Endüstriyel atıksu akımlarından biyoplastik elde edilmesi
Bioplastic production from industrial wastewater streams
- Tez No: 931781
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZLEM KARAHAN ÖZGÜN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 170
Özet
Dünyada plastik üretimi ve kullanımı her yıl artmaktadır. Biyoplastikler, şu anda yıllık üretilen 414 milyon tondan fazla plastiğin yaklaşık %0,5'ini temsil etmektedir. Son birkaç yılın ardından durgunluk döneminin sonrasında, küresel plastik üretimi 2023'te tekrar artış göstermiştir. Küresel biyoplastik üretim kapasitesinin, 2024'te yaklaşık 2,47 milyon tondan 2029'da yaklaşık 5,73 milyon tona önemli ölçüde artması beklenmektedir. Yüksek tüketimin yol açtığı plastik kirliliği dolayısı ile gerek sucul gerekse karasal kirlenmenin boyutu giderek artmaktadır. Sıfır atık gibi yeşil yaklaşımlar plastik kullanımının azaltılması konusunda önemli bir yol kat edilmesini sağlamakla birlikte, günümüzde kullanımından kaçınılamayacak kadar çok işlevsel hale gelmiş plastik ürünler için çevre dostu alternatiflerin araştırılması da büyük önem taşımaktadır. Biyoplastikler çevresel sorunları çözmek için mevcut seçeneklerden biri olarak ortaya çıkmaktadır. Polihidroksialkanoatlar (PHA'lar) en yaygın kullanım alanı bulan biyolojik olarak ayrışabilen biyopolimerlerdir. Biyopolimerlerin üretimi endüstriyel olarak saf kültürler ve özel besi maddeleri kullanılarak gerçekleştirilmekte ve bu üretim sonucunda elde edilen biyoplastikler oldukça pahalıya mal olmaktadır. Özellikle plastik atıklarının azaltılması için tek kullanımlık plastiklere tüm dünyada getirilen kısıtlama ile birlikte biyoplastiklere olan ihtiyaç daha da artmıştır. Ancak atıksu arıtma tesislerinde bulunan karışık aktif çamur kültürlerinin de biyopolimer depolayabildiklerinin anlaşılması ile birlikte, atıksulardan biyoplastik hammaddesi olan biyopolimerlerin elde edilmesi konusundaki çalışmalar hız kazanmıştır. Karışık kültürlerin biyopolimer depolamasına ilişkin çalışmalarda karşılaşılan en önemli sorun ise işlemin fizibilitesi olmuştur. Son 10-15 yılda gerçekleştirilen birçok araştırmada uygun atıksular ve uygun işletme koşullarının bulunması halinde aktif çamur kültürü ile biyopolimer üretiminin ekonomik olarak uygulanabilir hale getirilebileceği ortaya konmuştur. Bu tez kapsamında tekstil endüstrisi, bulgur endüstrisi ve atık bitkisel yağlardan biyodizel üretim prosesi atıksularının doğrudan ya da fermentasyon sonrası kullanılarak elde edilen polihidroksibütirat (PHB) başta olmak üzere PHA türleri, miktarları ve en fazla biyopolimer üretilebilecek işletme koşulları ile biyopolimerin yapısına ve çevreye zarar vermeyecek ekstraksiyon yöntemleri araştırılmıştır. Seçilen tekstil endüstrisi atıksuyu içeriğindeki asetat sayesinde doğrudan depolama için kullanılabilmiş, bulgur atıksuyu için yapılan ön fermentasyon çalışmaları depolama için kullanılacak uçucu yağ asitlerinin etkisini ve optimizasyonunu sağlamaya imkan vermiş, atık bitkisel yağlardan biyodizel üretim prosesi atıksuyu (ham gliserol) ise PHA depolama mekanizmasında yağ üzerinden depolama tepkisinin incelenmesini sağlamıştır. Bu kapsamda, zenginleştirilmiş kültürün PHA üretim potansiyeli çamur yaşı, açlık/tokluk evreleri ve çevrim sayısı değişkenleriyle denenerek maksimize edilmeye çalışılmıştır. Üretimi gerçekleşen biyopolimerlerin hücre içinden ekstraksiyonu ile üretiminin ekonomik ve çevre dostu bir biçimde uygulanabilirliğini sağlamaya yönelik optimizasyonu için en uygun yöntem ve işletme koşulları belirlenmiştir. Çalışma, yalnızca karışık kültür ile PHA birikimini incelemekle kalmayıp, aynı zamanda biyokimyasal depolama ve büyüme stokiyometrisi hakkında değerli bilgiler sağlayan respirometrik çalışmaların sonuçlarını da sunmaktadır. Maksimum PHA depolama kapasitesi, akümülasyon testleri