İZOMERİZE ŞEKER ŞURUBUNDA BENZETİMLİ HAREKETLİ YATAK TEKNOLOJİSİ İLE FRUKTOZUN KROMATOGRAFİK ZENGİNLEŞTİRİLMESİ CHROMATOGRAPHIC ENRICHMENT OF FRUCTOSE IN ISOMERIZED SUGAR SYRUPS BY SIMULATED MOVING BED TECHNOLOGY FATİH PEKER PROF. DR. AHMET R. ÖZDURAL Tez Danışmanı Hacettepe Üniversitesi Lisansüstü Eğitim - Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin KİMYA MÜHENDİSLİĞİ Anabilim Dalı için Öngördüğü YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak hazırlanmıştır. 2015 FATİH PEKER’ in hazırladığı “İzomerize Şeker Şurubunda Benzetimli Hareketli Yatak Teknolojisi ile Fruktozun Kromatografik Zenginleştirilmesi” adlı bu çalışma aşağıdaki jüri tarafından KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI’ nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Birgül KARAN Başkan ……………………………………… Prof. Dr. Ahmet R. ÖZDURAL Danışman ……………………………………….. Doç. Dr. Ayşe KARAKEÇİLİ Üye ……………………………………….. Bu tez Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tarafından YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak onaylanmıştır. Prof. Dr. Fatma SEVİN DÜZ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü ETİK Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında,  tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,  görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,  başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu,  atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi,  kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı,  ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversitede veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. 19/08/2015 FATİH PEKER i ÖZET İZOMERİZE ŞEKER ŞURUBUNDA BENZETİMLİ HAREKETLİ YATAK TEKNOLOJİSİ İLE FRUKTOZUN KROMATOGRAFİK ZENGİNLEŞTİRİLMESİ Fatih PEKER Yüksek Lisans, Kimya Mühendisliği Bölümü Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ahmet R. ÖZDURAL Ağustos 2015, 97 sayfa Bu tez çalışması kapsamında, glukoz ve fruktozun ikili glukoz-fruktoz çözeltisinden ayrımı sürekli kromatografi sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografisi (SMB) kullanılmıştır. Kolon dolgu maddesi olarak katyonik bir iyon değiştirici reçine olan Dowex Monosphere 99 CA/320 reçinesi kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar kapsamında kütle aktarım dirençleri ve denge parametrelerinin elde edilmesi amacıyla kesikli ve sürekli sistem deneyleri yapılmıştır. Bu çalışmalarda tek bileşenli besleme çözeltiler kullanılmıştır. Deneysel çalışma aralığında glukoz ve fruktozun adorpsiyon denge izotermlerinin doğrusal davranış gösterdiği gözlemlenmiş ve model sabitleri, literatürde yaygın olarak bilinen metotlarla hesaplanmıştır. Glukoz ve fruktoz için sıvı film kütle ii aktarım katsayıları (kf) hesaplanarak sonuçların literatürle uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. Çözeltilerdeki toplam şeker konsantrasyonu, bir HPLC refraktif indeks dedektörü ile (SunChrom RI Detector) sürekli olarak izlenerek kaydedilmiştir. İkili karışımdaki glukoz konsantrasyonunu hesaplamak için glukoz kiti kullanılmış ve toplam şeker konsantrasyonu ile glukoz konsantrasyonu arasındaki farktan fruktoz konsantrasyonları hesaplanmıştır. Benzetimli hareketli yatak kromatografi (SMB) deneyleri kapsamında, değiştirme zamanı (switching time) ve akış hızları değiştirilerek ikili glukoz-fruktoz karışımında fruktozun zenginleştirilmesi optimize edilmiş ve fruktoz ve glukoz ayrımında %90’ın üzerinde saflığa ulaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografi, Simulated Moving Bed, Glukoz, Fruktoz, Sürekli Kromatografi, Ayırma, Adsorpsiyon, Dowex Monosphere 99/CA 320 iii ABSTRACT CHROMATOGRAPHIC ENRICHMENT OF FRUCTOSE IN ISOMERIZED SUGAR SYRUPS BY SIMULATED MOVING BED TECHNOLOGY Fatih PEKER Master of Science, Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ahmet R. ÖZDURAL August 2015, 97 pages In this thesis, a continuous chromatography system is used for the separation of glucose and fructose from binary solution of glucose and fructose. Thereby enrichment of glucose is achieved. For this purpose Simulated Moving Bed Chromatography (SMB) is employed. Dowex Monosphere 99 CA/320 is used as column packing material, which is a cationic ion-exchange resin. During experimental studies batch and continuous system assays were performed so as to obtain mass transfer and equilibrium parameters. These studies carried out using single component feed solutions. It was observed that within the range of experimental studies, the optimal glucose and fructose adsorption equilibrium isotherms were linear isotherm models and model constants were calculated by well-known methods explained in the literature. iv The liquid film mass transfer coefficients (kf) of glucose and fructose were calculated and it was observed that results were in compliance with the literature. Total sugar concentration in the solution was monitored and measured continuously with a HPLC refractive index detector (SunChrom RI Detector). Glucose kit was used for the determination of glucose concentration in the binary mixture where fructose concentrations are calculated from the difference between the total sugar concentration and glucose concentration. In the simulated moving bed chromatography (SMB) experiments, by changing the switching time and flow rates, the enrichment of fructose in binary mixture of glucose and fructose was optimized. Over 90 % separation of fructose and glucose was accomplished. Keywords: Simulated Moving Bed Chromatography, SMB, Glucose, Fructose, Continuous Chromatography, Separation, Adsorption, Dowex Monosphere 99/CA 320 v TEŞEKKÜR Yüksek lisans eğitimim boyunca, bilgi birikimi ve tecrübeleriyle daima beni yüreklendiren, tez çalışmam sırasında bana her türlü olanağı sağlayan, öğrencisi olmaktan çok büyük gurur duyduğum ve hayatım boyunca örnek alacağım çok değerli hocam, Sayın Prof. Dr. Ahmet R. ÖZDURAL' a, Tez çalışmalarımın yürütülmesinde büyük emeği olan, bilgisi ve deneyimiyle yardımlarını benden hiç esirgemeyen Sayın Prof. Dr. Salem Ben-Shebil’ e, Çalışmalarımı sürdürdüğüm süre boyunca arkadaşlıklarını ve yardımlarını benden hiçbir zaman esirgemeyen, bana her konuda destek olan sevgili arkadaşlarım Erdem ALP, Gökçe DİLLİ ALP ve Gökçe Dicle DEMİR’ e, Tüm hayatım boyunca maddi ve manevi desteklerini benden hiçbir zaman esirgemeyen, attığım her adımda arkamda olup, bana güvenen anneme, babama ve ablam Pınar PEKER AKALIN’ a, sonsuz teşekkürlerimi sunarım. vi İÇİNDEKİLER sayfa ÖZET ……………………………………………………………………………….. i ABSTRACT …………………………………………………………………………. iii TEŞEKKÜR …………………………………………………………………………. v İÇİNDEKİLER ……………………………………………………………………… vi ŞEKİLLER DİZİNİ …………………………………………………………………… x TABLOLAR DİZİNİ ………………………………………………………………… xiii 1. GİRİŞ VE AMAÇ ……………………………………………………………….. 1 2. GENEL BİLGİLER ……………………………………………………………. 4 2.1 Şekerler ve Tatlandırıcılar …………………………………………………… 4 2.1.1 Glukoz ve Fruktoz ……………………………………………………………. 5 2.2 Gıda Sanayiinde Glukoz-Fruktoz Şurubunun Önemi ……………………... 8 2.2.1 Yüksek Fruktozlu Mısır Şurubu Üretimi …………………………………... 12 2.3 Glukoz ve Fruktoz Ayırmada Kullanılan Yöntemler ……………………….. 14 2.3.1 Ayrımsal Kristallendirme ile Ayırma ……………………………………… 14 2.3.2 Kimyasal Reaksiyon ile Ayırma ………………………………………….. 14 2.3.3 Kompleks Oluşturma ile Ayırma ………………………………………….. 14 2.3.4 Süperkritik Sıvı Ekstraksiyonu ile Ayırma ……………………………….. 14 2.3.5 Adsorpsiyon ile Ayırma ……………………………………………….. 15 2.3.5.1 Doğrusal (Lineer) Adsorpsiyon Modeli ……………………………….. 15 2.3.5.2 Langmuir Adsorpsiyon Modeli ………………………………………….. 16 vii 2.3.5.3 Freundlich Adsorpsiyon Modeli ………………………………………… 16 2.3.6 Kromatografik Ayırma ……………………………………………………... 18 2.3.7 Ayrılma Mekanizmalarına Göre Kromatografik Teknikler ……………… 20 2.3.7.1 Adsorpsiyon Kromatografisi ……………………………………………. 20 2.3.7.2 Partisyon (Dağılma) Kromatografisi …………………………………... 22 2.3.7.3 İyon Değişimi Kromatografisi ………………………………………….. 22 2.3.7.3.1 Zeolitler ile Kromatografik Ayırma ………………………………….. 23 2.3.7.3.2 Anyon Değiştirici Reçineler ile Kromatografik Ayırma ……………… 23 2.3.7.3.3 Katyon Değiştirici Reçineler ile Kromatografik Ayırma …………….. 23 2.3.7.4 Jel Filtrasyon Kromatografisi ……………………………………………. 25 2.3.8 Uygulama Biçimlerine Göre Kromatografik Teknikler …………………... 25 2.3.8.1 Düzlemsel kromatografi ……………………………………………….. 25 2.3.8.2 Kolon Kromatografisi ………………………………………………… 26 2.3.9 Faz Tipine Göre Kromatografik Teknikler ……………………………….. 26 2.3.9.1 Sıvı Kromatografisi ……………………………………………………... 26 2.3.9.2 Gaz Kromatografisi ……………………………………………………... 27 2.3.9.3 Süperkritik Akışkan Kromatografisi ……………………………………. 28 2.4 Sürekli Kromatografi ………………………………………………………. 28 2.5. Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografisi (SMBC) ve Uygulanması …. 30 2.5.1 Gerçek Hareketli Yatak Yaklaşımı (True MovingBed, TMB) ve Çalışma Prensibi …………………………... 35 viii 2.5.2 Benzetimli Hareketli Yatak Yaklaşımı (SMB) ve Çalışma Prensibi …………………………... 39 3. BENZETİMLİ HAREKETLİ YATAK KROMATOGRAFİSİNİN TEORİK ANALİZİ …………………………………... 42 3.1. TMB Model Yaklaşımı için Matematiksel İfadelerin Türetilmesi ……….. 44 3.2. Denge-dışı Adsorpsiyon ile SMB Model Yaklaşımının Modifikasyonu .… 48 3.3. SMB Optimizasyon Tekniğinin Geliştirilmesi - Üçgen Teorisi …………. 55 3.3.1. Lineer Adsorpsiyon İzotermi İçin Üçgen Teorisinin Geliştirilmesi …….. 57 3.4 SMB İşletme Parametrelerinin Belirlenmesi ……………………………….. 61 3.5. SMB Performans Parametrelerinin Belirlenmesi …………………………. 63 3.6 Kesikli sistemin Denge Dışı Modellenmesi ve Kütle Aktarım Katsayılarının Hesaplanması ……………………………… 64 3.6.1 Sıvı Film Kütle Aktarım Katsayısı(kf)’ nın Bulunması …………………... 66 3.6.2 Homojen Katı Difüzyon Katsayısı (Ds)' nın Bulunması ……………….. 68 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR ………………………………………………….. 71 4.1 Kesikli Sistem Deneyleri ……………………………………………………... 71 4.1.1 Materyal …………………………………………………………................. 71 4.1.2 Yöntem …………………………………………………………................... 72 4.1.2.1 Kalibrasyon Grafiğinin Elde Edilmesi …………………………………... 72 4.1.2.2 Adsorpsiyon İzotermlerinin Belirlenmesi ……………………………….. 72 4.1.2.3 Sıvı Film Kütle Aktarım Katsayısının (kf) Bulunması …………………. 73 4.2 Sürekli (SMB) Kromatografi ile Glukoz ve Fruktoz Ayırma Deneyleri …… 73 ix 4.2.1 Materyal …………………………………………………………................. 73 4.2.2 Yöntem …………………………………………………………................... 76 5. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA …………………………………... 77 5.1 Kesikli Sistem Deney Sonuçları ……………………………………………… 77 5.1.1 Glukoz ve Fruktoz için Adsorpsiyon İzotermleri …………………………. 77 5.1.2 Sıvı Film Kütle Aktarım Katsayıları ……………………………………….. 78 5.2 Sürekli Sistem (SMB) Deney Sonuçları ……………………………………. 79 5.2.1 SMB-1 Deney Sonuçları ………………………………………………….. 79 5.2.2 SMB-2 Deney Sonuçları ………………………………………………….. 81 5.2.3 SMB-3 Deney Sonuçları ………………………………………………….. 83 KAYNAKLAR ………………………………………………………………………. 87 EKLER …………………………………………………………………………….. 95 ÖZGEÇMİŞ ………………………………………………………………………… 97 x ŞEKİLLER DİZİNİ sayfa Şekil 2.1 Glukoz ve fruktoz moleküllerinin düz zincir şeklinde yazılışı …... 7 Şekil 2.2 Glukoz ve fruktoz moleküllerinin suda çözününce aldıkları halka şekli ……………………………. 7 Şekil 2.3 Glukoz ve fruktoz moleküllerinin bir araya gelmesiyle sakarozun oluşumu ……………………………. . 8 Şekil 2.4 YüksekFruktozlu Mısır Şurubu Üretim Akım Şeması ……………… 13 Şekil 2.5 Kromatografik Kolonda Ayırma …………………………………... 18 Şekil 2.6 Kromatografinin Çalışma Prensibi ……………………………….. 19 Şekil 2.7 Adsorpsiyon Mekanizması ……………………………………….. 21 Şekil 2.8 Elüsyon Kromatografisi Çalışma Prensibi ……………………….. 29 Şekil 2.9 Laboratuvar Ölçekli SembaOctave SMB Kromatografi Sistemi ……………………….. 32 Şekil 2.10 Gerçek Hareketli Yatak Sistemi(TMB) çalışma prensibi …………………………... 