Evaluation of pha biopolymer production potential of high salinity industrial wastewater
Yüksek tuzlulukta endüstriyel atıksularda pha biyopolimer üretiminin değerlendirilmesi
- Tez No: 574375
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Son yıllarda, petrol kaynaklı plastikler, çevre ve toplum sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle tüm dünyada ana gündem olarak yer almaktadır. Geniş uygulama alanlarına sahip olan plastik endüstrisi, üretim alanlarında oldukça önemli ve vazgeçilmez ürünler olarak yer almaktadır. Ancak plastik hammaddesi olarak sınırlı kaynaklardan petrol ve türevlerinin kullanımından dolayı; artan plastik üretimine bağlı olarak kaynakların tükenmesi söz konusudur. Çevre ve toplum sağlığını korumak adına, geleneksel plastiklerin yerini alabilecek alternatif plastik türevleri için çalışmalar başlatılmıştır. Bu bağlamda, mikroorganizmalar tarafından yenilenebilir atık kaynaklarından üretilen biyopolimerler çevre uyumluluğu sayesinde konvansiyonel plastiklerin yerini alabilecek plastikler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bununla birikte, biyopolimerlerin yüksek üretim maliyetleri, endüstriyel üretim yapılarak piyasada yer edinmesini zorlaştırmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, polyhydroxyalkanoat (PHA) depolayan saf kültür yerine zenginleştirilmiş karışık kültürden oluşan mikroorganizmalar yardımıyla, yüksek tuzlulukta turşu atıksuyu kullanılarak gıda atığından PHA biyopolimerinin üretilmesidir. Atık rejimlerin, mikroorganizmlar için besi maddesi olarak kullanılması üretim maaliyetini azaltıcı faaliyetler kapsamında önemli bir gelişmedir. PHA üretim maliyetinin %40'ının hammadeden kaynaklandığı göz önünde bulundurulduğunda, atık rejimlerin besi maddesi olarak kullanılmasının önemi daha iyi anlaşılacaktır. Ayrıca organik madde kaynağı olarak yenilenebilir kaynakların kullanılması; üretim sürecinde oluşacak atıkların minimizasyonu ve atık yönetimi açısından önemlidir. Polihidroksialkanoatlar (PHA), hücre içi karbon ve enerji depoları olarak çeşitli bakteriler tarafından üretilen ve hücre sitoplazmasında granüller olarak biriken hidroksialkanoatların (HA) polyesterleridir. Bu termoplastik malzemelerin dahil edilen monomer birimlerine bağlı olarak sert kristalli polimere veya elastik kauçuğa benzer çeşitli mekanik özelliklere sahip olduğu bilinmektedir. 80 taneden fazla HA çeşidinin olduğu bilinmektedir. xxiv Son dönemde, PHA depolama mekanizmasının incelenmesi için birçok çalışma yapılmıştır. Açlık/tokluk koşulları altında PHA biriktiren mikroorganizmalara organik madde sağlandığında PHA deolamasının maksimuma ulaşması için uzun açlık sürelerinin uygulanmasının depolamayı olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Bu bağlamda, aerobik dinamik besleme rejimi ile açlık/tokluk ve yüksek tuzlulukta stres koşulları altında PHA depolama kapasitesini en üst düzeye çıkarmak için ardışık kesikli sistemler kullanılarak, deneysel çalışmalar yürütülmüştür. Bu çalışmada, kompozit turşu atıksuyu, konsantre salamura proses atıksuyu ve sentetik substrat (pepton ve asetat karışımı) organik madde kaynağı olarak kullanılmıştır. Sentetik atıksu ile beslenen reaktörün, kontrol reaktörü olması amaçlanmıştır. Böylece PHA depolama kapasitesinin atık türüne göre değişimi incelenmiş olacaktır. Ayrıca turşu endüstrisinin yüksek tuzluluk ihtiva etmesi nedeni ile PHA depolamadaki etkisi incelenecektir. Bu amaçla, karışık kültürün yüksek tuzluluk şartlarına aklimasyonunu sağlamak için turşu endüstrisi atık su arıtma tesisinden aktif çamur alımı sağlanmıştır. Çamur yaşı 8 gün olarak işletilen laboratuvar ölçekli ardışık kesikli reaktörler, PHA depolayan karışık kültürün zenginleştirilmesi amacı ile aerobik dinamik besleme koşulları altında ve açlık-tokluk şartlarında çalıştırılmıştır. Karışık kültür zenginleştirme çalışmaları, içerisinde farklı konsantrasyonlarda organik asit ve tuzluluk olan kompozit turşu atıksuyu (AKR-1) ve konsantre salamura