ile değerlendirilmiştir. Ayrıca, PHA (PHB, PHV ve PH2MV) ekstraksiyonu, NaOH ve NaOCl'nin yanında tekstil ön ağartma işlemlerinden gelen atık NaOH kullanılarak ve biyokütlenin farklı ön işlemlere tabi tutulmasıyla gerçekleştirilmiş, bu sayede atıkların kaynak olarak kullanımının potansiyeli vurgulanmıştır. Atık bitkisel yağlardan biyodizel üretim prosesi atık akımlarından olan ham gliserol doğrudan karışık kültüre beslenerek zenginleştirme çalışmaları yapılmış ve çevrim sayısı artırılarak hücrelerin PHA depolama kapasiteleri izlenmiştir. Sudan Black ile yapılan spektrofotometrik ve mikroskobik incelemeyle hücre içinde depolanan PHA granülleri tespit edilmiştir. Yürütülen respirometrik deneylerde yüksek depolama verimleri elde edilmiştir. Zenginleştirme reaktörü işletme koşulunun 2 çevrimden 4 çevrime artırılmasından sonra reaktör biyokütle konsantrasyonunda düşüş görülmüş ve flok yapısında bozulma gözlenmiştir. F/M oranının artmasıyla ham gliserolde yer alan yüksek sodyum ve diğer safsızlıkların reaktör içinde birikerek yüksek konsantrasyona ulaşması sonucu kültürün büyüme ve aktivitesini inhibe ettiği, bu sebeple flok yapısı ve KOİ gideriminin bozulduğu tespit edilmiştir. Tekstil endüstrisi atıksuları ile yürütülen çalışmalarda 95°C'de reaktif boyama ve ağartma işlemleri içeren örgü kumaş son işlemler prosesinden temin edilen yumuşatma banyosu atıksuları ile karışık kültürler üzerinde PHA depolama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Günde 1, 2 ve 4 çevrim olarak işletilen zenginleştirme reaktöründen alınan biyokütle ile yapılan depolama çalışmalarında artan çevrim sayısı ile daha yüksek depolama seviyeleri elde edilebildiği tespit edilmiştir. Her bir işletme koşulu için respirometrik deneyler gerçekleştirilmiş ve en yüksek depolama dönüşüm oranı (YSTO) yalnızca tekstil atıksuyunun beslendiği çalışmalarda 0,84 gKOİ/gKOİ, tekstil atıksuyu ve asetatın beraber beslendiği çalışmalarda ise 0,88 gKOİ/gKOİ olarak belirlenmiştir. Respirometrik çalışmalardan sonra akümülasyon deneyleri yapılmış, bu deneylerde kullanılan biyokütle günlük 4 çevrimle işletilen reaktörden alınmış ve farklı setlerde yalnızca tekstil atıksuyu ya da tekstil atıksuyu ve asetat karışımı (KOİ bazında %43 tekstil atıksuyu, %57 asetat) beslenmiştir. Maksimum PHA depolama kapasitesini belirlemek için, 10 ardışık besleme ile gerçekleştirilen akümülasyon deneylerinde, yalnızca tekstil atıksuyunun beslendiği sistemde, başlangıç hücre içi PHA konsantrasyonu 0,25 gPHA/gUAKM iken, 4 ardışık besleme sonrası maksimum 0,36 gPHA/gUAKM'ye kadar artış göstermiş, 10 besleme sonunda 0,32 gPHA/gUAKM elde edilmiştir. Akümülasyon reaktöründen elde edilen biyokütle ile, çözelti olarak NaOH, NaOCl ve tekstil endüstirisi örme kumaş 95°C reaktif boyama işleminin ilk aşaması olan ön ağartma işleminden elde edilen atık NaOH'ın kullanıldığı ve ekstraksiyon öncesi liyofilizasyon ve farklı sürelerde kurutma işlemlerinin uygulandığı saflaştırma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Maksimum PHA saflığı 3 gün kurutulmuş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonu ile %63 olarak belirlenmiş ve PHA'nın tümü geri kazanılmıştır. Tekstil atıksuyu ve asetatın birlikte beslenerek yürütüldüğü akümülasyon deneylerinde, başlangıç hücre içi PHA konsantrasyonu 0,08 gPHA/gUAKM olup bu değer kademeli olarak artış göstermiş ve deney sonunda 0,25 gPHA/gUAKM'ye ulaşmıştır. Yapılan ekstraksiyon çalışmalarında en yüksek saflık oranı %55,4 olarak liyofilize edilmiş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonu ile elde edilmiş ve bu çalışmada da PHA'nın tamamı geri kazanılabilmiştir. Ekstraksiyon çalışmalarında tekstil endüstrisi ön ağartma işleminden elde edilen atık NaOH ile yürütülen çalışmaların verimlerinin daha düşük olduğu görülmüş, PHA saflıkları da daha düşük oranlarda elde