36 Şekil 2.11 TMB’ de Kolon Boyunca Konsantrasyon Profilleri ……………… 36 Şekil 2.12(a) TMB çalışma prensibi, kromatografik kolon yatay konumda ……………………….. 37 Şekil 2.12(b) TMB çalışma prensibi, katı faz hareketi ……………………… 37 Şekil 2.12(c) TMB çalışma prensibi, rafinat ve ekstrat akımlarının ayrılması ……………………………… 38 Şekil 2.13 Benzetimli Hareketli Yatak Sistemi(SMB) çalışma prensibi ve Sistem Boyunca Konsantrasyon Profilleri ……………… 40 Şekil 3.1 Deneysel (nokta) ve simülasyon (düz çizgi) çalışmaları sonucu elde edilen SMB ürün konsantrasyon profilleri ……………… 43 Şekil 3.2 Hareketli yatak kromatografisi(TMB) …………………………... 44 xi Şekil 3.3 Yerel denge adsorpsiyon modeli, (c ile q dengede) ……………………………… 49 Şekil 3.4 Denge dışı adsorpsiyon modeli, (c*s ile q*s dengede) ……………………………… 49 Şekil 3.5 Ekstrakt(A) ve Rafinat(B) zone akış yönleri …………………... 58 Şekil 3.6 Lineer adsorpsiyon izotermine sahip sistemler için, (m2, m3) düzleminde dört farklı ayrışma bölgesi …………………... 60 Şekil 3.7 Altı ve sekiz kolondan oluşan SMB sisteminde kolon konfigürasyon seçenekleri …………………... 61 Şekil 3.8 Kesikli sistem deneyi (batchuptake) şematik gösterimi ……………………………………. 65 Şekil 3.9 Denge dışı adsorpsiyon modeli (c*s ile q*s dengede) ……………………………………. 66 Şekil 3.10 Kesikli deneyler ile kf değerinin hesaplanması ……………….. 68 Şekil 4.1 Kesikli sistem deney düzeneği ………………………………… 72 Şekil 4.2 Benzetimli Hareketli Yatak (SMB) Kromatografi cihazı ……………………………………. 74 Şekil 4.3 SMB Kolon Konfigürasyonu ……………………………………. 75 Sekil 5.1 Glikoz adsorpsiyonunda deneysel denge değerlerinin lineer adsorpsiyon izoterm modeli ile uyumu ……………………...... 77 Şekil 5.2 Fruktozadsorpsiyonunda deneysel denge değerlerinin lineer adsorpsiyon izoterm modeli ile uyumu ……………….. 77 Şekil 5.3 Glukoz için -ln(C/C0)’a karşı t grafiği …………………………. 78 Şekil 5.4 Fruktoz için -ln(C/C0)’a karşı t grafiği …………………………. 78 Şekil 5.5 SMB-1 Deneyinde Rafinat Çıkışları için Konsantrasyon-Zaman Grafiği …………………………. 79 Şekil 5.6 SMB-1 Deneyinde Ekstrakt Çıkışları için Konsantrasyon-Zaman Grafiği …………………………. 80 Şekil 5.7 SMB-1 Deneyinde Periyodik Yatışkın …………………. 80 xii Durumda Kolonlardaki Konsantrasyon Profili Şekil 5.8 SMB-2 Deneyinde Rafinat Çıkışları için Konsantrasyon-Zaman Grafiği …………………………... 81 Şekil 5.9 SMB-2 Deneyinde Ekstrakt Çıkışları için Konsantrasyon-Zaman Grafiği …………………………... 82 Şekil 5.10 SMB-2 Deneyinde Periyodik Yatışkın Durumda Kolonlardaki Konsantrasyon Profili …………………. 82 Şekil 5.11 SMB-3 Deneyinde Rafinat Çıkışları için Konsantrasyon-Zaman Grafiği …………………………... 83 Şekil 5.12 SMB-3 Deneyinde Ekstrakt Çıkışları için Konsantrasyon-Zaman Grafiği …………………………... 84 Şekil 5.13 SMB-3 Deneyinde Periyodik Yatışkın Durumda Kolonlardaki Konsantrasyon Profili …………………. 84 Şekil EK–1.1 DowexMonosphere 99CA/320 Kromatografik ayırma reçinesi ……………………………….. 95 xiii TABLOLAR DİZİNİ sayfa Tablo 2.1 Şekerlerin Tatlılık Dereceleri ….................................................. 6 Tablo 2.2 2010–2013 Yılları Arasında Dünya HFCS Üretim Miktarları ………………………………… 10 Tablo 4.1 SMB Deney Planı ……………………………………………….. 76 Tablo 5.1 SMB-1 Deneyi Periyodik Yatışkın Durum Konsantrasyon Değerleri ……………………………….. 79 Tablo 5.2 SMB-2 Deneyi Periyodik Yatışkın Durum Konsantrasyon Değerleri ……………………………… 81 Tablo 5.3 SMB-3 Deneyi Periyodik Yatışkın Durum Konsantrasyon Değerleri ……………………………….. 83 1 1. GİRİŞ VE AMAÇ Kromatografik ayırma teknikleri giderek daha fazla önem kazanmakta olup, söz konusu tekniğin sürekli sistemde çalıştırılabilmesi maliyet ve kapasite açısından büyük önem taşımaktadır [1]. Bu amaca yönelik olarak geliştirilen simüle edilmiş hareketli yatak (simulated moving bed, SMB) kavramı kısa zamanda araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Bu kavram, basit olarak, bir hareketli fazın karşısında ters yönde ilerleyen katı adsorbant fazın hareketinin simüle edilmesinden ibarettir [2]. Günümüzde konvensiyonel tekniklerin uygulanmasında zorluklarla karşılaşılabilen, aynı çözelti içerisinde bulunan benzer özelliklere sahip maddelerin birbirinden ayrılması işlemlerinde hem laboratuvar hem de endüstriyel ölçekte SMB sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır [3]. Bununla beraber çok sayıda parametrenin karşılıklı bir şekilde etkilendikleri SMB ile yapılan ayırmalarda, optimizasyon ve kontrolunun önemi açıktır. Dünyada sakkarozdan sonra ikinci büyük paya sahip tatlandırıcı türü, nişasta bazlı şekerler olarak bilinen; mısır, patates, buğday, kasava (tapioka) gibi bitkilerden izole edilen nişastadan elde edilen ve genel olarak glukoz şurubu ve izoglukoz olmak üzere iki ana türü bulunan karbonhidrat türü şekerlerdir. Dünyada sadece mısırdan üretilen nişasta kökenli tüm şuruplara, mısır şurubu, glukozla birlikte fruktoz içeren şuruplara HFCS (High Fructose Corn Syrup - Yüksek Fruktozlu Mısır Şurubu) denilmektedir [4]. Ülkemizde nişasta hidrolizi sonucunda şeker elde edilen çok sayıda endüstriyel tesis faaliyet göstermektedir. Bununla beraber söz konusu tesislerde, elde edilen glukoz ve fruktozun birbirinden ayırılmasına yönelik üniteler bulunmamaktadır. Diğer taraftan SMB yönteminin uygulamaları arasında nişasta hidrolizi ile elde edilen glukoz ve fruktoz şekerlerinin ayrılması önemli bir yer tutmakta olup dünyadaki çeşitli üretim kuruluşlarında yaygın olarak kullanılmaktadır [5]. Şeker ve tatlandırıcılara duyulan ihtiyacın artmasıyla gıda sanayi uygulamalarında, pancar ve kamış şekerine (sukroz) alternatif olarak, genellikle % 55 oranında fruktoz içeren fruktoz-glukoz şurubunun (yüksek fruktozlu mısır şurubu, high fructose corn syrup, HFCS) kullanılması giderek yaygınlaşmaktadır. Bu 2 bileşimdeki bir şurup, benzer şartlarda pancar veya kamış şekerinden (sukroz) daha tatlı olmasının yanı sıra arzu edilen fiziksel ve kimyasal özelliklere de sahiptir. Mısır nişastasının hidrolizi prosesinde uygulanan basit glukoz izomerizasyonu sonucunda elde edilen glukoz-fruktoz şurubu, reaksiyon dengesine bağlı olarak, % 42 dolaylarında fruktoz içerir. Bu tür bir şurubun tatlılığı ise, sukroz tatlılığının yaklaşık olarak % 90’ına karşı gelmektedir. Bu nedenle basit glukoz izomerizasyonu ile elde edilen şurup, yaklaşık olarak % 90-96 oranında fruktoz içeren HFCS ile karıştırılır. Böylece, basit glukoz izomerizasyonu ile elde edilen şuruptaki fruktoz oranı % 55 değerine çıkartılır [6]. HFCS üretimi için, glukoz-fruktoz karışımının ayrılmasında yaygın olarak iyon değiştirici reçineler kullanılmaktadır [7-8]. Glukoz ve fruktoz karışımının ayrılmasında zeolitler, anyon ve katyon değiştirici reçineler kullanılarak birçok kromatografik çalışma yapılmıştır [9]. Yapılan kromatografik ayırma çalışmalarında, şekerlerin ayrılması için yaygın olarak, alkali veya toprak alkali metal katyonlarını içeren ve divinilbenzenle (DVB) çapraz bağlanmış, sülfolanmış polistiren reçineler kullanılmış olup farklı alkali metal iyonu içeren katyon değiştirici reçinelerin etkileri incelenmiş ve Ca+2 formundaki katyon değiştirici reçinelerin glukoz ve fruktozu ayırmada en uygun reçineler olduğu ortaya konmuştur [10-11-12]. Bu tezin amacı, özel olarak tatlandırıcıları ayırmak üzere sentez edilmiş iyon değiştirici reçineler yardımıyla, izomerize şeker şurubundaki glukoz ve fruktozun sürekli kromatografik usulle ayrılması ve böylece fruktozca zenginleştirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda ekstrakt ve rafinat kaplarında biriktirilen fruktoz ve glukoz oranlarının %90’ ın üzerinde olması hedeflenmiştir. Tezde öncelikle izomerize şeker şurubunu temsil etmek üzere glukoz ve fruktoz kimyasallarından çıkılarak fruktoz bakımından zenginleştirme amacıyla kullanılacak çözelti hazırlanmıştır. 3 Daha sonra, hazırlanan çözeltinin fruktozca zenginleştirilmesinde Benzetimli Hareketli Yatak (SMB-Simulated Moving Bed) cihazı kullanılmıştır. Laboratuvarımızda mevcut olan bu cihaz altı adet kromatografik kolon, uygun şekilde tasarlanmış çok yollu otomatik kontrollü vanalar ve dört adet kromatografik pompadan oluşmaktadır. Tüm sistem bilgisayar kontrollüdür. SMB tekniği sürekli kromatografik ayırma yapabilmek amacıyla geliştirilmiştir. Bu cihazda fiziksel olarak çalıştırılması mümkün olmayan, gerçek hareketli yatak prosesi simüle edilmiştir. Bu tez çalışmasinda SMB kolonları, özellikle şekerlerin ayrılmasında kullanılan Dowex Monosphere 99 Ca/320 katyonik iyon değiştirici reçine ile doldurulmuştur. Kolonların doldurulmasında slurry-packing yöntemi kullanılmıştır [13]. Deneyler sırasında; besleme akış hızı, elüvent akış hızı, periyodik olarak kolon giriş ve çıkışlarına yapılan akışların değiştirilme süresi(switching time), kolondaki reçine hacimleri, kolon çapları değiştirilerek izomerize şeker şurubundaki fruktoz zenginleştirilmesi optimize edilmiştir. Çözeltilerdeki toplam şeker konsantrasyonu, HPLC cihazı için tasarlanmış refraktif indeks dedektörü ile(SunChrom RI Detector), sürekli olarak izlenerek kaydedilmiştir. Glukoz konsantrasyon ölçümleri için glukoz kiti kullanımıştır. İki ölçüm arasındaki farktan fruktoz konsantrasyonları hesaplanmıştır. 4 2. GENEL BİLGİLER Şeker, yüzyıllardan beri insanların önemli gıda maddelerinden birisi olmuş ve 18. yüzyılın sonuna kadar sadece şeker kamışından üretilmiştir. Şeker pancarı tarımı ve şeker pancarından şeker üretimi ise 19. yüzyılda başlamıştır. 2.1 Şekerler ve Tatlandırıcılar Ülkemizde şeker terimi genel olarak pancar şekeri ve nişasta bazlı şeker için, tatlandırıcı ifadesi ise kalori değeri olmayan alternatif tatlandırıcılar için kullanılsa da dünyada tatlandırıcı denildiğinde tatlılık veren her çeşit madde, şeker denildiğinde ise sadece pancar ya da kamıştan elde edilen kristal beyaz şeker (sakaroz) akıllara gelmektedir [4]. Dünyada 2013/14 pazarlama yılı itibariyle şekerin % 80’i şeker kamışı, % 20’si ise şeker pancarından üretilmiştir. Dünya şeker borsa fiyatlarını, ticarete hâkim pozisyonda olan düşük maliyetli kamış şekeri belirlemektedir. Kamış ve pancardan elde edilen şekerler arasında kalite bakımından bir farklılık bulunmamaktadır. Ancak, sadece tropik ve alt tropik bölgelerde yetiştirilebilen şeker kamışının şeker pancarına kıyasla daha düşük maliyetle üretilmesi, işleme maliyetlerinin düşüklüğü gibi nedenlerle pancar şekeri maliyetine göre kamıştan elde edilen şekerin maliyeti daha düşük olmaktadır. Dünyanın en büyük şeker üreticisi Brezilya olup, Brezilya’yı sırası ile Hindistan, AB, Çin ve Tayland takip etmektedir [4]. Şeker kamışı tropik ve alt tropik bölgelerde, şeker pancarı ise daha ılıman bölgelerde yetişmektedir. Şeker pancarından şeker üretimi, şeker kamışından yapılan üretime göre daha pahalı olmasına karşın, birçok ülkede hem şeker sanayine ekonomik katkıları, hem de tarımsal ve sosyal nedenlerden dolayı, çeşitli önlemler alınarak devamlılığı sağlanmaktadır. Türkiye’de de geçmişte şeker kamışı tarımı için denemeler yapılmış, ancak ekonomik olmayacağı anlaşıldığı için vazgeçilmiştir. Türkiye’de şekerin ana hammaddesi şeker pancarıdır. Nişasta Bazlı Şekerler; şeker pancarı ve şeker kamışından üretilen şekerlerin (sakkaroz) dışında, nişasta bazlı hammaddelerden (mısır, buğday, patates) çeşitli kimyasal yollarla üretilen 5 genel olarak glikoz, izoglikoz, fruktoz ve türevlerinden oluşur. Nişasta bazlı şekerler doğrudan tüketilmemekte, daha çok şekerli ürünler sanayiinde girdi olarak kullanılmaktadır. Bu tatlandırıcıların başlıca kullanım alanları; şekerlemeler, şekerli ve unlu ürünler, dondurma, helva, reçel, marmelat, alkollü ve alkolsüz içeceklerdir [14]. Şeker kelimesi genellikle sakkarozun eş anlamlısı olarak kullanılmaktadır. Ülkemizde endüstriyel anlamda şeker, pancar ve mısırdan üretilmektedir. Ülkemizde sakkaroz kökenli ve nişasta kökenli olmak üzere iki tür şeker üretimi bulunmaktadır. Bunlar; pancar şekeri ile glukoz şurubu ve yüksek fruktozlu mısır şurubudur. Bitkilerde bulunan doğal şeker sakaroz, glukoz ve fruktozdan oluşmaktadır. Bu şeker çeşitleri bitkinin yapısında tek başına bulunabileceği gibi bu şekerlerin karışımı da olabilir. Şekerler monosakkaritler, disakkaritler, oligosakkaritler ve polisakkaritler olarak dört sınıfa ayrılabilir. Glikoz, fruktoz ve galaktoz gibi basit şekerler monosakkarit olarak isimlendirilmektedir. Genel formülleri C6H12O6 şeklindedir. Monosakkaritler 5 tane hidroksil grubu (-OH), bir tane karbonil grubu (C=O) ve bir halka yapısından oluşurlar [15]. 