Make your own free website on Tripod.com

Food waste

Çay ve Kahve Sanayi

ANA SAYFA
GIDA SANAYINDEKI ATIKLAR
Süt Sanayii
Et Sanayii
Meyve Sebze Sanayii
Yag Sanayii
Çay ve Kahve Sanayi
Standartlar
iletisim

tea.jpg

 

Çay Atıklarından Kafein Eldesi

 

Kafein, ülkemizde önemli bir tarımsal ürün olan ve büyük miktarlarda üretilen çayın en önemli bileşenidir. Kafein, çok yaygın ve farklı alanlardaki kullanımı nedeniyle büyük ticari değer taşımaktadır. Bu nedenle, ekonomik üretim proseslerinin geliştirilmesi son derece

önemlidir.

 

Kafein ilaç sanayiinde sodyum benzoat ve sodyum salisilat gibi karışım temel maddesi olarak yaygın bir şekilde kullanılır.

 

 

caffeine.jpg

 

Caffeine (C8H10N4O2 )

 

 

 

Kafein ilk defa 1820’de Runge tarafından kahve çekirdeklerinden izole edilmiştir ve yapısı E. Fischer tarafından aydınlatılmıştır (McKetta, 1977). Kafein, purin sınıfı alkoloidler grubunun en önemli üyesi olup, çayda ve kahvede yüksek oranda, kakao ve kolada ise daha düşük oranlarda bulunur. Saf ve katı halde beyaz toz veya parlak görünümlü iğneler şeklindedir. Suda yüksek oranda çözünür (50 g kafein / 100 g su). Sudan kristallendirilerek eldesinde 1 molekül kristal suyu ile, çözücüden kristallendirildiğinde ise susuz olarak elde edilir. Monohidrat formundaki kafein 100 oC’de anhidrat formuna kolaylıkla dönüştürülebilir. Anhidrat kafein 235 oC’de erir. Kokusuz ve kötü bir tadı olan kafein, atmosferik basınçta 176 oC’de bozunmaksızın süblime olur.

 

kafein.jpg

 

 

Tarihsel olarak incelendiğinde, kafeinin üretimi başlangıç maddeleri ve proses maliyetlerine bağlı olarak çay ve kahve gibi doğal maddelerin ekstraksiyonu, kakao gibi maddelerin ekstraksiyonu ve metilasyonu,ürik asit veya üre ile klorasetikasitten yola çıkarak tamamen sentetik yöntemlerle yapılabilmektedir. 1945’li yıllara kadar sentetik kafein üretiminin büyük bir kısmı kakao kabuğunda ve atığından ekstrakte edilen teobrominin metilasyonu ile üretilmekteydi. 1945’ten sonra ise kakaodan ziyade çay atıklarından üretimi önem kazanmıştır. Ayrıca kafeinsiz kahve üretiminde yan ürün olarak kazanılması da mümkündür (Katz vd., 1985; Zosel, 1974).

             Kolalı içecekler için giderek artan kafein ihtiyacı, günümüzde genellikle sentetik yöntemlerle karşılanmakta ise de, tarıma dayalı ülkelerde olduğu gibi ülkemizde de çay ve çay atıklarından üretimi, prosesin ekonomikliği sebebiyle giderek önem kazanmaktadır. Çay bitkisinin kafeinin içeriği sürgün dönemlerine, genetik özelliklere, toprak koşullarına ve kültürel önlemlere göre değişmektedir (Chougley, 1982). Kafeinli bitkilerin içerdikleri kafein miktarları %1,1-7,9 arasında değişmekte olup bu oran çay atıklarında % 0,56-3,09 civarındadır. Çeşitli kafeinli bitkilerde ki kafein miktarları Çizelge 1’de gösterilmiştir. Kafeinin çay atıklarından üretimi esasen üç aşamadan ibarettir (Kirk-Othmer, 1981). Bunlardan ilki, çay atıklarının sıcak su ile katı-sıvı ekstraksiyonuna tabi tutulmasıdır. Buradan elde edilen sulu ekstrakt, ikinci aşamada kloroform gibi kafeini iyi çözebilen bir çözücü ile sıvı ekstraksiyona tabi tutulur. Son aşama ise çözücünün geri kazanımı ve ham kafeininin saflaştırılmasından ibarettir. Bu prosesin ekonomik açıdan en önemli adımı kafeinin sulu fazdan organik fazına alınması işlemidir. Bu açıdan kafeinin organik faza mümkün olduğunca fazla miktarda geçmesini sağlayacak çözücülerin ve şartların belirlenmesi ekonomik bir üretim prosesi için büyük önem taşımaktadır ve bu konuda çeşitli araştırmalar yapılmaktadır (Bilgin, 1998; Hirsbrunner, 1998; Seibert, 1988).