edilmiştir. Bulgur üretim prosesi atıksuları ile ilk olarak ön çalışmalar yapılmış, bu amaçla hidroliz deneyleri gerçekleştirilmiştir. NaOH ile hidroliz sonrası nişastanın %90'nından fazlası daha düşük molekül ağırlıklı sakkaritlere parçalandığı, etanol ilavesi ile bu sakkaritlerin çöktürülmesiyle nişasta giderimi %98'in üzerine çıktığı görülmüştür. Daha sonra ham numune ile anaerobik fermentasyon çalışmaları yapılmış ve sonrasında yürütülen PHA depolama çalışmalarıyla farklı fermantasyon sürelerinde gerçekleşen PHA depolama kapasiteleri ile elde edilen PHA'nın kompozisyonu belirlenmiştir. Fermentasyon sonrası oluşan UYA türleri incelendiğinde bütirik asit ilk 10 günlük fermantasyon süresinde ana asit fraksiyonu olarak gözlenmiş ve onu asetik ve propiyonik asit fraksiyonları takip etmiştir. Maksimum PHA depolama kapasitesini belirlemek için gerçekleştirilen ve 10 ardışık besleme ile sağlanan akümülasyon deneylerinde, sentetik asetata aklime biyokütlenin aşı olarak kullanıldığı sistemde başlangıç hücre içi PHA konsantrasyonu 0,07 gPHA/gUAKM iken, 10 ardışık besleme sonunda 0,13 gPHA/gUAKM elde edilmiştir. Ekstraksiyon deneyleri sonucunda, maksimum PHA saflığı yaş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonu ile %21 (PHA geri kazanımı %87) olarak belirlenirken, maksimum PHA geri kazanımı %93 olarak (%16 saflık) 4 gün kurutulmuş biyokütlenin atık NaOH ile ekstraksiyonuyla elde edilmiştir. 4-çevrim olarak işletilen bulgur atıksuyu ile zenginleştirilmiş biyokütlenin aşı olarak kullanıldığı sistemde biyokütle başlangıç noktasında 0,02 gPHA/gUAKM PHA içeriğine sahip olup, onuncu beslemeden sonra maksimum PHA içeriği 0,30 gPHA/gUAKM olarak elde edilmiştir. Yapılan ekstraksiyon çalışmalarında en yüksek saflık oranı %48 olarak 3 gün kurutulmuş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonuyla elde edilmiştir (PHA geri kazanımı %66). En yüksek PHA geri kazanımı ise liyofilize biyokütlenin atık NaOH ile ekstraksiyonu ile %96 (%32 saflık) olarak belirlenmiştir. Bu tez kapsamında yapılan ekstraksiyon çalışmaları endüstriyel atıksulardan PHA üretiminin ön fizibilitesini ortaya koyabilmek için gerçekleştirilmiş olup, endüstrilerde bu yaklaşımın uygulanabilirliğine ilişkin değerlendirme yapılabilmesi için gerekli veriler elde edilmiştir. Atıksu numunelerinin alındığı tekstil endüstrisine yönelik yapılan fizibilite çalışmasında, bu atıksu numunelerinden en verimli PHA üretimi için, atıksu depolama/dengeleme tankından beslenen 10 m³'lük bir zenginleştirme reaktörünün inşa edilmesi gerektiği belirlenmiştir. Günlük yaklaşık 38 m³ yumuşatma atıksuyunun 35 m³'ü zenginleştirme için, 3 m³'ü ise 2 m³'lük bir reaktörde PHA birikimi için kullanılacaktır. Deneysel çalışmalar ışığında tekstil atıksularından günde yaklaşık 0,8 kg PHA elde edilmesinin mümkün olabileceği belirlenmiştir. Elde edilen PHA biyopolimerinin NaOCl ile ekstraksiyonu sonucunda %100 geri kazanım ile 0,8 kgPHA/gün üretilebilecektir. Ekstraksiyon prosesi için fabrikada oluşan atık NaOH akımı kullanıldığında ise geri kazanım en yüksek %76 oranında olacağından üretilebilecek PHA miktarı 0,6 kgPHA/gün olarak belirlenmiştir. Her iki ekstraksiyon yöntemi için elde edilen PHA depolamış biyokütlenin 3 günlük kurutma işlemine tabi tutulması öngörülmüştür. PHA üretimi için reaktör işletme maliyetlerinin tesis atıksu arıtma maliyetlerine oranla %25 daha fazla olması durumunda dahi, üretilen PHA maliyetinin 4,80 Avro/kgPHA olacağı hesaplanmıştır. Ekstraksiyon işleminin ticari NaOCl kullanılarak gerçekleştiği durumda maliyet 7,42 Avro/kgPHA'ya yükselmektedir. Ancak tesiste oluşan atık NaOH banyosunun ekstraksiyon için kullanılması durumunda maliyet 6,31 Avro/kgPHA olarak hesaplanmıştır.
Özet (Çeviri)