proses atıksuyu (AKR -3) ile yürütülmüştür. Bu iki reaktöre ek olarak, pepton ve asetat içeren sentetik substrat beslenen kontrol reaktörünün (AKR-2) de PHA depolama kapasitesi incelenmiştir. Ayrıntılı çevrim içi izleme ve ardışık kesikli deneyler ile ölçüm yapılarak turşu endüstrisi atıksuyu için en uygun besleme konsantrasyonu ve stratejisi belirlenmiştir. Bu bağlamda, AKR-1 toplam 238 gün, AKR-2 toplam 212 gün ve AKR-3 toplam 60 gün işletilerek PHA depolama kapasiteleri gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, yüksek tuzluluk şartlarında PHA depolayan karışık kültürün zenginleştrilmesinin PHA üretim kapasitesini belirgin bir şekilde arttırdığını göstermiştir. Biyokütlede maksimum PHA depolaması, kompozit turşu endüstrisi atıksuyu ile beslenen AKR-1'de %44 (g KOİ/g UAKM) iken, bu oran pepton ve asetat karışımı ile beslenen AKR-2'de %19 (g KOİ/g UAKM) olarak belirlenmiştir. xxv Bununla birlikte, karışık mikrobiyel kültürün konsantre salamura proses atıksuyu ile yapılan zenginleştirme çalışmaları PHA depolama kapasitesini azaltmıştır. Konsantre salamura proses atıksuyundaki klorür miktarı, komposit turşu endüstirisi atıksuyununun neredeyse 5 katıdır. Ardışık kesikli reakörlerin çok yüksek tuzlulukta sürekli olarak çalışması mikrobiyal aktiviteyi baskılayabilir ve bunun sonucunda zenginleştirilmiş karışık kültürün PHA depolama kapasitesi zamanla giderek azalır. Kesikli yürütülen deneylerde PHA depolama kapasitesinin tek/çoklu besleme rejimine ve atıksu konsantrasyonuna bağlı olarak değişim profili incelenmiştir. En yüksek PHA depolama kapasitesi %64 g KOİ/g UAKM ile çoklu besleme rejiminde ve seyreltik salamura atıksuyu kullanıldığında sağlanmıştır. Karışık kültürün en düşük depolama kapasitesinin sentetik atıksu ile yapılan beslemede elde edildiğini göz önünde bulundurarak; sonuçlar açık bir şekilde, yüksek tuzluluktaki stres koşullarının PHA depolama kapasitesini belirgin bir şekilde arttırdığını göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışma atıkların hammade kaynağı olarak kullanılarak karışık mikrobiyel kültür ile PHA biyopolimer üretiminin mümkün olduğunu göstermketedir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, petroleum based plastics also known as conventional plastics are becoming main concern of the society due to their negative impact on th environment. Plastics have a wide range of application area, which makes them indefeasibily important in production processes. However, petrochemical resources are finite and gradually decreasing because of dramatic increase in plastic production. For the sake of all living species and environment, an alternative type of plastics are introduced instead of conventionally produced plastics. Nowadays, bioplastics that are produced by activated biomass from waste streams are excellent candidates to alternate the conventionally produced plastics, because their environmental compatibility is a new era for the world. However, the high production costs of biopolymers cause insufficient industrial production. The main objective of this study is to produce polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolymers from PHA accumulating enriched mixed microbial cultures, by using high salinity pickle wastewater to reduce the production cost through using food waste and mixed microbial culture instead of raw feedstock and pure culture. Adopting renewable resources as an organic carbon source enables to minimize the waste produced from production processes in behalf of waste management. In this context an experimental study was performed by operating a sequencing batch system to maximize the PHA storage capacity under feast/famine and high salinity stress conditions by aerobic dynamic feeding strategy. In this study composite pickle wastewater, concentrated process brine wastewater and synthetic (peptone and acetate) wastewater were used as substrate. For this purpose, mixed microbial culture was obtained from pickle