2.1.1 Glukoz ve Fruktoz Glukoz ve fruktoz, monosakkarit grubuna dahil olan ve birbirinin izomeri olan şekerlerdir. Basit şekerler olarak da adlandırılan glukoz ve fruktozun kapalı formülleri C6H12O6’ dır. Glukoz en önemli enerji kaynağıdır ve büyük oranda meyve ve sebzelerde bulunmaktadır. Glukoz, molekül yapısında aldehit grubu bulunduğu için bir aldoheksozdur ve yoğunluğu 1.538 g/cm3 ‘dür. Erime noktası 80-86 ºC arasındadır. Doğada yaygın olarak bulunan önemli bir karbonhidrattır. Serbest halde olgun meyvelerde (üzüm, incir ), balda, bitki öz sularında, çoğunlukla fruktozla birlikte bulunur. En çok üzümde bulunduğu için “üzüm şekeri” adı da verilir. Kanda serbest halde bulunur. İnsanda normalde 100 ml kanda 70-90 mg kadardır. Bu nedenle “kan şekeri” de denir. Beynin en önemli yakıtıdır. Kanda en düşük düzeyde iken bile önce beyin beslenir. Glukoz bileşik karbonhidratların çoğunun (sakkaroz, laktoz, maltoz ve polisakkaritlerden nişasta, glikojen ve selüloz ) yapıtaşını teşkil eder. Glukoz suda çok alkolde ise az çözünebilen, orta derece tatlılıkta, beyaz, kokusuz ve kristal yapılı bir maddedir. Karbonhidratlar 6 kana glikoz halinde geçerler ve karaciğer ile kaslarda glikojen olarak depolanırlar. Glukoz sindirim esnasında parçalara ayrılmaz [16]. Meyve şekeri adı da verilen Fruktoz bir ketoheksozdur. Fruktoz serbest olarak tatlı meyvelerde (elma, üzüm, portakal, armut ve muz, üzüm, incir, dut), çiçek tohumlarında ve balda doğal olarak bulunur. Çoğunlukla glikoz ve sakkarozla birlikte bulunur. Fruktoz da glukozla birlikte vücuttaki en önemli enerji kaynaklarından biridir. Fruktozun en önemli özelliği çok tatlı olmasıdır. Fruktoz sakkarozdan 1.73 kez daha tatlıdır. Vücutta glukoza dönüştürülerek kullanılır. Glukoza göre daha fazla enerji verir ve daha güç kristalleşir. Fruktoz yapısal olarak glukoz ile aynı kimyasal formüle sahiptir ancak glukozda birinci karbondaki aldehit grubu yerine ikinci karbonunda keto grubu bulunduran bir monosakkarittir (Şekil 2.1). Monosakkaritlerin tatlılıkları moleküllerindeki hidroksil gruplarından (-OH) kaynaklanmaktadır. Şekelerin tatlılık derecesini saptamak için standart şeker olarak sakkaroz kullanılır. Sakkarozun tatlılık derecesi 100 kabul edilmiştir. Buna göre diğerlerinin tatlılık derecesi Tablo 2.1’ de verilmiştir [16]. Tablo 2.1: Şekerlerin Tatlılık Dereceleri [16]. Şeker Tipi Tatlılık Derecesi Glukoz 72 Sukroz(Sakkaroz) 100 Fruktoz 173 7 Şekil 2.1: Glukoz ve fruktoz moleküllerinin düz zincir şeklinde yazılışı [17]. Şekil 2.2: Glukoz ve fruktoz moleküllerinin suda çözününce aldıkları halka şekli [17]. Bir glukoz molekülü ile bir fruktoz molekülünün bir araya gelmesiyle C12H22O11 formülüne sahip bir disakkarit olan diğer adlarıyla sükroz veya çay şekeri olarak da bilinen sakkaroz molekülü oluşmaktadır(Şekil 2.3). NBŞ (Nişasta Bazlı Şeker) ise 8 mısırdan elde edilen nişasta hidrolizatının içerdiği glukozun, enzimler yardımıyla değişen oranlarda fruktoza çevrildiği bir üründür. En yaygın kullanılan formlarının NBŞ-55 ( %55 fruktoz, %41 glukoz, % 4 glukoz polimerleri) ve NBŞ-42 ( %42 fruktoz, %53 glukoz, % 5 glukoz polimerleri) olduğu bildirilmiştir [18]. Şekil 2.3: Glukoz ve fruktoz moleküllerinin bir araya gelmesiyle sakarozun oluşumu [17]. 2.2 Gıda Sanayiinde Glukoz-Fruktoz Şurubunun Önemi Nişastanın asit ile hidroliziyle tatlı bir madde elde edilmesi 1811 yılına kadar dayanmaktadır. Mısır şekeri ilk kez 1811 yılında Alman kimyacı Kirehhoiff’ un nişastayı seyreltik asitle kaynatarak tatlı bir şeker şurubu elde etmesiyle ortaya çıkmıştır [19]. 1831 yılında bu teknolojiyi kullanarak günde 115 litre şeker şurubu üretebilen bir Amerikan şurup işletmesi kurulmuştur [20]. 1970’lere kadar çok düşük miktarlarda üretilen nişasta bazlı tatlandırıcıların 1976 yılından sonra üretim miktarları önemli derecede artmıştır. 2000’li yıllarda ABD’de yüksek fruktozlu mısır şurubu (YFMŞ) üretimi 8,5 milyon ton ile şeker sektöründeki pazar payını % 45’in üzerine çıkarmıştır. 9 1970’den 1990’yılına kadar yüksek fruktozlu mısır şurubu tüketimi % 1000’den daha fazla artmış ve günümüzde kullanılan toplam tatlandırıcılar içinde yaklaşık % 40’lık bir paya sahip olmuştur [21-22]. Doğal olarak, yüksek fruktozlu mısır şurubu kullanımındaki bu artışa, tüketilen sakkaroz miktarındaki azalış eşlik etmiştir. Yüksek fruktozlu mısır şurubunun sakkaroza göre daha fazla kullanılmasının ve tercih edilmesinin başlıca nedeni ekonomik olarak daha hesaplı ve fonksiyonel olarak daha üstün özelliklere sahip olmasıdır. Batı ülkelerinde 1970’li yıllarda kişi başına yıllık tüketim yaklaşık 0.5 kg iken bu rakam 2000’li yıllarda 35 kg’ı geçmiştir. Günümüzde kullandığımız gıdaların % 40’ından fazlasında YFMŞ bulunmaktadır [23]. Yüksek fruktozlu mısır şurubu üretiminde hammadde bolluğu ve gelişmiş üretim teknolojisi sayesinde ABD’nin ilk sırada yer aldığı görülür. 2013 yılı üretim miktarlarına bakıldığında ABD’ den sonra Çin, Avrupa ve Japonya gelmektedir [4]. Yüksek fruktozlu mısır şurubu (YFMŞ) mısır nişastasından enzimatik hidroliz ile üretilen, sakkaroza alternatif sıvı bir tatlandırıcıdır. YSMŞ sakkarozdan daha ucuzdur ve bazı gıdalara arzu edilen özellikleri kazandırmaktadır. Bu nedenle de gazlı ve meyveli içecekler, çikolata, kek, şekerleme, reçel, marmelat ve jöle gibi birçok işlenmiş üründe yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. 1970’den günümüze YFMŞ tüketimi önemli derecede artmıştır [24]. Temel kullanım alanları gazlı içecekler başta olmak üzere tüm tatlandırılmış hazır içecekler, çikolata, kek, şekerleme türleri, reçel marmelat ve diğer jöle türü yiyeceklerdir. Tadını fruktozdan alan yiyecek ve içecekler doyma hissini geciktirmekte, daha çok tüketilmesine neden olmakta ve ikinci acıkma hissini öne çekmektedir [25]. 10 Tablo 2.2: 2010–2013 Yılları Arasında Dünya HFCS Üretim Miktarları [26]. Ülke 2010 2011 2012 2013 ABD 8,31 8,31 8,25 7,88 Kanada 0,48 0,45 0,44 0,37 Meksika 0,32 0,34 0,35 0,35 Kuzey Amerika Toplamı 9,11 9,09 9,05 8,60 Çin 1,14 1,65 1,71 1,87 Japonya 0,87 0,89 0,89 0,91 Güney Kore 0,24 0,30 0,30 0,26 Tayvan 0,20 0,21 0,19 0,19 Diğer (Asya/Okyanusya) 0,22 0,24 0,26 0,27 Asya/Okyanusya Toplamı 2,67 3,29 3,34 3,49 AB-27 0,70 0,74 0,74 0,74 Diğer(Avrupa) 0,21 0,22 0,22 0,22 Avrupa Toplamı 0,91 0,95 0,96 0,96 Arjantin 0,37 0,35 0,36 0,33 Diğer (Latin Amerika/ Afrika) 0,12 0,11 0,11 0,12 Latin Amerika/Afrika Toplamı 0,49 0,46 0,48 0,45 DÜNYA TOPLAMI 13,18 13,80 13,82 13,49 11 Glukoz ve fruktoz şurupları doğal tatlandırıcı olarak bilinmekte ve pek çok gıda formülasyonunda yer almaktadır. Yüksek besin değerine sahip olan bu şuruplar gıda sektöründe büyük talep görmektedir. Kullanıldıkları yerlere göre;  Nem çekicilik,  Donma noktasının kontrolü,  Parlaklık,  Jel oluşumu,  Fermente edilebilirlik,  Karbonhidrat kaynağı,  Renk oluşturucu,  Yapı, kıvam ve tatlılık verici gibi teknik üstünlük,  Yüksek standart ve süreklilik özelliği, nedenleriyle de tercih edilmektedirler. Glukoz ve fruktoz şurupları; reçel ve marmelat, bisküvi ve kekler ile dondurma üretiminde birlikte kullanılırken; şekerleme, sakız, baklava, helva, lokum, ketçap ve bira üretiminde glikoz şurubu; meşrubat ve meyve suyu üretiminde ise fruktoz şurupları kullanılmaktadır [16]. Ülkemizde glukoz şurubu ve izoglukoz (fruktoz içeren şurup) olmak üzere iki ana grup NBŞ, sadece mısırdan üretilmektedir. Dünyada sadece mısırdan üretilen nişasta kökenli tüm şuruplara, mısır şurubu, glukozla birlikte fruktoz içeren şuruplara HFCS (high fructose corn syrup - yüksek fruktozlu mısır şurubu) denilmektedir. Nişasta kökenli fruktoz içeren şuruplardan yaklaşık % 42 fruktoz ve % 53 glukoz içerenler HFCS-42; yaklaşık % 55 fruktoz ve % 41 glukoz içerenler HFCS-55 olarak adlandırılmakta olup, bunlardan HFCS-55, pancardan elde edilen sakkarozun ikamesi olarak kabul edilmektedir [4]. NBŞ tüketimi ile organizmaya alınan serbest fruktozun sakkaroz yolu ile alınan fruktozdan daha fazla yan etkiye neden olup olmadığı üzerinde çok tartışılan bir konudur ancak NBŞ ile sakaroz arasında NBŞ nin daha ciddi metabolik etkilere yol açtığı konusunda direk bir kanıt bulunmamaktadır [27]. 12 2.2.1 Yüksek Fruktozlu Mısır Şurubu Üretimi Yüksek fruktozlu mısır şurubu mısır nişastasının, kimyasal ve enzimatik hidrolizi ile sıvılaştırma, parçalama ve izomerizasyon aşamaları ile üretilmektedir Mısır nişastasının glukoz ve fruktoza dönüştürülmesinde üç ayrı enzim kullanılmaktadır [28]. Bunlar, alfa amilaz, glukoamilaz ve izomeraz enzimleridir. İlk olarak, uygun ortamda nişasta granülleri alfa amilaz ile hidroliz edilir ve dekstrin zincirleri oluşur. Sonrasında glukoamilaz ile dekstrin zincirleri dekstrin moleküllerine dönüştürülür. Son olarak ise izomeraz enzimi ile glukoz fruktoza dönüştürülür Kompleks bir damıtma ve kombine prosesten sonra farklı fruktoz içerikli (%42, %55 ve %90) şuruplar elde edilmektedir [29]. İlk olarak dekstrozun enzimler ile izomerleşmesiyle %42’lik fruktoz şurubu, daha sonra bu şurup fruktozu tutan kolonlardan geçirilerek %90’ lık yüksek fruktozlu şurup elde edilir. %90’ lık bu şurup %42’lik şurup ile karıştırılarak %55 fruktozlu mısır şurubu elde edilmektedir. Genellikle, doğal tadın korunmasının ve orta seviyede bir tatlılığın arzu edildiği gıdalar ile konservelerde %42’lik; alkolsüz içecekler, dondurma ve tatlılarda %55’lik ve çok az bir tatlandırıcı ile yüksek şeker tadının istendiği gıdalarda %90’lık fruktoz şurubu kullanılmaktadır. Mısır nişastasından yüksek fruktozlu mısır şurubu üretim akım şeması Şekil 2.4’ de gösterilmiştir. 13 Şekil 2.4: Yüksek Fruktozlu Mısır Şurubu Üretim Akım Şeması [24]. 14 2.3 Glukoz ve Fruktoz Ayırmada Kullanılan Yöntemler 2.3.1 Ayrımsal Kristallendirme ile Ayırma Ayrımsal kristallendirme glukoz ve fruktoz karışımının ayrılmasında kullanılan çok eski bir yöntemdir. Yöntemin temeli, sıcaklığın düşürülmesi ile çözünürlüğün azalması ve bununla sonucunda çözünürlüğü düşen maddenin kristal halde çökmesi prensibine dayanır. Bu yöntemle bir çok ayırma çalışması yapılmış fakat saf glukoz ve fruktoz elde edilememiştir [10]. 2.3.2 Kimyasal Reaksiyon ile Ayırma Yöntemin temeli, glukoz veya fruktozdan birinin kimyasal reaksiyona girmesi prensibine dayanmaktadır. Jary ve diğerleri [30] glukoz ve fruktoz karışımını metal karboniller ile reaksiyona sokarak oluşan ürünü hidrolize etmişler ve ayırma işlemini gerçekleştirmişlerdir. Kimyasal reaksiyon yönteminin kullanılabilmesi için reaksiyon sonucunda elde edilen fruktozun çok iyi derecede bir saflaştırma işleminden geçmesi gerekmektedir. Ayrıca bu işlem sonucunda glukozun atık haline gelmesi bu yöntemin önemli bir dezavantajıdır. 2.3.3 Kompleks Oluşturma ile Ayırma Bu yöntemde yapılan çalışmalarda verim %10 ile %20 arasında düşük değerlerde olduğundan dolayı, glukoz ve fruktozun ayrılmasında bu yöntemin etkili bir şekilde kullanılamayacağı sonucuna varılmıştır [10]. 2.3.4 Süperkritik Sıvı Ekstraksiyonu ile Ayırma Bu metotta, çözücü olarak süper kritik sıvılar kullanılmaktadır. Süper kritik sıvı, termo fiziksel olarak sıvı ve gaz arasında özellik göstermektedir. Bu metotta en yaygın kullanılan çözücü karbondioksittir (CO2). 15 Şekerlerin CO2 içerisindeki çözünürlüğü çok düşüktür, ancak alkol varlığında çözünürlük önemli derecede artmaktadır [31]. 