Biopolymer production potential from pickle brine effluent through microbial processes
Turşu salamura atıksuyundan mikrobiyal prosesler ile biyopolimer üretim potansiyeli
- Tez No: 827266
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Her geçen gün artan nüfus, kentleşme ve değişen tüketim alışkanlıklarıyla birlikte, plastik kullanımı gittikçe artmaktadır. Bu artış iki ana probleme yol açmaktadır. Bunlar kullanılan plastiklerin ömrünün dolmasıyla atık haline geldikten sonraki yönetimi ve bu plastiklerin üretimi için kullanılan hammaddelerin kaynaklarının tükenme tehlikesidir. Atık sorunu nedeniyle dünya genelinde politik ve çevresel sorunlar yaşanmaktadır. Geleneksel plastikler yenilenemez kaynaklar olan fosil türevlerinden üretilmiş olup doğada parçalanamadığı için imha edilmeleri daha zor ve maliyetli hale gelmektedir. Bu plastiklerin atılması durumunda, doğal yollarla parçalanmaları için yüzyıllar gerekebilir. Plastik üreticileri her ne kadar geri dönüşüm yapıldığını iddia etse de, bu oran %10-12 ile sınırlı kalmaktadır. Plastik atıklar genellikle düzenli depolama sahalarına gönderilir ve bu da denizlerde plastik atık birikimine yol açabilir. Bu plastik atıklar, doğal yaşam ve çevre için bir tehdit oluşturmaktadır. Ayrıca, geleneksel plastiklerin hammaddesi olan petrol türevleri, yenilenebilir olmayan kaynaklardır ve bir gün tükenme tehlikesi bulunmaktadır. Bu yönde konvansiyonel plastiklere alternatif kaynaklar aranmaktadır. Özellikle bu alternatiflerin çevre dostu, doğada parçalanabilen kaynaklar olması önemlidir. Biyopolimerler yeni arayışlar için bir seçenek oluşturmuştur. Biyopolimerler, yenilenebilir kaynaklardan üretilmesine rağmen, maliyet ve verimlilik değerleri açısından çalışmalar sürdürülmektedir. Polimerler dört ayrı kategoride incelenebilir. Bunlar; biyo-bozunabilir ve yenilenemez kaynaklı, biyo-bozunabilir ve yenilenebilir kaynaklı, biyo-bozunamaz ve yenilenebilir kaynaklı, ve biyobozunamaz ve yenilenemez kaynaklı olanlardır. Konvansiyonel plastikler biyo-bozunamaz ve yenilenemez kaynaklı olanlara örnektir. Geri kalan üç kategori de biyopolimerden oluşmaktadır. Bu çalışmada, hem biyolojik olarak parçalanabilir hem de yenilenebilir kaynaklı olarak kategorize edilen polihidroksialkanoat (PHA) biyopolimerlerinin karışık mikrobiyal kültür ile tuzlu salamura atıksuyu kullanılarak üretimi incelenmiştir. PHA, mikroorganizmalar tarafından üretilen ve çevre dostu olması ile bilinen doğal bir biyopolimer türüdür. PHA'lar, biyolojik olarak parçalanabilirlik, yenilenebilirlik, biyolojik uyumluluk ve çok yönlülük gibi özellikleri nedeniyle geleneksel plastiklere göre birçok avantaja sahiptir. PHA'nın metabolik üretimi hem saf kültür mikroorganizmaları hem de karışık mikrobiyal kültür kullanılarak gerçekleştirilebilir. Saf kültür mikroorganizmaları belirli saf substratlar, steril ortamlar gerektirir ve bu da yüksek maliyetler doğurur. Kontaminasyon riski yüksektir ve bu kontaminasyonu önlemek için gereken sterilizasyon yüksek enerji tüketimine yol açar. Karışık mikrobiyal kültür, saf kültür yöntemleri ile karşılaştırıldığında daha sürdürülebilir ve maliyet etkin bir yaklaşım olabilir. Karışık mikrobiyal kültürler, kontaminasyona daha az duyarlıdır, bu sayede işletmesi daha kolaydır ve büyük ölçekli üretime daha uygunlardır. Daha fazla mikroorganizma çeşitliliğine sahiptirler, bu da daha fazla PHA türü ve özelliği elde edilmesini sağlayabilir. Ayrıca, atıksu ve organik atık gibi düşük maliyetli karbon kaynakları karışık mikrobiyal kültürlerle PHA üretiminde substrat olarak kullanılabilir. Bu sayede genel üretim maliyetleri de azaltılmış olur. Bu çalışmada, PHA üretimi karışık mikrobiyal kültür ile gıda endüstrisi atıksuyu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PHA üretiminde atık/atıksuların kullanılması durumunda genel olarak ilk adım, PHA üretimi için gerekli organik asitlerin sağlanması için atık/atıksuya fermentasyon