industry wastewater treatment plant to enhance the acclimation of mixed culture to high salinity. Laboratory scale sequencing batch reactors were operated under aerobic dynamic feeding conditions at a sludge age of 8 days to enrich the mixed microbial culture with PHA accumulation. The enrichment of mixed culture was studied with pickle industry composite wastewater (SBR-1) and concentrated process brine wastewater (SBR-3) in which the organic acid composition and salinity xxii concentrations were different. As a control reactor, peptone and acetate mixture of synthetic substrate was also studied (SBR-2). Detailed cycle measurements and batch tests were performed to investigate the optimum feeding conditions and most proper substrate composition for PHA production with pickle industry wastewater. SBR-1 was operated for 238 days and the control reactor was operated for 212 days. SBR-3 was operated for only 60 days as the system was deteriorated. The results showed that the enrichment of mixed microbial culture in saline conditions increased the PHA production capacity remarkably. The maximum PHA storage in the biomass was 44% (g COD/g VSS) in the SBR-1 fed with composite pickle industry wastewater whereas this ratio was determined as 19% in SBR-2 fed with peptone and acetate mixture. However, the enrichment of mixed microbial culture in concentrated brine wastewater decreased the PHA storage capacity of the mixed microbial culture. The chloride concentration in the brine wastewater was almost 5 fold of the composite pickle industry wastewater and continuous operation of the SBR under very high saline environment might suppress the microbial activity and as a consequence the PHA production capacity of the enriched culture decreased gradually. The effect of multiple/single feeding and different composition of substrate types on PHA production capacity was examined in batch tests. The maximum PHA storage was achieved with multiple feeding regime and diluted brine wastewater with a value of 64% g COD/g VSS. Overall, the results clearly indicated that high salinity stress conditions increased remarkably the PHA storage capacity of the mixed microbial culture as the lowest PHA storage was obtained with synthetic substrate. Consequently, this study demonstrated the possibility of using food waste feedstock for PHA polymer production by mixed microbial culture.
Benzer Tezler
- Süt endüstrisi atıksuyu ve organik evsel katı atığın hammadde olarak kullanılmasıyla karışık kültürden polihidroksialkanoat (PHA) eldesi
Polyhydroxyalkanoate (PHA) production from mixed microbial culture by using dairy wastewater and food waste as raw materials
SELİN KARACA
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN YAĞCI
- Aerobik dinamik beslemeli aktif çamurun farklı döngü sürelerinde PHB depolama yeteneğinin değerlendirilmesi
Evaluation of PHB accumulation ability of aerobic dynamic feeding activated sludge under different cycle time
ŞEBNEM ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
BiyomühendislikKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiBiyomühendislik ve Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. ÖZER ÇINAR
YRD. DOÇ. DR. KEVSER CIRIK
- Effect of feeding patterns and sludge history on substrate storage under anoxic conditions
Anoksik koşullarda besleme şeklinin ve çamur geçmişinin depolama üzerindeki etkisi
ASLI SEYHAN ÇIĞGIN
- Determination of the behaviour of a submerged membrane bioreactor operated at low sludge retention time
Düşük çamur yaşında işletilen batık membran biyoreaktörlerde arıtma performansının incelenmesi
MERVE AYSEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVAL SÖZEN
- Evaluation of plastic hinge length estimations and strain limits of reinforced concrete shear walls
Betonarme perde duvarlar için plastik mafsal boyu yaklaşımlarının ve birim şekil değiştirme limitlerinin değerlendirilmesi
SELİM AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNAL ALDEMİR