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

Abstract

One of the wide spread industries in the world are the dairy industries and specially cheese industries which are produce a huge amount of whey during their processes. There is no way to consider the whey as a waste but a valuable resource to be recovered due to its high nutritional value. Membrane filtration process is the common way to recover whey protein. The applications of ceramic membranes are suitable for that processes because of their thermal and mechanical advantages over polymeric membrane such as resistance to high temperature, harsh pH value, aggressive chemicals and solvents. Fouling is the main drawback affecting filtration performance which should be determined with different theoretical approaches and controlled with some operational strategies. Biotechnological techniques can be preferred in whey processing especially for valuable product recovery and one of them is the enzymatic membrane systems or reactors which have high lactose hydrolysis performance in cheese whey. The aim of this study is to determine the operating conditions of ceramic ultrafiltration/diafiltration membrane system for obtaining maximum protein and minimum lactose contents at end-product of the acidic cheese whey processing. To achieve that aim, three operational stages were followed at the experiments. At first, stage, different feed temperature (30oC, 40oC, 50oC) and volumetric concentration factors (VCF) (1.4, 2.0, 3.3) were tested at disc ceramic membranes having different molecular weight cut-off values (MWCO) (8kDa and 15kDa). At second stage, two different filtration modes were applied which are normal ultrafiltration (UF) and ultrafiltration + diafiltration (DF) to enhance the end product quality. Additional to that, the fouling experiments were conducted at this stage for both filtration modes and different fouling models had been determined such as resistance in series model, membrane fouling index (MFI) and unified membrane fouling index (UMFI). At the last stage, the performances of free and immobilized β-galactosidase enzyme was investigated at the hydrolysis of lactose in whey to its simple components which are glucose and galactose. This approach increases the quality of desired end product and solve some health problems such as lactose intolerance and also provides the production of glucose and galactose syrup from whey. The main outcomes of this thesis study are (i) According to temperature optimization the protein and lactose mass in concentrate and permeate stream is almost stable at different temperatures with slight changes that could be negligible and generally the sum of total solids mass in permeate and concentrate stream is almost equal to the feed mass for 8kDa and 15kDa membrane, as well as the 15kDa ceramic membrane gives better results than 8kDa ceramic membrane (ii) At VCF optimization, the concentrations and percentages of protein in concentrate stream were increasing with the increasing of VCF for both 8kDa and 15kDa ceramic membranes. At maximum VCF, protein and lactose percentages in concentrate stream were 15% and 62% (w/w, dry basis) respectively (iii) According to membrane type, the lactose concentration in concentrate stream was slightly lower in 15kDa membrane than 8kDa membrane. Consequently, the optimum conditions for highest protein amount at the concentrate stream were found as 40oC of operating temperature, VCF(3.3) and 15kDa MWCO value (iv) At the application of diafiltration modes at optimum conditions, the protein concentration remained constant in concentrate stream while its percentage based on dry basis increased to around 39% while the lactose percentage decreased to less than 1% in concentrate stream (for VCF=3.3 of UF and 3 diafiltration cycles) (v) At fouling mechanism experiments, it was observed that 8kDa ceramic membrane had been more fouled than 15kDa ceramic membrane which was clear from resistance in series model results which were higher with 8kDa comparing to 15kDa (vi) According to enzymatic lactose hydrolysis studies, the suspended enzyme could perform the lactose hydrolysis to 96% after 6 hours at enzyme concentration of 5g/l. At immobilized enzyme membrane reactor, it was observed that the maximum glucose concentration in permeate stream was 3.3 g/l and the maximum galactose concentration was 2.9g/l which means that the hydrolysis of lactose had been achieved as (16%) at the maximum immobilized enzyme amount of 0.04g/cm2.

Yüksek besin değeri nedeniyle peynir altı suyu son yıllarda atık olarak değerlendirilmemekte, gıda endüstrisinde değerli bir kaynak olarak ekonomiye kazandırılmaktadır. Peynir altı suyu (PAS), 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 (laktoz, serum proteinleri, mineraller, az miktarda yağ ve vitamin) 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 (örneğin sodyum hidroksit, fosforik asit ve sodyum hipoklorit), 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, 50oC) ve hacimsel konsantrasyon faktörleri (VCF) (1.4, 2.0, 3.3), farklı moleküler ağırlık engelleme sınırına (MWCO) (8kDa ve 15kDa) sahip olan disk seramik membranlarda test edilmiştir. İkinci aşamada, son ürün kalitesini artırmak için normal ultrafiltrasyon (UF) ve ultrafiltrasyon -diafiltrasyon (DF) 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 (MFI) ve birleşik membran kirlenme/tıkanma endeksi (UMFI) gibi farklı kirlenme/tıkanma modelleri belirlenmiştir. Son aşamada, serbest ve immobilize edilmiş β-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, 15 kDa seramik membranlar 8kDa olan seramik membranlara kıyasla daha iyi sonuçlar vermiştir. Hacimsel konsantrasyon faktörü (VCF) optimizasyonu çalışmalarında ise hacimsel konsantrasyon faktörü (VCF) 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 (m/m) 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 sabitkalmıştır. 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/cm2 iken laktozun hidrolizinin %16 olarak elde edildiği görülmüştür.