 

 
 

 

Çizelge. Kafeinli bitkilerin ve çeşitli fabrikalardan alınan çay örneklerinin içerdikleri kafein miktarları (Kaçar, 1991; Sezik vd., 1975)

 

caygraf.jpg

 
 
  

Kafeinin çay yapraklarından ayrılmasında karşılaşılan sorun çayın bileşimidir. Çayda kafeinin yanında birçok bileşik vardır. Bunlar;

 

*Selüloz, bitkinin  yapı materyalini oluşturur.Suda çözünmediği için kafeinin ayrılamsında sorun yaratmaz.

*Kafein, çay yaprağında bulunan suda çözünen bileşendir. Çay yaprağının ağırlık olarak %5 ini oluşturur.

*Taninler, büyük molekül ağırlığına sahip suda çözünen bileşendir. Çaya rengini verir. Taninler phenol gruplarını içerirler, bunlar asidiktir.

*Ayrıca çay yaprakları flavonoid pigmentlerini ve klorofili yapısında bulundurur. Bu bileşenler de suda çözünürler.

 

Kafein, organik solvent ve su kullanılarak çay atıklarından ayrılabilir. Çay atıklarından ayrılan kafein süblimleştirilerek saflaştırılabilir. Organik bileşeni tanımlamanın bir yolu ise onun türevini hazırlamaktır. Kafein organik olduğu için asitten proton alarak tuzunu oluşturur.

 

formlcay.jpg

 
 
    Çay atıklarından kafein eldesi işlem aşamları;

Kafein çok kademeli ekstraksiyon sistemi ile çay atıklarından elde edilebir.

*Ön işlemler

*Ekstraksiyon

*Ekstraksiyon sonrası işlemler olarak incelenebilir.

Ön İşlemler;

            Çay atıkları, kireç ve su önceden belirlenmiş miktarda karrıştırılırlar. Karıştırma işlemi sonrasında yüksek sıcaklıkta karıştırmalı pişiricide işleme devam edilir. Yüksek sıcaklık uygulaması ile kafein ekstraksiyonun verimini arttıracak dokuya ulaşmış olunur.

 
 
Ekstraksiyon:

            Uygun solvent ile kafein çay atıklarından ekstrakte edilir. Ekstraksiyon sonunda sovent geri kazanılır ve tekrar sisteme geri beslenir ve sonuç olarak ham kafein elde olunur. Ekstraksiyo işlemi kontinue olarak gerçekleşir. Atıklar solvent ile paralel durumda karşılşırlar.

            Kafein miselladan , solventin buharlaştırılmasıyla ham kafein olarak elde edilir. Solvent – su karışımından su ayrıldıktan sonra solvent sisteme geri beslenebilir. Kafeini ayrılmış çay atıklarına da  ısıtma işlemiuygulanarak solvent geri kazanılır.

 

Ekstraksiyon sonrası işlemler;

Ham kafein  önce wax lardan ayrılması için sıcak suda çözdürülür. Bu renkli çözelti aktifleştirilmiş charlcoal ile muamele edilir ve filtreden geçirilir. Renksizleştirilmiş kafein çözeltisi  buharlaştırılarak konsantre edilir ve kristalize olur. Kafein kristalleri santifugasyon ile ana çözeltiden ayrılır.

Kafein , paketlemeden önce bir kutucuda kurutulur ve toz haline getirilir.

Günümüzde çay atıklarından kafein eldesi çalışmalarıyla ilgili pek çok araştırma yapılmaktadır.

Ö. Vatan ve ark., 2000, yaptığı  kafeinin su ve etil asetat/ kloroform karışımı arasındaki dağılma katsayılarının ortam asitliğine bağlı olarak değişimi ile iligili çalışmada kafeinin su ve etil asetat/kloroform karışımı arasındaki dağılma katsayılarının pH’a bağlı olarak değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada bu iki çözücünün farklı oranlardaki karışımları kullanılmış ve beklendiği gibi karışımdaki kloroform yüzdesi arttıkça dağılma katsayısının arttığı görülmüştür. %20 Etil asetat ve % 80 kloroform içeren karışım ile bu çalışmaya ait maksimum dağılma katsayısı olan 10,763 değerine ulaşılmıştır.

Saldana ve ark. tarafından yapılan “Methylxanthines’lerin çay yapraklarından süperkritik CO2 ile ekstraksiyonu” çalışmasında ; mate çayından methylxanthineslerin ( caffeine, theophylline and theobromine) ekstraksiyon datalarını elde etmek amaçlanmış.