The global production and use of plastics have been increasing annually. Bioplastics currently account for approximately 0.5% of the more than 414 million tons of plastic produced each year. Following a period of stagnation in recent years, global plastic production began to rise again in 2023. The global production capacity of bioplastics is projected to grow significantly, from approximately 2.47 million tons in 2024 to around 5.73 million tons by 2029. The scale of both aquatic and terrestrial pollution resulting from high plastic consumption continues to expand. Although green approaches such as zero-waste initiatives have made significant progress in reducing plastic usage, the search for environmentally friendly alternatives remains crucial for plastic products that are indispensable in their functionality today. Bioplastics are emerging as one of the available solutions to address environmental challenges. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are among the most widely utilized biodegradable biopolymers. According to a 2023 Market Research Report, the global PHA market, which holds the greatest potential in this domain, is projected to grow from USD 93 million in 2023 to USD 195 million by 2028, with a notable annual growth rate of 15.9%. Industrial-scale production of biopolymers typically involves pure cultures and specialized substrates, which result in high production costs. The global restrictions on single-use plastics to combat plastic waste have further amplified the demand for bioplastics. However, with the discovery that mixed activated sludge cultures in wastewater treatment plants can also store biopolymers, research on obtaining biopolymer raw materials for bioplastics from wastewater has gained significance. The primary challenge in studies investigating the biopolymer storage capabilities of mixed cultures has been the feasibility of the process. Numerous studies over the past 10–15 years have demonstrated that, given the availability of suitable wastewater and operational conditions, biopolymer production using activated sludge cultures can become economically viable. As part of this thesis, PHA production, specifically polyhydroxybutyrate (PHB), was investigated using wastewater derived from the textile industry, the bulgur industry, and the biodiesel production process from waste vegetable oils, either directly or post-fermentation. The types and quantities of PHAs produced, optimal operational conditions for maximum biopolymer production, and an environmentally friendly extraction method were explored. Textile industry wastewater, due to its acetate content, was used directly for storage without requiring pretreatment. Pre-fermentation studies conducted on bulgur wastewater enabled the optimization of volatile fatty acids (VFAs) essential for storage. Similarly, biodiesel production process wastewater (crude glycerol) from waste vegetable oils allowed for the examination of lipid-based storage mechanisms in PHA accumulation. The conducted studies successfully produced PHA biopolymers using enriched microbial cultures and industrial wastewater from the textile industry, bulgur production, and biodiesel processes. To maximize the PHA production potential of enriched cultures, variables such as sludge age, feast/famine phases, and cycle numbers were evaluated. The optimization of production and extraction methods aimed at maximizing bioplastic yield was also conducted to ensure economic and environmentally sustainable applications. Extraction of biopolymers from cells was optimized using methods involving NaOH and NaOCl, as well as waste NaOH from textile pre-bleaching processes, emphasizing the potential of resource recovery. Additionally, different pretreatment methods of biomass were tested, ensuring a more efficient and sustainable approach for biopolymer extraction and production. This study not only investigates