prosesinin uygulanmasıdır. Daha sonra, karışık kültürün PHA depolayan mikroorganizmalarca baskın hale gelmesi için zenginleştirme yöntemleri uygulanır. Kültür zenginleştirme, belirli bir substratta PHA'ları biriktirebilen mikroorganizmaların seçilmesi ve çoğalması için uygulanan bir yöntemdir. Kültür zenginleştirmedeki ilk adım, seçilen substratı kullanabilecek karışık bir mikrobiyal popülasyonun aşılanmasıdır. Aşılamanın ardından kültür, stres koşulları yaratarak PHA'ları biriktirebilen mikroorganizmaları seçmek için kontrollü koşullar altında aklime edilir. Bu koşullar altında, PHA'ları karbon depolama malzemesi olarak biriktirebilen mikroorganizmalar rekabet avantajına sahip olur ve popülasyondaki diğer mikroorganizmalara üstünlük sağlar. Kültür zenginleştirme yöntemlerinden aerobik/anaerobik proseslerde mikroorganizmalar üzerinde oksijen kısıtı ile stres koşulu oluşturulur. Aerobik dinamik besleme prosesinde ise elektron alıcısı yerine karbon kaynağı kısıtlamasıyla stres koşulları oluşturulur ve bu prosesin bir diğer adı açlık/tokluk prosesidir. Tokluk evresinde mikroorganizmaların büyümesi için gerekli koşullar bulunurken, açlık evresinde tükenen karbon kaynağı ile kıtlık ve hücre içi depolama başlar. Bu kültür zenginleştirme prosesinde açlık/tokluk oranı reaktör işletmesi açısından önemli bir parametredir. Bu tezde, turşu salamura atıksuyu, gıda atıklarına örnek olarak PHA üretimi için substrat olarak kullanılmıştır. Bu sayede endüstriyel atıksular için sürüdürülebilir atık yönetimi gerçekleştirilirken, geleneksel plastiklere alternatif olacak biyopolimerlerin üretimi de sözkonusu olacaktır. Bu çevre dostu bir çözüm olup döngüsel ekonomiye de katkıda bulunacaktır. Turşu salamura atık suyunun yüksek tuzluluğu, kültür zenginleştirme yöntemi olarak kullanılan aerobik dinamik besleme rejiminde bir stres koşulu olarak kullanılmıştır. Ayrıca turşu salamura atık suyunun organik asit içeriği çok yüksek ve çeşitli olduğu için, fermantasyon adımına da ihtiyaç duymamaktadır. Atıksu karakterizasyonu için kimyasal oksijen ihtiyacı, klorür, toplam kjeldahl azot, toplam fosfor, pH, uçucu askıdaki katılar parametreleri analiz edilmiştir. Ayrıca PHA ve organik asit içerikleri enstrümantal olarak analiz edilmiştir. Ortalama olarak, salamura atıksuyunun kimyasal oksijen ihtiyacı 19.050±700 mg/L KOİ ve klorür 39.175±1.155 mg/L Cl- olarak ölçülmüştür. Toplam kjeldahl azotu (TKN), toplam fosfor (TP) konsantrasyonları ve pH değerleri sırasıyla 445 ± 18 mg N/L, 32± 46 mg P/L ve 2,95±0,15 olarak belirlenmiştir. Turşu salamura atıksuyunun organik asit içeriği sırasıyla 1.035±290 mg/L asetik asit, 8.365±300 mg/L laktik asit, 5.680±550 mg/L propiyonik asit ve 490±155 mg/L suksinik asit olarak ölçülmüştür. Deneysel çalışmada ardışık kesikli reaktör (AKR) çalışma hacmi 2 L olarak seçilmiştir. Başlangıçta, bu reaktör aklimasyon için günde 1 döngü olarak çalıştırılmıştır. Aklimasyon çalışmaları, 8.065±605 mg/L toplam askıda katı madde (AKM) konsantrasyonu ve 5.775±240 mg/L uçucu askıda katı madde (UAKM) konsantrasyonuna sahip endüstriyel atıksu arıtma tesisinden alınan aktif çamur ile başlatılmıştır. Aktif çamurun salamura atığına aklimasyonu sağlandıktan sonra, kültür zenginleştirme süreci başlamıştır. Bu çalışmada aerobik dinamik besleme (tokluk / açlık rejimi) kullanılmıştır ve stres koşulu olarak atıksuyun kendi içeriğindeki yüksek tuzluluktan yararlanılmıştır. Reaktör beslemesi her döngüde 3.800 mg KOİ/L ve 7.850 mg Cl-/L değerlerine sahip atıksu eklenecek şekilde yapılmıştır. Reaktörün organik yükleme hızı 7,6 g KOİ/L.gün olarak hesaplanmıştır. Ayrıca besleme çözeltisi optimum çevresel koşulları sağlamak için pH'sı 6'ya ayarlanmıştır ve AKR 22°C'lik izotermal bir odada tutulmuştur. Bu çalışmada, ardışık kesikli reaktörde bir çevrim 720 dakika (12 saat) sürmektedir. Çevrim ilk 7 dakikasında besleme yapılacak şekilde 630 dakikalık havalandırma fazıyla başlamaktadır. Takibindeki 