Caffeine (1,3,7-trimethylxanthine), theophylline (1,3-dimethylxanthine) ve theobromine (3,7-dimethylxanthine); mate çayının yapraklarının doğal bileşenleridir. (Suzuki and Waller, 1988; Clifford and Ramirez, 1990; Saldaña et al., 1999). İnsan vücudunda bu alkoloidler sinir, dolaşım,kas sistemini uyarıcı etkilerde bulunurlar. Bu alkoloidler, kola gibi içeceklerde ve uyarıcı,diüretic etkisinden dolayı eczacılıkta kullanılmaktadır.

Kafein, organik çözücü (dimethyl chloride) ya da su kullanılarak çay yapraklarından ayrılabilir (Saldaña, 1997). Fakat organik çözücü kullanımı ile üründe toksik kalıntı kalma riski oluşur. Ayrıca, çözücü olarak suyun kullanımı seçici olayan bir ekstraksiyon işlemine ve tat bileşenlerinin kaybına yol açar (Mazzafera and Carvalho, 1991). CO2 ise( CO2 ile super kritik ektraksiyonda) kritik sıcaklığının (32 oC) düşük olması, toksik etki göstermemesi ve ucuz olması nedeniyle tercih edilir.

Saldana ve arkadaşlarının yaptığı çalışma sonucunda; 343.2 K ve 25.5 Mpa da ekstrakte edilen kafein miktarı , 313.2 K ve 13.8 Mpa da ekstrakte edilen kafein miktarını 2,7 katı olduğu bulunmuştur. Ayrıca ekstraksiyon hızının öğütülmüş hammadde de daha hızlı gerçekleştiği saptanmıştır.

cizgi.gif

kahve.jpg

 
 
 
   

Kafeinsiz kahve üretiminden kafein eldesi ;

 

Saf  kafein beyaz bir tozdur ve çeşitli doğal kaynaklardan ekstrakte edilebilir.

           

Su ile ekstraksiyon;

 

                     Kahve çekirdeği suyun içine bırakılır. Bu su kafeini çözer fakat bunun yanında aroma bileşiklerini de alır. Daha sonra aktif charcoal dan geçirilerek kafein ayrılır. Bu su tekrar kave çekirdekleri içine koyularak buharlaştırılır, böylece iyi tatda kafeinsiz kahve elde edilir. Kafeinsiz kahve üretiminde ayrılan atık kafein içecek ve ilaç sanayiine satılarak değerlendirilir.

 

Süper kritik CO2 ile ekstraksiyon;

 

                     Süperkritik CO2 kafein için polar olmayan iyi bir çözücüdür. Ayrıca organik çözücülerden daha güvenlidir. Kahve çekirdekleri boyunca ortalama 31.1 °C sıcaklıkta ve 73 atm basıçta CO2 uygulanır. Bu koşullarda CO2 süperkritik özellikte, gaza benzer kahve çekirdeğinin içine nüfus etme özelliğne sahip olur.Ayrıca bu koşullarda CO2, kaffeinin % 97-99 unu çözebilen sıvı özelliğine sahiptir. Daha sonra bu karışımın üzerine yüksek basıçta su püskürtülmesi sonucunda kafein ayrılır. Bu kafein daha sonra distilayon, rekristalizasyon veya ters osmoz kullanılarak saflaştırılabilir.

 

Tehlikesiz organik solvent kullanımı;

 

                  Organik solvent olarak ethyl acetate  kullanımı aromatik solventlerden daha tehlikesizdir. Diğer yol ise kullanılmış kahve telvesinden elde edilen trigliserit yağının kullanılmasıdır.

 

cizgi.gif

kitap.gif

Kaynaklar

 

·        Amarasinghe B.M.W.P.K. and Williams  R.A. , 2 November 2006, Tea waste as a low cost adsorbent for the removal of Cu and Pb from wastewater , Chemical Engineering Journal

·        Reza, F., Gholam, G., and Mohammad K., 2007, Tea waste as a low cost adsorbent for the removal of Cu and Pb from wastewater , Food Chemistry Volume 100, Issue 1

·        Saldaña, M.D.A., Mohamed, R.S, and Mazzafera, P., 2005, Supercritical carbon dioxide extraction of methylxanthines from mate tea leaves, Brazilian Journal of Chemical Engineering, Print ISSN 0104-6632

·        Vatan, Ö., Hasdemir, İ.M., İnci, İ., Bilgin, M., Aydın, A., Ekim 2000, Kafeinin su ve etil asetat/ kloroform karışımı arasındaki dağılma katsayılarının ortam asitliğine bağlı olarak değişimi, DEÜ Mühendislik Fakültesi ve Mühendislik Dergisi, Cilt: 2 Sayı: 3

·        http://www.usask.ca/chemistry/aboutus.html, Experiment Isolation of Caffeine from tea, Department of Chemistry University of Saskatchewan, ( 22.05.07)

 

icon_back_to_top.gif