PHA accumulation using mixed cultures but also provides valuable insights into the biochemical storage and growth stoichiometry through respirometric analyses. Maximum PHA storage capacity was assessed via accumulation tests. Moreover, the extraction of PHAs (PHB, PHV, and PH2MV) highlighted the importance of resource utilization and demonstrated an innovative approach for integrating industrial waste streams into biopolymer production processes. The crude glycerol, which is a byproduct of biodiesel production from waste vegetable oils, was directly fed to a mixed culture for enrichment studies. The PHA storage capacity of the cells was monitored by increasing the number of cycles. PHA granules stored within the cells were detected using spectrophotometric and microscopic analysis with Sudan Black dye. In the respirometric experiments conducted, biomass taken from the enrichment reactor operated with two cycles (F/M: 0.2 gCOD/g.cellCOD, 3000 mgVSS/L) showed that 55% of the consumed COD was stored when crude glycerol was fed at a 0.12 gCOD/g.cellCOD F/M ratio. After increasing the enrichment reactor operation conditions to 4 cycles (F/M: 0.4 gCOD/g.cellCOD; 3000 mgVSS/L), a decrease in the reactor biomass concentration was observed, along with a disruption in the floc structure. It was determined that an increase in the F/M ratio led to the accumulation of high sodium levels (13%) and other impurities in the reactor, which inhibited the growth and activity of the culture. Consequently, the floc structure and COD removal efficiency were compromised. In studies conducted with textile industry wastewater, softening bath wastewater obtained from the final processing of knitted fabrics, which involves reactive dyeing and bleaching at 95°C, were used for PHA storage experiments with mixed cultures. It was determined that increasing the number of cycles promoted higher storage levels in the biomass obtained from the enrichment reactor operated with 1, 2, and 4 cycles per day. Respirometric experiments were conducted for each operational condition, in which the biomass taken from the enrichment reactor fed with textile industry wastewater and acetate was used as inoculum. The respirometric experiments were carried out under different conditions, where acetate or textile wastewater were fed separately or together to the biomass. In the evaluation of the respirometric experiments, it was found that in the experiments with biomass from the reactor operated with 2 cycles per day, where only textile wastewater was fed, the storage yield (YSTO) was calculated as 0.82 gCOD/gCOD, while in the experiments with biomass from the reactor operated with 4 cycles per day, the YSTO was determined to be 0.84 gCOD/gCOD. In the respirometric experiments conducted with the mixture of textile wastewater and acetate, YSTO was 0.835 gCOD/gCOD for the experiments with biomass taken from the reactor operated with 2 cycles per day, and 0.88 gCOD/gCOD for the experiments with biomass from the reactor operated with 4 cycles per day. In the PHA analysis performed by GC-FID, in the experiments fed with textile wastewater, the maximum increase in PHA content (storage difference) was measured as 0.020 gPHA/gVSS for the biomass obtained from the reactor operated with 4 cycles per day, while only 0.011 gPHA/gVSS was observed for the biomass obtained from the reactor operated with 2 cycles per day. For the mixture of textile wastewater and acetate, the maximum intracellular PHA content increase was measured as 0.028 gPHA/gVSS for the experiments with biomass from the reactor operated with 2 cycles per day, and 0.033 gPHA/gVSS for the experiments with biomass from the reactor operated with 4 cycles per day. After the respirometric experiments, accumulation tests were conducted, using biomass