80 dakika boyunca havalandırma ve karıştırma durdurularak reaktör çökelme fazına geçmektedir. Çökelme fazının son 10 dakikasında reaktör hacmi V0/VT = 0,5 oranında olacak şekilde üst faz (süpernatant) boşalması yapılmaktadır. Çamur ise, günde bir defa tam karışımlı reaktörden havalandırma fazının sonunda 500 mL hacminde boşaltılmaktadır. Bu şekilde AKR için çamur yaşı 4 gün olarak ayarlanmıştır. Ardışık kesikli reaktör (AKR), 209 gün boyunca çalıştırılmıştır. Sistem performansı haftalık olarak reaktörden örnekler alınarak izlenmiştir. AKR performans izleme çalışmaları kapsamında, uçucu askıda katı madde, organik asit ve PHA ölçümleri düzenli aralıklarla yapılmıştır. AKR'deki ortalama uçucu katı madde konsantrasyonları kararlı durum koşullarında 5.200±1.175 mg UAKM/L olarak ölçülmüştür. Uçucu askıda katı maddelerin toplam askıda katı maddelere oranı ise 0.64 olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma boyunca yüksek tuzluluk sebebiyle reaktör performan izlemesinde AKM yerine UAKM parametre ölçümleri yapılmıştır. Sistemin maksimum PHA depolama potansiyelini görebilmek için döngü içi izleme çalışmaları 3 kez gerçekleştirilmiştir. Böylece, bir döngü süresi boyunca (12 saat) ardışık kesikli reaktörden numuneler alınarak izlenmiştir. Döngü içi izleme çalışmalarında, PHA depolama verimleri sırasıyla 0,48 mg KOİ/mg UAKM, 0,52 mg KOİ/mg UAKM ve 0,59 mg KOİ/mg UAKM olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar literatürde verilen değerleri ile uyumludur. Döngü içi analizlere göre, bu çalışmada kullanılan turşu salamura atıksuyundan üretilen PHA biyopolimerinin HB ve HV fraksiyonlarının ağırlık yüzdesi bakımından oranları sırasıyla %98 ve %2 olarak bulunmuştur ve HB'nin ana monomer olarak gözlendiği tespit edilmiştir. Polimer kompozisyonu, substrat kompozisyonuna bağlıdır ve genellikle HB'nin, asetik asit ve laktik asit içeren substratlarla sentezlendiği bilinmektedir. Bu çalışmada, PHA üretiminde esas olarak zenginleştirilmiş kültürün asetik asidi kullandığı görülmüştür. Salamura atıksuyundaki yüksek konsantrasyondaki laktik asitin ise asetik asite dönüşerek dolaylı yoldan hücre içi PHA depolamasında kullanıldığı görülmüştür. Propiyonik asidin ise hücre büyümesi ve mikrobiyal çoğalma için kullanıldığı düşünülmüştür. Ayrıca, organik yükleme hızının PHA depolama verimine etkisini gözlemlemek için kesikli deney yürütülmüştür. Bu deneyde, ana reaktör beslemesinin (3.800 mg KOİ/L) 2,5 katı olacak şekilde 9.500 mg KOİ/L değerinde organik yükleme yapılmıştır. PHA depolama verimi ise 0,42 mg KOİ/mg UAKM olarak bulunmuştur. Ardışık kesikli reaktöre göre organik yükleme hızı daha yüksek olan besleme atıksuyunun klorür konsantrasyonu 20.000 mg CL-/L olup dolayısıyla tuzluluğu da daha yüksektir. Yüksek tuz konsantrasyonu reaktör içerisinde birikerek performansı olumsuz etkilemektedir. Bu tezde elde edilen sonuçların gerçek gıda atık/atıksularıyla yapılan diğer çalışmalarla karşılaştırılabilir olduğu görülmüştür. Sistemin optimizasyonu ile turşu salamura atıksuyunun PHA üretimine uygun bir substrat olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The use of plastics is increasing every year around the world. This increase brings along both the waste problem and the raw material problem. Due to the waste problem, political and environmental problems are experienced worldwide. Since conventional plastics cannot be degraded in nature, their disposal is being more challenging and costly. When they are discarded, they can take hundreds of years to decompose, leading to a buildup of plastic waste in landfills and oceans. This plastic waste poses a threat to wildlife and the environment. In addition, the raw material for conventional plastics in which petroleum derivatives are non-renewable sources and they will eventually be depleted one day. In this context, use of alternative sources is critical for sustainable development. It