2.3.5 Adsorpsiyon ile Ayırma Adsorpsiyon, bir karışımda bulunan sıvı veya gaz haldeki maddelerin katı ya da sıvı faz üzerine tutunması olayı olarak tanımlanmaktadır. Adsorpsiyonda herhangi bir kimyasal olay olmayıp, maddeler adsorbent üzerine fiziksel bağlarla tutunmaktadırlar. Bu fiziksel bağlar elektrostatik kuvvetler, dipol- dipol etkileşimleri ve Van Der Waals kuvvetleridir. Adsorpsiyon olayında sıvı ya da gaz fazda yığın akışkan içerisinde bulunan moleküller önce adsorbent taneciğinin etrafındaki akışkan filmi geçerler ve adsorbent yüzeyine gelirler. Transferde rol oynayan önemli iki faktör vardır. Bunlar moleküllerin akışkan içerisindeki difüzivitesi ve akışkanın adsorbent etrafındaki hidrodinamiğidir. Moleküller yüzeye ulaştıktan sonra adsorbentin içerisine difüzlenirler ve por yüzeylerine tutunurlar. Adsorpsiyon izotermlerle ifade edilmektedir. Adsorpsiyon izotermleri, sabit sıcaklıkta çözelti dengeye geldiğinde sıvı fazda kalan çözünen derişimine karşı birim adsorplayıcı madde başına adsorplanan madde miktarının grafiğe geçirilmesiyle elde edilmektedir. En yaygın kullanılan izotermler Lineer, Freundlich ve Langmuir izotermleridir. 2.3.5.1 Doğrusal (Lineer) Adsorpsiyon Modeli *CKqden  (Eşitlik 2.1) qden: Dengede adsorbent miktarı başına adsorplanan madde miktarı, mgadsorplanan/gadsorbent C*= Adsorpsiyondan sonra adsorbent ile dengedeki çözeltinin derişimi, mgadsorplanan/mlçözelti K= Lineer adsorpsiyon sabiti, mlçözelti/gadsorbent 16 2.3.5.2 Langmuir Adsorpsiyon Modeli Langmuir adsorpsiyon modelinde homojen ve düzgün yüzeylere tutunan yığın akışkandaki moleküller doygun tek bir tabaka oluşturur. Adsorbent yüzeyinde bulunan adsorpsiyon bölgeleri aynı enerji düzeyindedir. * * 0 + CK CQ qden   (Eşitlik 2.2) qden: Dengede adsorbent miktarı başına adsorplanan madde miktarı, mgadsorplanan/gadsorbent C*: Adsorpsiyondan sonra adsorbent ile dengedeki çözeltinin derişimi, mgadsorplanan/mlçözelti K: Langmuir adsorpsiyon sabiti, mgadsorplanan/mlçözelti Q0: Tek tabakalık adsorpsiyon için adsorbent miktarı başına adsorplanabilinecek en yüksek madde miktarı, mgadsorplanan/gadsorbent 2.3.5.3 Freundlich Adsorpsiyon Modeli m Fden CKq 1 *)( (Eşitlik 2.3) Heterojen enerji düzeyleri için ifade edilen bu modelde: KF: adsorpsiyon kapasitesi m: adsorpsiyon şiddetini ifade eden sabitlerdir. Adsorbent ile karışımdaki bileşenler arasındaki etkileşimin ortaya konulabilmesi, uygun adsorbent seçimi ve kromatografik ayırmanın tasarlanması açısından izoterm eğrileri önem arz etmekte ve deneysel olarak belirlenebilmektedirler. Adsorpsiyon izotermlerinin ölçümü için statik ve dinamik (Frontal) olmak üzere iki metot bulunmaktadır. Statik metotta sonuçlar daha güvenilir olmakla birlikte ölçümlerin daha uzun sürmesi, ölçümlerin kısa sürede alındığı frontal (Kromatografik) analiz yönteminin daha çok tercih edilmesini sağlamıştır. 17 Literatürde frontal analiz metodu ve dinamik metotlar kullanılarak yapılan birçok çalışma mevcuttur [7-8-11-32-33]. Azevedo [11], Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografi (Simulated Moving Bed Chromatography, SMBC) sistemi ile yaptığı glukoz-fruktoz şurubu saflaştırma çalışmasında, glukoz ve fruktozun adsorpsiyon izotermlerini kolon doygunluk metodu ile belirlemiştir. Ca formunda Dowex Monosphere 99 Ca+2/320 katyonik iyon değiştirici reçine kullanarak, 0-30 g/l konsantrasyon aralığında ve sıcaklığın 30 ºC’ da tutularak yaptığı deneylerde glukoz ve fruktozun adsorpsiyon izotermlerinin doğrusal(Lineer) davranış gösterdiğini belirtmiştir [11]. Glukoz, galaktoz, sukroz ve laktoz şekerlerinin izotermlerinin belirlendiği 60 ºC sıcaklıkta ve şeker konsantrasyonunun 400 g/L olduğu bir başka çalışmada, Ca, K ve Na formundaki Dowex 50 WX4–400 reçinesine şekerlerin adsorpsiyonu incelenmiş ve izotermlerin non-lineer izoterm modeline uyduğu belirlenmiştir. Bu çalışmada fruktoz için Ca katyonunun diğer katyonlara göre daha fazla seçicilik gösterdiği belirtilmiştir. Frontal analiz metodunun en iyi izoterm belirleme metodu olduğu, desorpsiyon metodunun uzun zaman alması ve saçılan izoterm eğrileri vermesi de ayrıca çalışmada belirtilmiştir [33]. Statik metot kullanılarak endüstriyel şartlarda yapılan bir başka çalışmada ise Dowex Monosphere 99 Ca+2/320, Amberlite CR 1320 Ca, Lewatit S 2568, Diaion UBK 530 reçineleri ile tek bileşenli glukoz, fruktoz, sukroz ve çok bileşenli şekerlerin izoterm eğrileri belirlenmiş ve sukroz dışındaki şekerlerin adsorpsiyonunun lineer izoterm modeline uyduğu belirtilmiştir [8]. Ayrıca bu çalışmada yüksek seçiciliklerinden dolayı şekerler için en uygun adsorbentlerin Dowex Monosphere 99 Ca+2/320 ve Amberlite CR 1320 reçineleri olduğu belirtilmiştir. Literatürde düşük konsantrasyonda katyon değiştirici reçineler ile yapılan çalışmalarda glukoz ve fruktozun adsorpsiyon dengesi doğrusal (lineer) izoterm modeli ile açıklanmış fakat yüksek konsantrasyonda yapılan çalışmalarda glukoz ve fruktozun adsorpsiyon izotermlerinin lineerlikten uzaklaştığı gözlemlenmiştir [34]. 18 2.3.6 Kromatografik Ayırma Kromatografi, bir karışımda bulunan maddelerin, biri sabit diğeri hareketli (taşıyıcı) faz olmak üzere birbirleriyle karışmayan iki fazlı bir sistemde ayrılması ve saflaştırılması yöntemidir. Çeşitli maddelerin bir hareketli faz yardımıyla, bir sabit faz üzerinde, değişik hızlarla hareket etmeleri veya sürüklenmeleri esasına dayanan analitik bir metottur. • Sabit faz: Bu faz bir "katı" veya bir "katı destek üzerine emdirilmiş bir sıvı tabakasından" oluşur. • Hareketli faz: Bu faz bir "sıvı" veya "gazdan" oluşur. Sabit faz, hareketli faz ve karışımda yer alan maddeler arasındaki etkileşimin türünü "yüzey tutunması veya adsorpsiyon" ile "çözünürlük" gibi olgular oluşturur. Şekil 2.5: Kromatografik Kolonda Ayırma Karışımı oluşturan her bir maddenin, sabit faz ile ilişkisi farklı olacağından, ayırım gerçekleşir. Sabit faz ile ilişkisi kuvvetli olan moleküller, sabit faz boyunca yavaş ilerlerken, zayıf ilişkisi olan moleküller, sabit faz üzerinde daha hızlı ilerler. Bu şekilde farklı moleküllerin sabit faz boyunca ilerleme hızları farklı olacağından, sabit fazı farklı zamanlarda terk ederler ve moleküllerin birbirinden ayrılması sağlanmış olur. Kromatografik teknikler hem kalitatif hem de kantitatif alanlarda kullanılmaktadır. Kromatografi ile fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirine benzer olan maddelerin ayrıldığı nitel analizler yapılabilmesinin yanı sıra bileşenlerin miktarlarına ilişkin nicel analizler de yapılabilmektedir. 19 Kromatografi İlk kez Rus botanikçi Mikhail Tswett tarafından 1903 yılında geliştirilen bir yöntemdir. Tswett bu yöntemi bitki pigmentlerinin renkli bileşenlerini ayırmakta kullanılmıştır. Kullandığı kolonda renkli bandlar oluştuğundan, bu ayırma yöntemine “renkli fotoğraf” anlamına gelen kromatografi (chromatography) adını vermiştir. Kormatografi kimya ve biyoloji alanlarında geniş bir şekilde kullanılmakta olup günümüzde sürekli olarak gelişmekte ve yeni uygulama alanları bulmaktadır. Şekil 2.6: Kromatografinin Çalışma Prensibi Şekil 2.6’ da üç farklı maddeden oluşan karışımın sabit faz (reçine) ile dolu kromatografik bir kolon boyunca zamanla ayrılması gösterilmektedir. Hareketli faz içinde çözünmüş bir miktar besleme karışımı kolona verildiğinde karışımı oluşturan bileşenler iki faz arasında dağılırlar. Kolona Hareketli fazın (elüent) verilmesi ile bileşenlerin kolon boyunca yıkanması sağlanmış olur. Bir elüent yardımıyla bileşenlerin sabit faz üzerinden yıkanarak kolonu terk ettikleri bu sürece elüsyon 20 denilmektedir. Bileşenlerin sabit faza olan ilgilerinin farklı olmasından dolayı kolon boyunca farklı hızlarda ilerlemeleri sonucunda bileşenler birbirlerinden ayrılmaktadırlar. Kolon çıkışına bir dedektör yerleştirilirse, kolonu terk eden bileşenlerin zamana bağlı konsantrasyon profilleri elde edilir. Elde edilen kromatogram yardımıyla karışımın nicel ve nitel analizi yapılabilir. Piklerin zamana bağlı pozisyonları karşılaştırılarak karışımı oluşturan bileşenler tayin edilebilmekte (nitel analiz), piklerin altında kalan alanların hesaplanması ile de bileşenlerin karışım içindeki miktarları belirlenebilmektedir. Fruktozca zengin mısır şurubu üretiminde, en yaygın kullanılan ayırma tekniği kromatografik ayırmadır. Kromatografi ile ayırma diğer tekniklere göre daha hızlı olmakta, daha az enerji gerektirmekte ve daha az atık oluşmaktadır. Kromatografik teknikler, ayrılma mekanizmalarına, uygulama biçimine ve faz tipine göre üç ana bölüme ayrılarak incelenmektedir. 2.3.7 Ayrılma Mekanizmalarına Göre Kromatografik Teknikler 2.3.7.1 Adsorpsiyon kromatografisi Yaygın olarak kullanılan kromatografik bir teknik olan adsorpsiyon kromatografisi, karışımdaki bileşenlerin dolgu maddesinin yüzeyinde farklı olarak tutunmaları sonucunda meydana gelen bir ayırma yöntemidir. Katı yüzeye olan farklı adsorpsiyon ilgileri nedeniyle bileşenler birbirlerinden ayrılırlar. Adsorpsiyon denge sabiti büyük olan bileşen katı faz yüzeyinde daha uzun süre tutunurken, adsorpsiyon denge sabiti küçük olan ise daha kısa süre tutunmakta ve hareketli faz ile taşınarak kolonu farklı sürelerde terk etmektedir. Adsorbent yüzeyi ile yüzeye tutunan madde arasında kimyasal bir bağ oluşmamakta, sadece geçici bir fiziksel bağ meydana gelmektedir. Bu fiziksel bağlar, elektrostatik kuvvetler, dipol-dipol çekimi veya Van der Waals kuvvetleri olabilir. Yığın akışkan içindeki moleküllerin adsorbent yüzeyine adsorpsiyonu başlıca üç basamakta gerçekleşmektedir [35]: 21 i. Moleküllerin yığın akışkandan, sıvı filmini geçerek, adsorbent yüzeyine taşınımı, ii. Moleküllerin adsorbent partikülü içerisine difüzyonu, iii. Moleküllerin adsorbent yüzeyine adsorpsiyonu. Şekil 2.7: Adsorpsiyon Mekanizması Birinci basamakta, yığın akışkan içerisindeki moleküller, adsorbent partikülünü saran sıvı filmi geçerek adsorbent yüzeyine ulaşırlar. Bu olayı etkileyen olgular moleküllerin serbest sıvıdaki difüzivitesi ve adsorbent çevresindeki akışın hidrodinamik özelliğidir. İkinci basamakta, adsorbent yüzeyine ulaşan moleküller adsorbentin porları içerisine difüzlenerek tutunacak yüzey bulmaya çalışırlar. Üçüncü basamakta ise moleküller adsorbentin porları içerisinde buldukları bu yüzeylere tutunurlar. bu son basamağın oldukça hızlı gerçekleşmesi sebebiyle, ikinci ve üçüncü basamakların eş zamanlı gerçekleştiği kabul edilmektedir. Adsorpsiyon kromatografisinde kullanılan adsorbent, şu özelliklere sahip olmalıdır: i. Ayrılması istenen bileşenleri parçalamamalı, ii. Ayrılması istenen bileşenler ile kimyasal reaksiyon vermemeli, iii. Adsorpsiyon kapasitesi yüksek olmalı, iv. Adsorpladığı maddeleri kolaylıkla geri vermeli, diğer bir deyişle elüsyonu kolay olmalıdır. 22 2.3.7.2 Partisyon (Dağılma) Kromatografisi Partisyon kromatografisi, birbirleriyle karışmayan iki sıvıdan oluşan bir faz sistemi içindeki maddenin, bu sıvılardaki farklı çözünürlüğüne bağlı olarak iki faz arasında dağılması ve dengeye ulaşması prensibine dayanmaktadır. Ayrılacak olan bileşenin, durgun sıvı ile çözücü arasındaki dağılma oranı ayrılmanın derecesini belirlemektedir. Sistemde maddelerin dağılması sabittir ve partisyon katsayısı (Kd) ile ifade edilmektedir. Partisyon kromatografisinde, hareketli faz gaz veya sıvı; hareketsiz faz ise sıvı bir akışkan oluşmaktadır. Hareketsiz fazı oluşturan sıvı porlu bir destek maddesinin üzerine kaplanır. Her iki faz da sıvı olur ise sıvı-sıvı kromatografisi, hareketli fazın gaz olduğu durumda ise gaz-sıvı kromatografisi olarak adlandırılır. Partisyon kromatografisinde bileşenlerin hareketleri, hareketsiz fazdaki çözünürlüklerine bağlıdır. Çözünürlüğü yüksek olan bileşenler, kromatografi sütununda, çözünürlüğü düşük olan bileşenlerden daha yavaş hareket ederler. Bu hareket sırasında bileşenler iki faz arasında dağılırlar ve partisyon faktörleri arasındaki farktan dolayı birbirlerinden ayrılırlar. 