obtained from the reactor operated with 4 cycles per day. In these tests, the system was fed with either only textile wastewater or a mixture of textile wastewater and acetate (43% textile wastewater, 57% acetate on a COD basis). In the accumulation experiments performed with 10 consecutive feedings to determine the maximum PHA storage capacity, in the system fed solely with textile wastewater, the initial intracellular PHA concentration in the enriched biomass was 0.25 gPHA/gVSS. After 4 consecutive feedings, this increased to a maximum of 0.36 gPHA/gVSS, and by the end of the experiment, the biomass had an intracellular PHA concentration of 0.32 gPHA/gVSS. With the biomass obtained from the accumulation reactor, purification studies were carried out using NaOH, NaOCl, and waste NaOH from the pre-bleaching stage of textile industry knit fabric reactive dyeing process at 95°C, applying lyophilization and different drying methods before extraction. Among the extraction experiments using fresh, lyophilized and dried (dried for 2, 3, or 4 days) biomass, the maximum PHA purity was determined to be 63% after extraction of the 3-day dried biomass with NaOCl, with complete recovery of PHA. In the accumulation experiments where textile wastewater and acetate were fed together, the initial intracellular PHA concentration was 0.08 gPHA/gVSS, which gradually increased, reaching 0.25 gPHA/gVSS by the end of the experiment. The highest purity achieved in the extraction studies was 55.4% from the lyophilized biomass extracted with NaOCl, and again, all of the PHA was recovered. The extraction experiments conducted with waste NaOH from the textile industry pre-bleaching process yielded lower efficiencies and lower PHA purities. Initial studies were conducted using bulgur production process wastewater, including hydrolysis experiments to investigate the use of hydrolyzed samples in PHA storage through the OUR response. Hydrolysis with NaOH at different temperatures (25°C or 90°C) and ethanol precipitation experiments were carried out. After hydrolysis with NaOH, more than 90% of the starch was broken down into lower molecular weight saccharides, and with the addition of ethanol, these saccharides were precipitated, achieving over 98% starch removal. Subsequent anaerobic fermentation studies were conducted with the raw sample, and PHA storage capacities at different fermentation durations were determined along with the composition of the produced PHA. When examining the VFA species formed after fermentation, butyric acid was observed as the major acid fraction during the first 10 days of fermentation, followed by acetic and propionic acid fractions. The effect of enriched biomass on PHA storage was studied through respirometric tests. For this purpose, different biomass samples were used as inoculum in respirometric tests, where synthetic acetate and fermented bulgur wastewater were the substrates. The highest YSTO of 0.69 gCOD/gCOD was found for the 7-day fermented sample in respirometric tests, where synthetic acetate-acclimated biomass was used as inoculum, and samples fermented for 2, 4, 7, 9, 10, and 14 days were fed. The composition of the VFA species fed in the experiments changed depending on the fermentation duration, and GC-FID analysis of the stored PHA revealed the formation of different PHA types. The highest PHB fraction (62%) was observed when the VFA contained a large proportion of acetate (31%) and butyrate (40%). The maximum stored fractions of PHV (10%) and PH2MV (69%) were observed during the 14-day fermentation, which had the highest propionic acid content (72%) in the VFA. Respirometric analyses conducted with enriched biomass using bulgur wastewater operated under 4-cycles involved 11-day fermented bulgur wastewater, which had the highest VFA