is especially important that these resources, which can be offered as alternatives, should be biodegraded in nature and renewable sources. Biopolymers have been considered as new generation bioplastics however studies for optimum cost with high efficiency is still required. In this thesis, the production of polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolymers, which are categorized as both biodegradable and bio-based, with pickle brine effluent was studied. PHA is a type of natural biopolymer that is produced by microorganisms and is known for being eco-friendly. PHAs have several advantages over conventional plastics with their characteristics of biodegradibility, renewable, biocompatibility and versatility. Metabolic production of PHA can be done by both pure culture microorganisms and mixed culture microorganisms. Pure culture microorganisms necessitate specific substrates, sterile environments, and cause high cost. There is a high risk of contamination, and the sterilization is required to prevent this contamination. Mixed microbial culture can be a more sustainable and cost-effective approach compared to pure culture methods. Mixed microbial cultures are less prone to contamination and more suitable for large-scale production. They have a higher diversity of microorganisms, which can lead to a wider range of PHA types and properties. And they can utilize low-cost carbon sources, such as wastewater and organic waste, which can reduce the overall production costs and contribute to circular economy. In this thesis, the production of PHA from pickle industry wastewater is studied with mixed microbial culture. In PHA production with mixed microbial culture (MMC), the carbon feedstock is fermented to produce a mixture of soluble fermentation products (SFP). Then, a community of PHA-storing bacteria is selected and enriched with various enrichment methods. Lastly, the selected culture is utilized to produce PHA, whereby SFP is added to the culture under conditions that limit growth to ensure the culture reaches its highest PHA capacity. In this thesis, the pickle brine effluent was used as feedstock for PHA production. In this context food waste is used for biopolymer production in which waste will be converted to high-value added product. This approach will both minimize the use of non-renewable resources and contribute to circular economy. The featuring characteristics of the pickle brine effluent is that it contains high organic acid content and high salinity. In order to ease the acclimation of the mixed microbial culture to saline conditions, the inoculum was obtained from the pickle industry wastewater treatment plant. The mixed microbial culture (MMC), was first acclimated to high salinity and further enriched for PHA producing MMC with aerobic dynamic feeding (ADF) regime. High salinity of the pickle brine effluent is used for the stress condition for ADF regime. Since the fermented pickle brine effluent includes various organic acids with high concentration, fermentation step was not required for PHA production. The pickle brine effluent had high organic and chloride content, with an average of 19,050±700 mg/L chemical oxygen demand (COD) and 39,175±1,155 mg/L chloride (Cl-), respectively. Total kjeldahl nitrogen (TKN), total phosphorus (TP) concentrations and pH values were 445 ± 18 mg N/L, 32± 46 mg P/L and 2.95±0.15, respectively. The organic acid content of the pickle brine effluent was 1,035±290 mg/L of acetic acid, 8,365±300 mg/L of lactic acid, 5,680±550 mg/L of propionic acid and 490±155 mg/L of succinic acid. In this study, for the experimental set-up, working volume of the the sequencing batch reactor (SBR) was selected as 2 L. Initially, SBR was operated as 1 cycle/day for the acclimation of the MMC to high salinity. The total suspended solids (TSS) concentration and volatile suspended solids (VSS) concentration of