2.3.7.3 İyon Değişimi Kromatografisi İyon değişimi kromatografisinde karışımı oluşturan bileşenlerin ayrılması, ayrılacak olan moleküllerin iyonik grupları ile iyon değiştirici reçinedeki iyonik grupların eşdeğer miktarlarının karşılıklı olarak yer değiştirmesi sonucu maddelerin iyon değiştirici reçineye bağlanması ile sağlanmaktadır. Her iyon türünün teker teker ortamdan elüsyonu ile ayrılma gerçekleşir. Her bir iyon türünün hareketsiz fazdan sökülüp elüent ile sürüklenmesi için gereken şartlar (pH, iyonik kuvvet), iyon türlerinin elektriksel özelliklerine bağlıdır. İyon türlerinin elektriksel özellikleri farkından ayırım gerçekleşir. Kullanılan iyon değiştirici reçinenin anyon veya katyon değiştirmesine göre sırasıyla anyon değişimi kromatografisi veya katyon değişimi kromatografisi olarak adlandırılmaktadır. 23 İyon değişimi kromatografisi ile glukoz ve fruktoz karışımının ayrılmasında yaygın olarak zeolitler, anyon değiştirici reçineler ve katyon değiştirici reçineler kullanılmaktadır. 2.3.7.3.1 Zeolitler ile Kromatografik Ayırma Glukoz ve fruktoz karışımının Kromatografik ayrılmasında zeolitlerin kullanılmasıyla ilgili birçok çalışma bulunmaktadır. Glukoz ve fruktozun moleküler yapılarının büyük olmasından dolayı, kromatografik çalışmalarda genellikle geniş gözeneklli X ve Y tipi zeolitler kullanılmıştır [36]. Ruthven ve diğerleri [37], glukoz ve fruktozun ayrılması için yaptıkları çalışmalarda zeolitlerin ve reçinelerin performanslarını karşılaştırarak Ca formundaki reçinelerin glukoz ve fruktoz ayrımı için en iyi adsorpsiyon seçiciliğine sahip olduğunu göstermişlerdir. Yaptıkları çalışmada CaY zeolitinin düşük kütle aktarım direncine sahip olduğunu, CaX zeolitinin ise glukoz ve fruktoz için hiçbir seçicilik göstermediğini belirtmişlerdir. 2.3.7.3.2 Anyon Değiştirici Reçineler ile Kromatografik Ayırma Anyon değiştirici reçineler endüstride kullanılmamaktadırlar. Bunun nedenleri, anyon değiştirici reçinelerin düşük kararlılıkta olmaları ve istenilen saflıkta fruktoz elde edilememesidir [10]. 2.3.7.3.3 Katyon Değiştirici Reçineler ile Kromatografik Ayırma Büyük ölçekte şekerlerin kromatografik olarak ayrılmasında en yaygın kullanılan maddeler, alkali metal katyonlarını içeren sülfolanmış çapraz-bağlı stiren divinilbenzen (DVB) reçineleridir [10]. Kuptsevich ve diğerleri [10], yaptıkları çalışmalarda farklı formlardaki katyon değiştirici reçinelerin etkilerini incelemişler ve Ca formundaki katyon değiştirici reçinelerin glukoz ve fruktozun birbirinden ayrılması için en uygun reçineler olduğunu saptamışlardır. Vente [33], Ca formundaki katyon değiştirici reçinelerin fruktoz/glukoz seçiciliğinin 1.3 ile 3.9 aralığında olduğunu belirtmiştir. 24 Ca formundaki katyon değiştirici reçinelerin çalışmasında iki farklı ayırma mekanizması görülmektedir. Reçine ilk olarak bir elek görevi görerek büyük moleküllerin reçine içerisine girmesine engel olmaktadır. İkinci olarak ise, farklı kararlılıkta şeker-Ca kompleksleri oluşturarak ayırma işlemini gerçekleştirmektedir. Fruktoz ve galaktoz şekerleri Ca+2 iyonu ile kuvvetli kompleksler oluşturabilmekte iken, glukoz ve sukroz şekerleri oluşturamamaktadır [38]. Glukoz ve fruktozun adsorpsiyon seçicilikleri üzerine anyon ve katyon değiştirici reçinelerle yapılan kesikli sistem çalışmalarında anyonik reçinelerde glukozun, katyonik reçinelerde ise fruktozun adsorpsiyon kapasitesinin daha fazla olduğu bulunmuştur [39]. Ca formundaki katyonik reçinelerin endüstriyel ölçekte de şeker saflaştırılmasında yaygın olarak kullanıldığı bilinmektedir. Glukoz ve fruktozun ayrılması için en yaygın kullanılan reçineler alkali metal katyonlarını içeren sülfolanmış çapraz-bağlı stiren divinilbenzen (DVB) reçineleridir [10]. Bu ayırma işleminde etkin olan mekanizmalar ligand değişimi, iyon değişimi, iyon ayırma, hidrofobik etkileşimler ve Van der Waals kuvvetleridir. Ca formunda kuvvetli asidik katyon değiştirici reçineler kullanılarak glukoz ve fruktozun ayrılma işlemi, ligand değişimi ile gerçekleşmektedir. Ligand değişimi mekanizmasında, reçinedeki metal iyonları ile şeker molekülündeki hidroksil grupları arasında iyon etkileşimleri meydana gelmektedir [32]. Halkalı (piranoz) yapıya sahip olan glukoz ve fruktoz, sulu çözeltide α ve β olarak iki farklı anomer şeklinde bulunurlar. Bu anomerler çözelti içinde birbirleriyle denge halindedirler ve birbirine dönüşebilirler. D-glukoz çözeltisi suda kendiliğinden %64 β-piranoz ve %36 α-piranoz karışımı olarak dengede iken D-fruktoz %68–76 β- piranoz olarak dengede kalmaktadır β-D-glukoz yapısının aksiyal ve ekvatoriyal dizilimi yok iken, α-D-glukoz ve α-D-fruktoz birer tane, β-D-fruktoz iki tane aksiyel ve ekvatoriyal dizimlere sahiptirler. Bu nedenle β-D-fruktoz en fazla adsorplanan 25 bileşendir ve dağılım katsayısı α-D-glukoz’dan iki kat daha fazladır. β-D-glukoz yapısının ise reçineye bağlanma derecesi daha azdır [32]. 2.3.7.4 Jel Filtrasyon Kromatografisi Jel filtrasyon kromatografisi, karışımdaki bileşenlerin molekül büyüklüklerine göre ayrılması esasına dayanmaktadır. Bu yöntemde sabit faz elek görevi üstlenen, bir jel ya da gözenekli organik bileşiktir. Jel partikülün gözenekleri hareketli faz ile doldurulduğunda, partikül şişer ve porlu bir matriks oluşturur. Karışım içerisindeki moleküllerden çapı jel matriksin porlarından daha büyük olanlar jel parçacıklarının içine nüfuz edemez ve parçacıkların aralarından geçmek suretiyle kolondan çıkarlar. Pordan geçebilecek kadar küçük çapta olanlar ise partiküllerin içine nüfuz ederek porlardan geçerler ve difüze olarak kolon boyunca ilerlerler. En küçük yapıdaki moleküller kolondan en son çıkarlar. 2.3.8 Uygulama Biçimlerine Göre Kromatografik Teknikler 2.3.8.1 Düzlemsel Kromatografi Sabit fazın bir düzlem olduğu ya da düzlem üzerinde bulunduğu kromatografik ayırma yöntemi düzlemsel kromatografi olarak adlandırılmaktadır. Düzlem, sabit faz olarak bir kağıt (kağıt kromatografisi) veya cam bir yüzey üzerine yayılmış katı partikül (ince tabaka kromatografisi) olabilmektedir. Kağıt kromatografisinde, kağıttan kesilmiş bir şeridin ucuna ayrılacak olan karışımdan damlatılır ve bu kağıt şerit kapalı bir kapta çözücüye daldırılır. İnce tabaka kromatografisinde ise üzerine ince katı bir film tabakası sürülmüş cam levhanın bir ucuna ayrılacak olan karışımdan damlatılmakta ve yürütme tankına koyulmaktadır. Düzlem üzerinde kılcal kanallardan ilerleyen çözücü, karışımdaki bileşenleri, sabit faza olan farklı ilgileri nedeniyle farklı hızlarla sürüklemekte ve birbirlerinden ayırmaktadır. Kağıt veya levha üzerinde, belli bir süre sonra, bileşenlerin yol aldığı uzaklık ve çözücünün ulaştığı uzaklığın oranı, Rf değeri olarak kaydedilmektedir. Kaydedilen bu değerler kalitatif analizde kullanmaktadır. 26 2.3.8.2 Kolon Kromatografisi Kolon kromatografisi, bir karışımdaki bileşenleri ayırmak için yaygın olarak kullanılan adsorpsiyon kökenli bir katı-sıvı Kromatografik yöntemdir. Bu yöntemde elüent ve sabit fazın karışımıyla hazırlanan çamur, kolon adı verilen ucu musluklu cam boru içine doldurulur. Sıvı karışım bu kolonun üstüne bir defada ilave edilir. Bu işlemden sonra musluktan bir miktar çözücü boşaltılarak, karışımın kolonun üst kısmına emdirilmesi sağlanır. Analiz için en az üç erlen gereklidir. Birinci erlene çözücü, ikinci erlene kolondan ilk çıkan madde ve üçüncü erlene ise, kolonu en son terk eden madde toplanır. Eğer hareketli faz durumundaki çözücü daha polar ise, polar nitelikli bileşenin, çözücü ile etkileşimi tercih eder. Bu nedenle bileşen, kolona tutunmadan (veya çok az tutunarak) yüksek bir geçiş hızına sahip olur. Sabit faz durumundaki katı dolgu maddesinin polar olması durumunda ise, polar nitelikli bileşen kolon ile sıkı bir etkileşim kurar. Bu nedenle kolondan geçiş hızı daha düşük olur. 2.3.9 Faz Tipine Göre Kromatografik Teknikler 2.3.9.1 Sıvı Kromatografisi Kromatografik yöntemler, faz tipine göre sıvı ve gaz kromatografisi olmak üzere ikiye ayrılmakta olup sıvı ve gaz kromatografik yöntemleri de kendi içlerinde kullanılan sabit fazın türüne göre sınıflanmaktadır. Sabit fazın, bir dolgu maddesi üzerine yayılmış sıvı film olarak uygulandığı yöntem, sıvı-sıvı kromatografisi adını almaktadır. Bu yöntemde bileşenler, sabit ve hareketli fazlar arasındaki farklı dağılma eğilimlerinden ötürü birbirlerinden ayrılır. Sıvı-sıvı kromatografisinde, birbiri ile karışmayan iki sıvı sabit ve hareketli faz olarak kullanılmakta ve bu nedenle polariteleri birbirinden farklı iki sıvı seçilmelidir. Sıvı kromatografisinde, sabit faz olarak polar (etilen glikol) ve hareketli faz olarak apolar (hekzan) sıvıların tercih edildiği yöntem normal faz sıvı kromatografisi, sabit faz olarak apolar ve hareketli faz olarak polar sıvıların tercih edildiği yöntem ters faz sıvı kromatografisi olarak adlandırılır. Sabit fazın, katı dolgu maddesi olduğu yöntem sıvı-katı kromatografisi adını almaktadır. Bu yöntemde bileşenlerin birbirinden ayrılması, bunların katı yüzeyindeki farklı adsorpsiyon ilgilerine bağlı olarak gerçekleşmektedir. 27 Sıvı kromatografisinde, hareketli fazın kolon içerisinde ilerlemesi genellikle çok yavaş olup, dolgu maddesinin tanecik çaplarının küçültülmesi veya kolon boyunun uzatılması kromatografik ayrılmanın süresini daha da uzatır. Bu tarz kromatografik analizlerde genellikle, dolgu maddesini oluşturan partikül çapı 100-250 μm ile 40- 70 μm arasında değişim gösterir. Sıvı kromatografisi yönteminin özel bir uygulaması olan, yüksek performanslı/ basınçlı sıvı kromatografisi (HPLC) yönteminde, sabit faz olarak kullanılan dolgu maddelerinin tanecik boyutunun küçültülmesi (5-15 μm) sonucu hareketli faz ile etkileşen sabit faz yüzey alanı büyür ve böylece kolonun etkinliği arttırılmış olur. İnce partiküller ile çok sıkı doldurulmuş olan kolondan hareketli fazın belirli bir hızda geçebilmesi için, sisteme basınç uygulanması gerekir. HPLC, genelde uçucu olmayan organiklerin tespitinde kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem amino asitlerin, proteinlerin, nükleik asitlerin, hidrokarbonların, yağ asitlerinin, karbonhidratların ve antibiyotiklerin belirlenmesinde tercih edilir. Burada taşıyıcı sıvı, sisteme yaklaşık 40 atm basınçta verilir. Bazen kolon öncesinde bir ön kolon bulunabilir. Bu ön kolon, mevcut analizin gerçekleştirildiği kolonun ömrünü uzatmak ve girişim yapabilecek kirletici parametreleri önlemek amacı ile kullanılmaktadır. HPLC yöntemi, bileşenlerin ayrışma performansını arttırması sebebiyle diğer kromatografik yöntemlere göre daha çok tercih edilen bir ayırma tekniğidir. 2.3.9.2 Gaz Kromatografisi Bir karışımda gaz halde bulunan bileşenlerin birbirinden ayrılması için gaz kromatografisi yöntemi kullanılmaktadır. Ayrılma, bileşenlerin katı yüzeylerdeki farklı adsorpsiyon ilgileri yardımıyla gerçekleşmektedir. Hareketli faz olarak helyum, azot veya argon gibi inert gazlar kullanılmakta olup bu gazlara taşıyıcı gaz adı verilmektedir. Kullanılan sabit faz; silika veya alumina gibi bir katı madde ise yöntem, gaz-katı kromatografisi adını almaktadır. Kullanılan sabit faz kiezelguhr gibi inert katı bir dolgu maddesi üzerine tutturulmuş uçucu olmayan bir sıvı film ise yöntem gaz-sıvı kromatografisi adını almaktadır. Bu şekilde kullanılan kolonlara dolgulu kolon adı verilmektedir. Gaz kromatografisi yönteminde ayrıca 0,2-0,5 mm iç çapa sahip, 10-50 m boyunda kapiler kolonlar da kullanılabilmekte ve bu tür kolonlarda verimlilik, dolgulu kolonlara göre daha yüksek olmaktadır. 28 Gaz ve sıvı kromatografisinin uygulama alanları farklı olmasına karşın birçok maddenin her iki kromatografiyle de ayrımı gerçekleştirilebilmektedir. 