl iyonları ayrımı sağlanırken, büyük oranda Na ve K katyonları konsantrede bulunmaktadır. Na ve K katyonlarının konsantrasyonunun fazla olmasından dolayı Cl iyonlarının ayrılıp, katyonların ayrılamadığı düşünülmektedir. Bu sebeple Cl iyon konsantrasyonunu arttırıp, NF ile demineralizasyon denemeleri yapılmaktadır ve olumlu sonuçlar alınmaktadır (Suarez et al., 2009; Pan et al., 2011; Lipnizki et al., 2013; Okawa et al., 2015).

1.4. Ters Osmoz (RO)

Ters osmoz uygulaması genellikle kurutmadan ya da kristalizasyondan önce, konsantrasyon artışı için kullanılır. Konsantrasyon artışında, evaporasyona göre daha az enerji harcamasından dolayı tercih edilmektedir. Genel olarak peyniraltı suyu proteini üretim şemasında kurutmadan önceki son basamaktır. Sağladığı ayrım ile süzüntüde sadece su kalmaktadır.

Mikrofiltrasyonda elde edilen süzüntü (yağ ve bakteri içermez), ters osmoza verilirse, yağsız peyniraltı suyu konsantratı elde edilir. Ancak arada uygulanan ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon gibi prosesler, son üründeki kaliteyi ve hedef molekülün saflığını arttırmaktadır (Wyatt, 2015; Chandan et al., 2011).


2. Elektrodiyaliz ve İyon Değiştirici (ED)

Elektrodiyaliz, iyon değiştirici membranlarla kullanımı oldukça yeni ve dikkat çekici bir uygulamadır. Elektrik yüklü membranlar, fraksiyonize etmek için kullanılır. Sulu bir çözeltiden iyonlar, elektriksel potansiyel fark ile ayrılırlar. Elektrodiyaliz sistemi, anyon ve katyon olmak üzere sırası ile dizilmiş membranlardan oluşur (Diblikova et al., 2010; Mikhaylin & Bazinet, 2016) .


Elektrodiyaliz, oldukça ekonomik, hızlı ve iyon ayrımı konusunda verimli bir sistemdir. Fazlaca mineral içeren çedar peyniraltı suyunun demineralizasyonunda bile başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Elektrodiyaliz ile nanofiltrasyonda olduğu gibi büyük oranda Cl-1 ayrılması ve az miktarda Na+1 ve K+1 ayrımı değil; Cl-, Na+1, K+1, Ca+2, Mg+2 ayrımları gerçekleşir. Gerçekleştirilen çalışmalarda tatlı peyniraltı suyu demineralizasyonunda %95 verime ulaşılmıştır (Diblikova et al., 2010).


3. Membran Uygulama Güçlükleri


Membran teknolojilerinin sağladığı pek çok avantajın yanı sıra, bazı uygulama güçlükleri de bulunmaktadır. Bu güçlüklerden en önemlisi ‘Fouling’ olarak isimlendirilen kirlenmedir. Gözeneklerin kirlenip, kapanması sonucu, membran verimliliği düşmekte ve ayrım sağlıklı bir biçimde sağlanamamaktadır. Bunun önlenmesi için, öncelikle fraksiyonlarına ayrılması istenen ya da konsantrasyonu arttırılmak istenen ürünün fiziksel yapısına uygun membran seçimi sağlanmalıdır. Gerekli ise, ürüne belli ön işlemler uygulanmalı ve kirlenme azaltılması amaçlanmalıdır. Uygulanacak işleme göre membran türü seçimi (organik, inorganik), uygulanacak basınç seçimi elde edilen sonucun doğruluğu için dikkat edilmesi gereken detaylardır (Wyatt, 2015).
Ürüne uygulanacak ön işlemlerden en önemlisi, mikrofiltrasyon uygulamasıdır. Bu sayede ayrımı sağlanan yağ ve bakteriler, membran kirliliğinin azalmasını sağlayacaktır. Böylelikle, membran kullanım süresi de artacaktır. Aynı şekilde, konsantrasyon polarizasyonunun azalmasını da sağlayacaktır. Mikrofiltrasyon dışında ozonlama, UV radyasyonu gibi uygulamalar ne yazık ki protein ve enzim yapısını etkilemektedir, bu sebeple artık kullanımları yaygın değildir. Bunun dışında prosesin uygulandığı koşullar, membran seçiciliğine etki etmektedir. Bu sebeple uygulanan basınç, sıcaklık, pH değerleri, akış hızı verimliliği etkileyen önemli faktörlerdendir (Chandan et al., 2011; Wyatt, 2015).

Bu duruma en açık örnek olarak peyniraltı suyunun nanofiltrasyon süresince yaşanan durumu verebiliriz. Peyniraltı suyunun nanofiltrasyon uygulamasında süzüntü akışı uygulanan süre ile ters orantılı olarak azalmaktadır. Süzüntü akış hızının azalması, protein yüzeyi oluşması sebebi ile olmaktadır. Bu oluşum sebebi ile mineral ayrımı yavaşlamaktadır. Hatta, süzüntüde olmaması gereken protein ve laktoz zaman zaman süzüntüye geçebilmektedir (Suarez et al., 2009).


SONUÇ

Peyniraltı suyu atık olmanın dışında, bir yan üründür. Değerlendirilmesi konusunda membran teknolojisi çığır açma niteliğindedir. Bazı zorlukları içerse de, uygulanan diğer yöntemlere göre, çok daha verimli, ekonomik konumdadır. Mikrofiltrasyon ile bakteri temizliği, ultrafiltrasyon ile protein ayrımı, nanofiltrasyon ile kısmi demineralizasyon ve elektrodiyaliz ile verimli bir demineralizasyon gerçekleştirmek mümkündür. Membran teknolojisi son yıllarda rağbet görmeye başlamış olsa da, hala birçok cevaplanmamış soru bulunmaktadır. Bu sebeple, bu konuda gerçekleştirilecek yeni çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır.

Mart 2018 sayısının 92.sayfasında yayımlanmıştır. 


KAYNAKLAR

1) Bakırcı, İ., & Kavaz, A. (2006). Peyniraltı Suyunun Değerlendirilme Olanakları, (11), 77–80.

Yazarın diğer yazıları