the inoculum was 8,065±605 mg/L, and 5,775±240 mg/L, respectively. After the inoculum was adapted to the pickle brine effluent, the culture enrichment process was started. Aerobic dynamic feeding (feast/famine regime) was used for the enrichment. SBR was fed with pickle brine effluent with 3,800 mg COD/L and 7,850 mg Cl-/L per cycle. The organic loading rate (OLR) of the reactor was 7.6 g COD/L.day. Also the pH of the feeding solution was adjusted to 6 to provide optimum environmental conditions and the SBR was kept in an isothermal room at 22°C. One cycle duration was 720 minutes (12 hours) consisted of 7 minutes of feeding, 630 minutes of aeration, 80 minutes of settling and 10 minutes of discharge. Waste sludge was discharged once per day as 500 mL to sustain a sludge retention time of 4 days. The ratio of initial volume to the total volume was 0.5. The SBR was operated for 209 days. The performance of the system was monitored by taking samples weekly from the SBR. Within the scope of SBR performance monitoring studies, volatile suspended solids, organic acid and PHA measurements were done in regular terms. The average volatile solids concentrations in the SBR were measured as 5,200±1,175 mg MLVSS/L at steady state conditions. In order to see the maximum PHA storage potential of the system, in-cycle monitoring studies were carried out. Thus, the SBR was monitored during a whole period of a cyle time (12 hours). The PHA content of the biomass was were found to be 0.48 mg COD/mg VSS, 0.52 mg COD/mg VSS and 0.59 in mg COD/mg VSS, respectively. These results are comparable with the literature. According to in-cycle analysis, HB and HV monomers of PHA biopolymer were found to be 98% (w/w) and 2% (w/w), respectively, and HB was observed as the major monomer. The polymer composition depends on the substrate composition, and it is known that HB is synthesized as a precursor, usually with acetic acid lactic acid-containing substrate. In this study, acetate and lactate were the main organic acid fraction utilized by the enriched culture for PHA production, while the propionic acid was used for growth. In addition, a batch experiment was also carried out to observe the effect of the organic loading rate on PHA storage yield. In this experiment, the organic feeding was 9,500 mg COD/L and the PHA content of the biomass was measured as 0.42 mg COD/mg VSS. The chloride concentration was quite high as 19,600 mg Cl-/L compared to the SBR with 3,800 mg COD/L and 7,850 mg Cl-/L feeding. It was observed that, high salinity reduced the reactor performance with lower PHA productions. Consequently, the results indicate that pickle brine effluent is a promising alternative for PHA biopolymer production with the optimization of the system.
Benzer Tezler
- Evaluation of pha biopolymer production potential of high salinity industrial wastewater
Yüksek tuzlulukta endüstriyel atıksularda pha biyopolimer üretiminin değerlendirilmesi
AYŞE GÜVENTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
- Turşu endüstrisi atıksularının biyopolimer üretim potansiyelinin belirlenmesi
Determination of biopolymer production potential of pickle industry's wastewater
DİLARA ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
- Potential of biopolymer production from apple wastewater through microbial processes
Mı̇krobı̇yal süreçler yoluyla elma atık suyundan biyopolimer üretim potansiyeli
ELİF ERENLER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVİN YAĞCI
DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
- 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
- Peyniraltı suyundan polilaktik asit (PLA) biyopolimeri üretim potansiyelinin araştırılması
Investigation of biopolymer polylactic acid (PLA) production capacity from whey
ONUR SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
KimyaSüleyman Demirel ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AYTÜL SOFU