2.3.9.3 Süperkritik Akışkan Kromatografisi Süperkritik akışkan kromatografisi, sıvı ve gaz kromatografilerinin üstün olan yönlerini birleştiren bir kromatografik tekniktir. Bu teknikte, hareketli faz olarak kritik sıcaklığın üstüne ısıtılmış bir gaz seçilmektedir. Süperkritik sıcaklığının üzerindeki madde, uygulanan basınçtan etkilenmez ve sıvı faza yoğunlaşamaz. Süperkritik akışkanlar, sıvı yoğunluğuna ve gaz viskozitesine sahip oldukları için kromatografik saflaştırma işlemlerinde hareketli faz olarak organik solventlere tercih edilirler. Hareketli faz olarak genellikle karbondioksit seçilmekte ve bu tarz dolgulu kolonlar kullanılmaktadır. Hareketli fazın viskozitesinin düşük, difüzyon hızının yüksek olmasından dolayı, süperkritik akışkan kromatografisinde, sıvı kromatografisine göre ayırım daha hızlı gerçekleşmektedir. Ayrıca süperkritik akışkan kromatografisinde, gaz kromatografisine göre bant genişlemesi daha az gözlenmektedir. 2.4 Sürekli Kromatografi Elüsyon kromatografisi herkes tarafından kabul görmesi, çok yönlü olması ve yüksek çözünürlük kapasitesine sahip olmasından dolayı çok bileşenli karışımların bileşenlerine ayrılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Elüsyon kromatografisinde, hareketli faz içinde çözünmüş bir miktar besleme karışımı, kromatografik yatak boyunca kesikli biçimde kolona verilmekte ve kolona hareketli fazın beslemesi ile bileşenlerin yatak boyunca ilerlemesi sağlanmaktadır. Bir elüent yardımıyla bileşenlerin sabit faz üzerinden yıkanarak kolonu terk ettikleri bu sürece elüsyon denilmektedir. Bileşenlerin sabit faza olan ilgilerinin farklı olmasından dolayı kolon boyunca farklı hızlarda ilerlemeleri sonucunda bileşenler birbirlerinden ayrılmaktadırlar. Sabit faza adsorpsiyon ilgisi fazla olan bileşenin kromatografik kolondan elüsyonu daha yavaş gerçekleşirken, sabit faza adsorpsiyon ilgisi daha az olan bileşenin elüsyonu ise daha hızlı gerçekleşmektedir. 29 Şekil 2.8: Elüsyon Kromatografisi Çalışma Prensibi Kolon kromatografisinde, tüm ayırma işlemleri elüsyon modunda gerçekleşmekte olup hareketli faz kromatografik kolon boyunca sürekli olarak akış halinde olmak zorundadır. 1970’ lerin başında, FDA (U.S Foof and Drug Administiration) ve benzeri kuruluşlar tarafından, ilaç ve gıda endüstrisinde ürün saflığını sağlama konusunda getirilen kısıtlamalar ile kromatografik prosesler daha da önemli hale gelmiştir. Buna örnek olarak, enantiyomerlerin ve biyoteknoloji endüstrisinde enzim, antibiyotik gibi aktif bileşiklerin ayrılması verilebilir. Fakat elüsyon kromatografisinde ürün değerini düşüren bazı kısıtlamalar mevcuttur. Bu kısıtlamalar şu şekilde sıralanabilir:  Fazla miktarda elüent harcandığı için pahalı bir prosestir.  Ayrılacak bileşenler sürekli hareketli faz ile elüsyona uğradıkları için, ürünler kolondan seyrelmiş olarak çıkmakta ve ürünlerin derişik hale getirilmesi için ikinci bir işlemden geçirilmesi gerekmektedir.  Kesikli bir sistem olması sebebiyle birim zamanda elde edilen ürün miktarı çok düşüktür.  Değerli olan katı fazın, kolon boyunca sadece bir kısmı (adsorpsiyonun gerçekleştiği kısımlar) ayırmada kullanıldığı için, katı fazdan yararlanma oranı düşük kalmaktadır.  Hem yüksek saflık hem de yüksek verime aynı anda ulaşmak imkansızdır. 30 Elüsyon kromatografisindeki bu sınırlamalar, proses optimizasyonu ile bir miktar giderilebilmektedir. Örneğin besleme enjeksiyonu tekrarlanması ile elde edilen ürün miktarı veya kolona geri besleme ile ürün safiyeti arttırılabilmektedir. Fakat her iki durumda da seyreltik ürün elde edilmesi ve kesikli sistemin dışına çıkılması mümkün değildir. Yukarıda anlatılan kromatografik teknikler uygun kromatografik ortam ve elüentlerin rahat bulunabilmesi sebebiyle dünya çapında yaygın olarak uygulanabilmektedir. Ancak bu tekniklerin hemen hemen hepsi kesikli işlemlerdir. Diğer yandan, bazı endüstriyel uygulamalarda sürekli işlemler tercih edilebilir. Kesikli işlemlerdeki problemlerin görülmediği sürekli kromatografi sistemini geliştirmek amacıyla geçmiş yıllarda çeşitli denemeler yapılmıştır [40]. Glukoz ve fruktozun ayrılması için geliştirilmiş yarı-sürekli metotlara örnek olarak; Ca formunda katyonik değiştirme reçinesi kullanılarak geliştirilen modellenmiş hareketli yatak (modelled moving bed), akışkan yatak (fluidised bed), döngüsel zonal ayırma (cyclic zonal separation) ve hareketli giriş (moving inlet) metotları verilebilir [10]. Bu metotların yerini daha sonra sürekli ayırmanın yapılabildiği Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografisi (Simulated Moving Bed, SMB) almıştır. 2.5. Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografisi (SMBC) ve Uygulanması Benzetimli Hareketli yatak (Simulated Moving Bed, SMB) kavramı ilk olarak 1960’ ların başında, kromatografik kolonların birbirine seri şekilde bağlanmasıyla, hareketli faz ile katı faz arasında sürekli, ters akış hareketi sağlayan alternatif bir ayırma yöntemi olarak öne sürülmüştür. Bir Amerikan şirketi olan “United Oil Products (UOP)” 1961 yılında, SMB prosesini çok güçlü bir ayırma teknolojisi olarak tanımlamıştır. Bu teknoloji ilk olarak UOP tarafından, “SORBEX” adıyla geliştirilmiş ve kullanılmıştır. Sorbex teknolojisi, ilk ticari ve sürekli ayırma prosesidir. Proseste kullanılan adsorbent ve desorbentin özelliklerine göre farklı birimlere ayrılmıştır. İlk Sorbex birimi olan “Molex” prosesi 1964 yılında, hidrakarbonlardan parafin saflaştırılmasında kullanılmıştır. İkincisi “Parex” prosesi 1971 yılında, C8 aromatik izomerlerinden (m-xylene, o-xylene, ethylbenzene) para- xylene saflaştırılmasında ve “Sarex” prosesi, şeker karışımından glukoz ve fruktoz 31 saflaştırılmasında kullanılmıştır. UOP dünya çapında 130’dan fazla Sorbex prosesinin lisansını elinde bulundurmaktadır. Sorbex SMB birimi elüent, besleme, rafinat ve ekstrat akımlarının pozisyonlarını adsorbent yatağı boyunca periyodik olarak değiştiren bir döner vanadan oluşmaktadır. Bununla beraber akımların pozisyonlarını senkronize olarak değiştiren her kolon arasına yerleştirilmiş bireysel çalışan vanalar da (Novasep, Fransa) alternatif bir SMB uygulama tekniği olarak kullanılmaktadır. SMB teknolojisi, ilk olarak petrokimya ve şeker endüstrilerinde uygulama alanı bulmuştur. Son 10 yıl içerisinde de hızla gelişme kaydetmiş ve biyokimya, farmasötik kimya gibi alanlarda büyük boyutlu ayırma ve saflaştırma işlemlerinde kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde, yıllık kapasitesi milyon tonlara ulaşan birçok SMB tesisi kurulmuştur. Bunlardan en büyüğü, iç çapı 9 metre, yüksekliği 1 metreyi bulan ve 24 kolondan oluşan Güney Kore’ deki tesisdir. Bu tesisde, ’’Eluxyl Proses’’ adı altında SMB ile p-xylene saflaştırılmaktadır [41]. 1990’ ların başından itibaren, başta enantiyomerler olmak üzere eser kimyasalları saflaştırmak amacıyla, laboratuvar ve pilot ölçekli SMB çalışmaları başlamıştır. Böylelikle kesikli Kromatografi ile gram ölçeğinde saflaştırılabilen kiral bileşiklerin, SMB teknolojisi ile ton ölçeğinde elde edilebilmesi mümkün olmuştur. Günümüzde Novasep, Merck, Sandoz gibi birçok ilaç şirketi SMB prosesi ile çeşitli kiral bileşiklerin saflaştırılmasını gerçekleştirmektedir. Şekil 2.9: Laboratuvar Ölçekli Semba Octave SMB Kromatografi Sistemi 32 Literatürde, SMB sistemi ile glukoz-fruktoz karışımının ayrılmasına yönelik birçok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalarda, kolon sayısı, kolon boyutu, elüent ve besleme akış hızları, switching (değiştirme zamanı) gibi parametreler bilgisayarlı simülasyon ortamında değiştirilerek proses üzerindeki etkileri incelenmiştir [42]. Hoshimoto ve diğerleri yaptığı çalışmada [43], Ca formundaki zeolit Y (CaY) ile benzetimli hareketli yatak sisteminde glukoz ve fruktozun ayrılmasını gerçekleştirmiş ve oluşturduğu matematiksel modeller ile deneysel verileri karşılaştırarak CaY zeolitinin fruktoz için seçici adsorpsiyon özelliği gösterdiğini belirtmiştir. Yarı-kesikli ve ters-akımlı adsorpsiyon sistemi ile glukoz ve fruktozun ayrılması için yapılan başka bir çalışmada, birbirine seri bağlanmış ve içleri Lewatit MDS 1368 reçinesi ile doldurulmuş dört kolon kullanılmıştır. Çalışmada, başarılı bir ayırma için elüent/besleme akış hızları oranının yüksek olması gerektiği belirtilmiştir [44]. Azevedo ve Rodriques yaptıkları çalışmada [45], Dowex Monosphere Ca99/320 katyonik reçinesi ile doldurulmuş 12 kolonlu SMB sistemiyle glukoz ve früktozu %90 saflıkta ayırmayı başarmışlardır. Literatürde Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografisi ile biyo saflaştırma çalışmaları da mevcuttur. Bu kapsamda yapılan çalışmalarda, monoklonal antikor, hücre kültür ortamından %90 verimle elde edilmiştir [46]. Plasmid DNA saflaştırılması için yapılan bir çalışmada, kolon ve SMB kromatografisi teknikleri kullanılarak bu iki tekniğin performansını karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, SMB tekniğinin prodüktivitesinin, kolon kromatografisine göre 2 kat üstün olduğu belirtilmiştir. Sürekli bir sistem olan Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografisinin temeli; seri halde bağlı kolonlarda, bileşenlerin ters akımlı adsorpsiyonu iki ayrı akım halinde ayrılmasına dayanmaktadır. SMBC sisteminde kolon içindeki reçinenin kolon boyunca hareketi simüle edilmiştir. Bu simülasyon ile katı faza adsorpsiyon ilgisi fazla olan bileşen katı faz yönünde hareket ederken, katı faza adsorpsiyon ilgisi az olan bileşen sıvı faz ile kolondan çıkmaktadır. 33 Klasik elüsyon kromatografi sistemleri, birim zamanda ve birim sabit faz başına çok az miktarda ürünün saflaştırılabildiği ve ürünün ancak seyreltik halde elde edilebildiği, düşük prodüktiviteye sahip kesikli sistemlerden oluşmaktadır. Benzetimli Hareketli Yatak kavramı elüsyon kromatografisinde karşılaşılan bu kısıtlamaları yenmek için geliştirilmiştir. Klasik elüsyon Kromatografi ile karşılaştırıldığında, SMB kromatografi teknolojisinde, sabit fazın tümünün sürekli olarak karışım ile temasta olmasına bağlı olarak elde edilen yüksek prodüktivite ve bazı uygulamalarda çözücü için % 90’ a kadar tasarruf elde edildiği belirtilmiştir [47]. Benzetimli Hareketli Yatak Kromatografisinin elüsyon kromatografisine göre üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir:  Elüsyon kromatografisinde, kütle transferi için sürücü kuvveti, besleme karışımındaki maddelerin sabit katı faza olan adsorpsiyon ilgilerinin farklılığı oluşturmaktadır. SMB kromatografisinde ise katı faz ile sıvı fazın simüle edilmiş ters akışı (countercurrent flow) ile bu sürücü kuvvet artmaktadır.  SMB kromatografisinde ters akış nedeniyle prodüktivite, elüsyon kromatografisine göre çok daha yüksek olmaktadır. Literatüre bakıldığında, SMB kromatografi ile kesikli elüsyon kromatografinin performansının karşılaştırıldığı bazı uygulamalarda SMB kromatografisiyle yapılan saflaştırma işleminde elde edilen prodüktivitenin elüsyon kromatografisiyle elde edilene göre 4 kat daha fazla olduğu belirlenmiştir [48].  SMB kromatografide, elüent sürekli olarak sisteme geri beslenmekte, böylece daha az elüent harcanmakta; ve buna bağlı olarak, elde edilen ürünler, elüent ile seyrelmemiş olduğundan ürünleri derişik hale getirecek başka bir işlemden geçirilmesine de gerek kalmamaktadır. Literatüre baktığımızda, SMBC ile kesikli kromatografik sistemler karşılaştırıldığında, bazı uygulamalarda, SMBC’ de seyrelme oranının 5 kat daha az olduğu gözlenmiştir [49]. 34  SMB kromatografisinde katı faz kolon boyunca hareket ediyomuş gibi simüle edildiğinden dolayı, reçinenin bileşenleri adsorplama alanı artmaktadır. Böylece reçinede adsorpsiyonun gerçekleştiği aktif hacim, toplam yatak hacminin yaklaşık 50 - 70%’ ini oluşturmaktadır. SMBC ile yapılan çalışmalarda, ortaya çıkan en temel problemin sistemin optimizasyonu olduğu bildirilmiştir [47]. Sistemi etkinliğini artırmak için, saflaştırılacak her maddeye özel, proses optimizasyonu yapılması gerekmektedir. SMB teknolojisi fikri ortaya atıldığı yıllardan itibaren model yaklaşımları ve proses optimizasyonu üzerine çalışmalar yapılmış ve özellikle son 10 yıl içerisinde literatür çalışmaları SMB modelleme ve proses simulasyonu üzerine yoğunlaşmıştır [50-51-52-53-54]. SMBC’ de karşılaşılan bir başka kısıtlama ise, sistemde sadece iki bileşenli karışımların ayrılabilmesidir. İkiden fazla bileşen içeren karışımlarda, ürünler birbirlerinin içerisinde dağılmaktadırlar ve ürünler kirlenmektedir. Bunun önüne geçebilmek için, birbirine seri bağlı iki SMBC sistemi geliştirilmiştir. Bu sistemde ilk prosesin ürünleri, ikinci prosesin beslemesi olarak kullanılmakta olup bu şekilde saf ürün elde edilebilmektedir. Bulunan bir diğer çözüm de geri besleme metodudur. Bu metotta ürün, SMBC prosesine besleme akımı olarak geri beslenmektedir. Bu yollar modifikasyonlar sayesinde SMBC prosesi ile ikiden fazla bileşenli karışımları da ayırmak mümkün olmaktadır. 2.5.1 Gerçek Hareketli Yatak Yaklaşımı (True Moving Bed, TMB) ve Çalışma Prensibi Benzetimli Hareketli Yatak (SMB) kavramı, hipotetik bir yaklaşım olan Gerçek Hareketli Yatak (TMB) kavramından doğmuştur. TMB, dört bölgeden (zone) oluşan, hareketli ve sabit fazların birbirlerine ters yönde hareket ettiğini varsayan hipotetik bir sistemdir. TMB yaklaşımında, prosese iki akım girmektedir. Bunlar, besleme ve elüent akımlarıdır. Besleme akımı içerisindeki bileşenler, A ve B, TMB prosesinde iki ayrı fraksiyona ayrılmaktadır. Başarılı ayırma işleminde, çıkış akımlarından biri (rafinat), adsorpsiyon ilgisi düşük olan bileşence (B), diğer akım (ekstrat) ise, 35 adsorpsiyon ilgisi yüksek olan bileşence (A) zenginleşmektedir. Bu dört akım, sistemi toplam dört bölgeye ayırmaktadır (Zone I, II, III, IV). Her bir bölgenin ayırma işleminde farklı bir görevi bulunmakta ve TMB işlemi esnasında adsorpsiyon ve desorpsiyon olayları aynı anda gerçekleşmektedir. Bileşenin ayrışması, ayırma bölgeleri olan Zone II ve Zone III’ de gerçekleşmektedir. Bu bölgelerde, net akış hızları ayarlanarak A bileşeninin ekstrakt toplama noktasına ve B bileşeninin ise rafinat toplama noktasına doğru taşınması sağlanır. Zone I’ den sisteme elüent beslenerek A bileşeninin desorpsiyonu ve katı fazın rejenerasyonu burada gerçekleşmektedir. B bileşeninin katı faza adsorpsiyonu ve elüentin rejenerasyonu ise zone IV’ de gerçekleşmektedir. Şekil 2.10: Gerçek Hareketli Yatak Sistemi(TMB) çalışma prensibi 36 Şekil 2.11: TMB’ de Kolon Boyunca Konsantrasyon Profilleri Gerçek hareketli yatak sistemi, sonsuz uzunlukta bir yatak gerektirdiği için, hayali bir sürekli kromatografik ayırma işlemidir. Şekil 2.12 (a)’ da sabit faz ile doldurulmuş, klasik kromatografik kolon yatay konuma getirilmiş ve besleme akımı, kolon merkezinden sisteme beslenmektedir. Besleme akımı içerisinde bulunan ayrıştırılacak olan iki bileşenin (A ve B), katı faza adsorpsiyon ilgileri farklı olduğundan kolon boyunca farklı hızlarla ilerlemektedir. Katı faza adsorpsiyon ilgisi düşük olan B bileşeni, katı faz tarafından yeterince tutulmadığından kolon boyunca daha hızlı ilerlemektedir. Katı faza adsorpsiyon ilgisi yüksek olan A bileşeni ise, katı faz tarafından tutulması sebebiyle kolon boyunca daha yavaş ilerlemektedir. A ve B bileşenlerinin kolon içindeki hızlarının sırasıyla, 4 m/s ve 10 m/s olduğu kabul edilebilir. 37 Şekil 2.12(a): TMB çalışma prensibi, kromatografik kolon yatay konumda Sonsuz uzunluktaki yatağın, hareketli fazın akış yönüne ters yönde, B bileşeninin kolon içindeki hızından küçük, A bileşeninin kolon içindeki hızından ise büyük bir hızla hareket ettirildiğini kabul edilebilir(Şekil 2.12 (b)). Yatağın hızının 7 m/s olduğu kabul edilirse, A bileşeni katı yatak yönünde 3 m/s hızla, B bileşeni ise hareketli faz yönünde 3 m/s hızla kolon içinde hareket edecektir. Şekil 2.12(b): TMB çalışma prensibi, katı faz hareketi Başka bir ifadeyle, katı faza adsorpsiyon ilgisi yüksek olan A bileşeni, katı faz tarafından tutulduğundan, katı faz yönünde ilerleyecek, katı faza ilgisi düşük olan B bileşeni ise hareketli faz yönünde ilerleyecektir. Böylece Şekil 2.12(c)’ de gösterildiği gibi katı faza adsorpsiyon ilgileri farklı olan bileşenler kolon içinden iki ayrı fraksiyona ayrılmış bir şekilde çıkacaklardır. 38 Şekil 2.12(c): TMB çalışma prensibi, rafinat ve ekstrat akımlarının ayrılması Besleme akımı ile elüent (hareketli faz) prosese sürekli beslenmekte yatak (Katı faz) ise hareketli faza ters yönde kolon içerisinde sürekli olarak hareket ettirilmektedir ve sonuç olarak, katı faza adsorpsiyon ilgisi fazla olan A bileşeni katı faz yönünde ilerleyerek kolondan çıkmakta ve ekstrakt akımını oluşturmaktadır. Katı faza adsorpsiyon ilgisi düşük olan B bileşeni ise hareketli faz ile elüsyona uğramakta ve hareketli faz yönünde ilerleyerek ekstrakt akımını oluşturarak kolondan çıkmaktadır. TMB’ de, hareketli faz ile sabit (katı) faz ters akış prensibine göre çalıştığından dolayı yüksek safiyette ürün elde edilebilmektedir. Sürekli bir proses olan TMB prosesi, katı fazın kolon boyunca sürekli hareketini gerektirmesi sebebiyle doğan bazı dezavantajlara sahiptir ve teknik açıdan katı fazın yatak içerisinde hareketini sağlamadaki zorluklar nedeniyle sadece yaklaşımdan ibaret kalmış, pratiğe geçirilememiştir. TMB prensibine alternatif olarak, 1961 yılında Broughton ve Gerhold tarafından Benzetimli Hareketli Yatak prensibi (SMB) geliştirilmiştir ve TMB prensibi hayata geçirilmiştir. 2.5.2 Benzetimli Hareketli Yatak Yaklaşımı (SMB) ve Çalışma Prensibi Hipotetik bir yaklaşım olan TMB’ de tek bir kolonda katı fazın hareket ettiği varsayılmakta iken SMB prosesinde sabit yataklı kromatografik kolonlar birbirine seri bağlanmışlardır. TMB kavramındaki, katı faz ile hareketli faz arasındaki ters akış prensibi ise, birbirlerine seri bağlanmış kolonların, giriş (besleme, elüent akımı) ve çıkış (rafinat, ekstrat akımı) portlarının, hareketli faz yönünde, periyodik olarak, belirli zaman aralıklarında, 39 yer değiştirilmesi ile simüle edilmiştir(Şekil 2.13). Sisteme giren ve çıkan akımların senkronize olarak yer değiştirildiği bu zaman ‘’değiştirme zamanı(switching time)’’ olarak adlandırılmakta ve SMB prosesinin en önemli parametrelerinden birini oluşturmaktadır. Başarılı bir saflaştırma işlemi için, diğer proses parametreleri ile birlikte değiştirme zamanının optimizasyonu da şarttır. TMB prosesindeki zone kavramı, SMB prosesi için de geçerlidir. SMB’ de sistem, her birinin en az bir kolonu kapsadığı dört ayrı bölgeye (zone) ayrılmıştır. Besleme ve elüent farklı iki porttan verilir, ekstrakt ve rafinat ise sistemden yine iki ayrı porttan toplanır. Kolonlar otomatik olarak açılıp kapanabilen vanalara bağlıdır. Sistemde enjeksiyon ve toplama noktaları sabit zaman aralıklarında senkronize olarak yer değiştirerek aslında sabit olan adsorbent yatakları hareket ediyormuş gibi simüle edilirler. Şekil 2.13: Benzetimli Hareketli Yatak Sistemi(SMB) çalışma prensibi ve Sistem Boyunca Konsantrasyon Profilleri 40 TMB prosesinde katı faz hareketinin, SMB prosesinde simüle edilmesi değiştirme zamanı, ts, ile gerçekleştirilmektedir. Değiştirme zamanı(ts), ‘’Eşitlik 2.4’’ ile ifade edilmektedir.   s col s Q V t   1 (Eşitlik 2.4) Vcol : kolon hacmi ε : kolon porozitesi Qs : katı faz hacimsel akış hızı SMB ve TMB proseslerini birbirine bağlayan ikinci ifade ise her bir zone (j) için, iki sistemin sıvı faz hacimsel akış hızlarını birbirine bağlayan ‘’Eşitlik 2.5’’ ile verilmiştir.     1 sTMB j SMB j Q QQ (Eşitlik 2.5) SMB prosesinde ‘’Eşitlik 2.4” ve “Eşitlik 2.5’’ sağlanıp seri bağlı kolonların sayısı arttırıldıkça, SMB prosesi, TMB prosesine yaklaşmaktadır. Periyodik karakteri sebebiyle, SMB prosesi hiçbir zaman yatışkın duruma ulaşamaz. Buna rağmen, belirli değiştirme zamanı sonunda, proses, periyodik yatışkın duruma (Cyclic Steady State) gelmektedir. Periyodik yatışkın durumda, her bir çevrimde(Cycle), özdeş rafinat ve ekstrakt konsantrasyon profillerine rastlanmaktadır(Şekil 2.13). SMB prosesinde her bir zone farklı bir görev üstlenmekte ve saflaştırma işlemi boyunca adsorpsiyon – desorpsiyon olayları aynı anda gerçekleşmektedir. Zone I’de adsorbentin (katı faz) rejenerasyonu gerçekleşmekte, zone II’de adsorpsiyon ilgisi düşük olan B bileşeninin (rafinat akımı), ekstrat portuna karışarak ekstrat akımını kirletmesi engellenmekte, zone III’de rafinat akımının, adsorpsiyon ilgisi yüksek olan A bileşeni (ekstrat akımı) tarafından kirlenmesi engellenmekte ve zone IV’de hareketli faz rejenerasyonu gerçekleşmektedir [55]. 41 Başarılı bir SMB prosesi için gerekli başlıca koşullar aşağıdaki gibi sıralanabilir:  Sabit işletme koşulları (besleme konsantrasyonu, akış hızları, değiştirme zamanı, kolon konfigürasyonu) uygulanmalıdır.  İzokratik koşulda çalışılmalıdır. Diğer bir ifadeyle, bütün sistem boyunca aynı elüsyon şiddeti uygulanmalıdır.  Dört zone için, en az dört kolon olmalıdır.  Kolonlar arasında direkt bağlantı olmalıdır.  Besleme ve elüent akımları uygun portlardan sisteme sürekli olarak verilmelidir.  Ürünler, rafinat ve ekstrat portlarından sürekli olarak toplanmalıdır. 42 3. BENZETİMLİ HAREKETLİ YATAK KROMATOGRAFİSİNİN TEORİK ANALİZİ Benzetimli hareketli yatak kromatografisi çalışma prensibi sebebiyle birçok parametreye sahip bir sistemdir. Sisteme ait uygun tasarım parametrelerinin, en doğru şekilde belirlenmesi ancak sistemin doğru bir şekilde modellenmesi ile mümkün olmaktadır. SMB prosesi ile yüksek prodüktivite ve saflık elde edebilmek için model simülasyonları yardımıyla değiştirme zamanı (ts), besleme konsantrasyonu (cF), sistem içi ve sistem dışı akış hızları, optimize edilmesi gereken parametrelerin başında gelmektedir [56]. Sistem içi akış hızları, dört ayrı zone’ daki akış hızlarıdır ve Q1, Q2, Q3 ve Q4 olarak ifade edilmektedir. Sistem dışı akış hızları ise SMB sistemine giren ve sistemden çıkan akış hızlarıdır. Sistem dışı akış hızları, besleme akımı için QF, elüent akımı için QD, rafinat ve ekstrat akımları için ise sırasıyla QR ve QE terimleri ile belirtilmektedir. SMB yaklaşımı ve TMB yaklaşımı arasındaki en temel farklılık, SMB’ deki değiştirme zamanı parametresinin varlığıdır. SMB model yaklaşımında, ürün konsantrasyon profilleri her değiştirme zamanı boyunca bir önceki konsantrasyona bağlı olarak hesaplanmaktadır. TMB model yaklaşımına göre katı faz ve sıvı faz birbirlerine zıt yönde hareket etmesi sebebiyle, değiştirme zamanı parametresi TMB sistem modeli için geçerli değildir. TMB model yaklaşımı esas alınarak sistemin çözümlenmesi, değiştirme zamanı parametresine bağlı SMB model yaklaşımı ile çözüme kıyasla çok daha kolay olmakta ve daha az nümerik hesaplama gerektirmektedir. Bu nedenle genellikle SMB model yaklaşımı yerine TMB model yaklaşımı tercih edilmekte ve TMB modellemesi ile SMB optimum çalışma parametreleri ve ürün konsantrasyon profilleri elde edilebilmektedir. SMB sistemi periyodik, TMB sistemi ise yatışkın durumda çalışması sebebiyle benzer yatışkın durum performansına sahiptirler. Ayrıca SMB sisteminde kolon sayısı arttıkça, TMB prensibine yaklaşmaktadır. Bu nedenle, SMB modellemesinin TMB model yaklaşımı ile yapılması çok büyük hatalara sebep olmamaktadır. Şekil 43 3.1’ de, TMB yaklaşımı ile modellenmiş SMB sistemi için rafinat ve ekstrat konsantrasyon profillerinin simülasyon ve deneysel sonuçları verilmiştir. SMB deney sonuçları ve TMB model yaklaşımı ile elde edilen simülasyon sonuçlarının birbirine çok yakın çıkması, TMB yaklaşımı esas alınarak SMB modellemesinin gerçeğe çok yakın sonuçlar vereceğini göstermektedir. Şekil 3.1: deneysel (nokta) ve simülasyon (düz çizgi) çalışmaları sonucu elde edilen SMB ürün konsantrasyon profilleri [57]. 1990’lı yıllardan sonra literatürde yer alan SMB çalışmalarının çoğunluğu sistem tasarımı ve optimizasyonu üzerine yapılmıştır. Yerel denge kabulü ile yapılan SMB modellemesi ‘’Üçgen Teorisi (Triangle Theory)’’ adı verilen formülasyonun geliştirilmesini sağlamıştır [58-59-60]. Üçgen teorisi, lineer ve lineer olmayan izotermli sistemlerde tam ayrışmanın gerçekleştiği sistem parametrelerinin belirlenmesini sağladığından SMB tasarımı alanında çok önemli bir metot olarak kabul edilmektedir. Fakat Üçgen teorisi yerel denge kabulüne dayandığı için bütün kütle aktarım dirençleri ve eksenel dispersiyon ihmal edilmektedir. Kolon No. Konsant. (mg/ml) Simülasyon Profili Rafinat Ekstrat 44 TMB ve SMB model yaklaşımında aşağıdaki varsayımlar kabul edilmektedir [61]. Her bir zone akış hızı sabittir.  Kolon boşluk kesri, partikül çapı ve porozitesi kolon boyunca sabittir.  Termal etkiler ihmal edilmiştir.  Kolon boyunca basınç düşmesi ihmal edilmiştir.  Kütle aktarım katsayıları, çözelti kompozisyonundan ve akış hızından bağımsızdır. 3.1. TMB Model Yaklaşımı için Matematiksel İfadelerin Türetilmesi SMB modellemesi kapsamındaki literatür çalışmalarının çoğu, TMB model yaklaşımı yardımıyla çözümlenmiş [62] ve birçok çalışmada SMB prosesinin periyodik davranışının, TMB yaklaşımı esas alınarak tahmin edilebileceği gösterilmiştir [63]. TMB model yaklaşımının, SMB model yaklaşımına tercih edilmesinin başlıca nedeni TMB modelinin yatışkın durum performansı ve SMB prensibine kıyasla daha az değişkene sahip olmasıdır. TMB sisteminin yatışkın durum simülasyonu için geliştirilen matematiksel modelde, sıvı faz için "eksenel dispersiyon akış" ve katı faz kütle aktarım hızı için "doğrusal sürücü kuvvet (LDF)" yaklaşımı ele alınmaktadır. Ayrıca adsorpsiyon denge durumu uygun adsorpsiyon izotermi esas alınarak türetilmektedir. Şekil 3.2: Hareketli yatak kromatografisi(TMB) sıvı faz Besleme A+B Rafinat B Ekstrakt A katı faz e lü e n t 45 TMB prosesini tanımlamak için, Şekil 3.2’ deki her bir kolon, sıvı faz akış hızı, j ve katı fazın sıvı faz hareketinin tersi yöndeki akış hızı, us ile ifade edilerek modellenmektedir. Sıvı faz içinde hareket bileşenlerin kütle denkliği Eşitlik 3.1 ile ifade edilmektedir.     2 j,i 2 L j,i s j,i j j,ij,i z c D z q u 1 z c t q1 t c                   Eşitlikte, karışımı oluşturan bileşenler i (i=A, B), TMB’ deki her bir zone ise j (j=1, 2, 3, 4) alt indisi ile belirtilmektedir. ci,j ve qi,j sırasıyla i bileşeninin j zone’ undaki sıvı faz içindeki konsantrasyonu ile katı faz içindeki ortalama konsantrasyonu, DL eksenel dispersiyon katsayısı, ε ise kolon porozitesidir. Eşitlik 3.1’ de sol taraftaki ilk terim, i alt indisi ile belirtilen bileşenin j alt indisi ile belirtilen zone’ da sıvı fazdaki birikiminin zamanla değişimini, sol taraftaki ikinci terim, i alt indisi ile belirtilen bileşenin j alt indisi ile belirtilen zone’ da katı fazdaki birikiminin zamanla değişimini, üçüncü terim bileşenin sıvı konsantrasyonunun kolon boyunca değişimini, dördüncü terim katı faz konsantrasyonunun kolon boyunca değişimini, sağ taraftaki terim ise kolon boyunca görülen eksenel dağılımı ifade edilmektedir. Eşitlikte, j zone’ undaki ‘’interstitial’’ akış hızı j , hacimsel akış hızı cinsinden,   .A/Q jj olarak ve katı faz akış hızı us, kolon uzunluğu ile değiştirme zamanı cinsinden, us= L/ts olarak tanımlanmaktadır. Katı fazdaki bileşenler için kütle denkliği Eşitlik 3.2 ile verilmektedir. Eşitlikte kf film kütle aktarım katsayısı olup q* i,j ise sıvı faz ile dengede olan katı faz konsantrasyonudur.  j,ij,i * f j,i s j,i qqk z q u t q       Eşitlik 3.2’ de sol taraftaki terim katı fazda biriken bileşenin zamanla değişimini, sağ taraftaki ilk terim katı faz konsantrasyonunun kolon boyunca değişimini, sağ (Eşitlik 3.1) (Eşitlik 3.2) 46 taraftaki ikinci terim ise katı faz için adsorpsiyon sürücü kuvvetini ifade edilmektedir. Sıvı faz ile dengede olan katı faz konsantrasyonu, q* i,j uygun adsorpsiyon izotermi ile ifade edilmektedir. Model her tür izoterm tipine uygun olmasından dolayı Eşitlik 3.3 genel izoterm ifadesidir.  jBjAAji ccfq ,, *  Hipotetik TMB ve klasik SMB proseslerinde elüent ve besleme girişleri ile rafinat ve ekstrakt toplama noktaları için denge eşitlikleri sistem içi (Q1, Q2, Q3, Q4) ve sistem dışı akış hızları (QD, QF, QR, QE) ile ilişkilidir. Her bir zone akış hızını temsil eden Qj (j=1,2,3,4), Eşitlik 3.4’ de sırasıyla elüent, ekstrat, besleme ve rafinat akış hızları cinsinden türetilmiştir. R F E D QQQ QQQ QQQ QQQ     34 23 12 41 Eşitlik 3.4’ de verilen sistem içi ve sistem dışı akış hızları ilişkileri yardımıyla her bir zone için A ve B bileşenlerinin konsantrasyon ifadeleri türetilebilmektedir [57]. (Eşitlik 3.3) (Eşitlik 3.4a) (Eşitlik 3.4b) (Eşitlik 3.4c) (Eşitlik 3.4d) 47 4,i in 3,i out R,i FF,i22,i out 33,i in 2,i in 1,i out E,i DD,i44,i out 11,i in ccc QcQcQc ccc QcQcQc     Eşitlik 3.5’ de verilen ifadeler tekrar düzenlenirse Eşitlik 3.6’ da verilen ifadeler elde edilir.   1 ,4,4 1, .. Q cQcQ c DiDi out i in   1,2, i out i in cc    3 ,2,2 3, .. Q cQcQ c FiFi out i in   3,4, i out i in cc  Eşitlik 3.6’ daki ‘’in’’ ve ‘’out’’ üst indisleriyle sırasıyla sisteme giren ve sistemden çıkan akımlar temsil edilmektedir. Son olarak TMB modeli için sisteme ait sınır koşullarının belirlenmesi gerekmektedir. Bu sınır koşulları, kolon girişi (z=0), kolon çıkışı (z=L) ve başlangıç durumu (t=0) için, bileşen konsantrasyonları genel ifadelerinden türetilmektedir. TMB sitemine ait sınır koşulları Eşitlik 3.7 ’de verilmektedir. 0qciçin0t j,ij,i  (Eşitlik 3.6a) (Eşitlik 3.6b) (Eşitlik 3.6c) (Eşitlik 3.6d) (Eşitlik 3.7a) (Eşitlik 3.5a) (Eşitlik 3.5b) (Eşitlik 3.5c) (Eşitlik 3.5d) 48 z cD cciçin0z j,i j L j,ij,i in     1j,i in j,i j,i qqve0 dz dc içinLz  TMB matematiksel modeli, Eşitlik 3.1-3.7 ile çözülebilmektedir. TMB modelinde, katı faz hareketi de model eşitliğine girdiği için yatışkın durum söz konusudur. Bu sebeple, TMB sisteminin analizi, periyodik yatışkın duruma sahip olan SMB yaklaşımına göre daha kolay olmaktadır. Ayrıca SMB sistemindeki seri bağlı kolonların yerini, TMB modelinde dört bölgeye bölünmüş tek bir kolon almaktadır. SMB modelinde ise her bir kolon birbirinden ayrı olarak incelenmekte ve her değiştirme zamanı (periyot) sonunda sistemin sınır koşulları güncelleştirilmelidir. 3.2. Denge-dışı Adsorpsiyon ile SMB Model Yaklaşımının Modifikasyonu Benzetimli Hareketli yatak kromatografisinde alışılagelmiş yerel denge (local equilibrium) kabulü yapılmaktadır. Yerel denge yaklaşımında bileşenlerin sabit fazda partikül (adsorbent) içerisindeki ortalama konsantrasyonu ( q ) ile kolon içerisindeki yığın sıvıdaki konsantrasyonunun (c) dengede olduğu kabul edilmektedir(Şekil 3.3). Bu varsayım ile partikül etrafındaki sıvı film ve partikül içerisindeki olası kütle aktarım dirençleri yok sayılarak dengenin bir anda gerçekleştiği kabul edilmektedir. Yerel denge kabulü yapılan modelleme çalışmalarında band genişlemesine neden olan eksenel dispersiyon terimi ve kütle aktarım dirençleri tek bir terim altında birleştirilmekte ve bu terime görünür eksenel dispersiyon terimi (apperant axial dispersion term) adı verilmektedir. Buna rağmen, eksenel dispersiyon ve kütle aktarım mekanizmaları tek bir terim içerisinde toplanamayacak kadar ayrı olgulardır. İşletme parametrelerinde yapılan değişiklikler sonucu kütle aktarım dirençleri ve eksenel dispersiyon aynı şekilde etkilenmeyecek ve yanlış sonuçlar doğuracaktır. Yapılan kolon dinamiği analiz çalışmalarında sistemin eksenel dispersiyondan çok kütle aktarım dirençlerine hassasiyet gösterdiği gözlenmiştir. Skoog ve diğerleri [64] ve Özdural ve diğerleri (Eşitlik 3.7b) (Eşitlik 3.7c) 49 [65] tarafından yapılan çalışmalarda kromatografik kolonlarda kütle aktarım etkilerinin ihmal edilemeyeceği kanıtlanmıştır. Başka bir ifadeyle, kromatografik kolonlardaki kütle aktarım dirençlerinin, eksenel dispersiyon etkilerinden çok daha farklı kütle aktarım mekanizmalarına sahip olmaları sebebiyle yerel denge kabulü gerçekçi bir yaklaşım olmamaktadır. Buna rağmen birçok araştırmacı tarafından model eşitliklerini basitleştirmesi nedeniyle yerel denge varsayımı kabul edilmektedir. Şekil 3.3: Yerel denge adsorpsiyon modeli, (c ile q dengede) Kütle aktarım dirençlerinin varlığını kabul eden varsayım denge dışı (non- equilibrium) adsorpsiyon modelidir [65]. Denge dışı modelde katının yüzey konsantrasyonu (q* s) ile sıvı film tabakasının iç yüzey konsantrasyonu (c* s) birbiri ile dengede olduğu kabul edilmektedir (Şekil 3.4). Bu modelde işletme sırasında birbirlerinden çok farklı tepkiler veren ve uyum içerisinde bulunmayan kütle aktarım dirençleri ve eksenel dispersiyon terimi hem katı faz hem de sıvı faz için birbirlerinden ayrı incelenmektedir. Böylece, denge dışı adsorpsiyon kabulü ile kolon içerisinde var olan dinamik durum, gerçeği daha iyi yansıtmaktadır. 50 Şekil 3.4: Denge dışı adsorpsiyon modeli (c* s ile q* s dengede) Yerel denge modeline göre ortalama katı konsantrasyonu ( q ) ve yığın sıvı konsantrasyonu (c) dengede iken, denge dışı modelde katı faz yüzey konsantrasyonu (q* s) ile sıvı filmin iç yüzey konsantrasyonu (c* s ) dengededir. Denge dışı modele göre hem katı fazın hem de partikül etrafında oluşan sıvı film tabakasının neden olduğu kütle aktarım dirençleri dikkate alınmaktadır. Bu nedenle denge dışı model, yerel denge modeline göre çok daha gerçekçi bir yaklaşım olarak ortaya çıkmaktadır. Literatürde SMB modellemesine ilişkin yapılan çalışmalarda genellikle yerel denge modeli esas alınmaktadır. Böylece tüm kütle aktarım dirençlerinin görünür eksenel dispersiyon (Da) terimi altında toplanması ile sistem modellemesi basitleştirilmekte ve çözümü kolaylaşmaktadır. Tezin bu bölümünde, SMB kromatografik kolonları için türetilen model eşitliklerinin gerçekçi bir yaklaşım olan denge dışı adsorpsiyon yaklaşımı esas alınarak nasıl çözümlendiği gösterilmiştir. Geliştirilen bu modelde, SMB kolonları içerisindeki kütle aktarımı hem katı faz hem de sıvı faz için ayrı ayrı ele alınmıştır. Kütle aktarım dirençlerini ifade etmek amacıyla katı faz için Ds katı faz yüzey difüzyon katsayısı (cm2/s), sıvı faz için ise kf sıvı film kütle aktarım katsayıları kullanılmıştır. 51 SMB sisteminde i bileşeninin, k kolonu boyunca aktarımı, Eşitlik 3.8 ile verilmektedir.    T ki L ki k kiki NNkBAi z c D z c t q t c ,1,....,1, 1 2 , 2 ,,,                Eşitlik 3.8’ deki ifadede i ve k alt indisleri sırasıyla bileşen ve kolon sayısını temsil etmektedir. TMB yaklaşımının esas alındığı modelleme tekniğinde matematiksel ifadeler dört zone için türetilirken, SMB model yaklaşımında, zone kavramı yerini kolon kavramına bırakmakta ve her bir kromatografik kolon için ayrı kütle denkliği yapılmaktadır. Kütle denkliğinde sol taraftaki ilk terim i bileşeninin sıvı fazdaki birikiminin zamana bağlı değişimini, ikinci terim katı fazda biriken i bileşeninin zamana bağlı değişimini, üçüncü terim i bileşeninin sıvıdaki konsantrasyonunun kolon boyunca değişimini ifade ederken, sağ taraftaki terim ise kolon boyunca görülen eksenel dağılımı ifade etmektedir. Eşitlikte k numaralı kolondaki iç (interstitial) akış hızını k , hacimsel akış hızı cinsinden,   ./ AQkk  olarak ifade etmektedir ( kQ : Hacimsel akış hızı, A = Kolon kesit alanı,  = Kolon porozitesi). Eşitlik 3.8’ de yer alan, “ t q   ” terimi, ortalama katı faz konsantrasyonunun zamana bağlı değişimini ifade etmektedir. Bu ifadede çözünen maddenin sıvı fazdan katı faza aktarım hızı, yığın sıvı konsantrasyonu ile katı faz yüzeyindeki sıvı konsantrasyonu ile denge halinde bulunan sıvı faz konsantrasyonu arasındaki fark (c(z, t)-c* s(z, t)) ile doğru orantılıdır. Bu ilişki eşitlik 3.9’ da gösterilmektedir