concentration. YSTO increased from 0.69 to 0.83 gCOD/gCOD, and the conversion of tCOD of bulgur wastewater to PHA increased from 37% to 56%. Following the respirometric experiments, accumulation tests were performed using synthetic acetate-acclimated biomass and biomass enriched with bulgur wastewater from the 4-cycle operation. To determine the maximum PHA storage capacity, accumulation experiments with 10 consecutive feedings were conducted. In the system where synthetic acetate-acclimated biomass was used as inoculum (F/M: 0.7 gCOD/g.cellCOD, 1300 mgVSS/L), the initial intracellular PHA concentration was 0.07 gPHA/gVSS. After 10 consecutive feedings, a biomass with an intracellular PHA concentration of 0.13 gPHA/gVSS was obtained. Purification studies were carried out using biomass obtained from the accumulation reactor, where NaOH, NaOCl, and waste NaOH from the pre-bleaching stage of the textile industry knit fabric (95°C reactive dyeing process) were used as solutions. Lyophilization and different drying methods were applied before extraction. Extraction experiments were conducted using both fresh, lyophilized and dried (2, 3, or 4 days) biomass. The maximum PHA purity was determined to be 21% (PHA recovery of 87%) with NaOCl extraction of fresh biomass, while the maximum PHA recovery (93%) was achieved with the extraction of 4-day dried biomass using waste NaOH, with a purity of 16%. In the system where biomass enriched with bulgur wastewater from the 4-cycle operation was used as inoculum (F/M: 0.9 gCOD/g.cellCOD, 1050 mgVSS/L), the biomass initially contained 0.02 gPHA/gVSS. After the tenth feeding, the maximum PHA content reached 0.30 gPHA/gVSS. In the extraction studies, the highest purity (48%) was achieved with NaOCl extraction of 3-day dried biomass (PHA recovery of 66%). The highest PHA recovery (96%, with 32% purity) was achieved with the extraction of lyophilized biomass using waste NaOH. In the conducted studies, the PHA storage capacities obtained using mixed microbial cultures were close to the maximum yields reported in the literature; however, the extraction efficiencies did not reach the desired >90% purity for bioplastic product applications. Since the extraction process was not the main focus of this thesis, the current method proposed in the literature was applied for the biomass samples. The maximum PHA purity achieved with this method was 63% for PHA stored using textile wastewater and 48% for PHA stored using fermented bulgur wastewater. It is suggested that future studies should focus on a more in-depth examination of the extraction processes to achieve purities exceeding 90%. The extraction studies conducted in this thesis were carried out to assess the preliminary feasibility of PHA production from industrial wastewater and to gather the necessary data for evaluating the applicability of this approach in industries. In the feasibility study for the textile industry where wastewater samples were taken, it was determined that for the most efficient PHA production from these wastewater samples, a 10 m³ enrichment reactor should be constructed, fed from the wastewater storage/balancing tank. Of the daily approximately 37.5 m³ of softening wastewater, 35 m³ will be used for enrichment, and 3 m³ will be used for PHA accumulation in a 2 m³ reactor. Based on experimental studies, it has been determined that it is possible to produce approximately 0.8 kg of PHA per day with this system. After the extraction of the obtained PHA biopolymer with NaOCl, 0.8 kg PHA/day can be produced with 100% recovery. When using the waste NaOH flow generated at the factory for the extraction process, the recovery rate will be a maximum of 76%, and the PHA production will be 0.6 kg PHA/day. It is estimated that the biomass with stored PHA will undergo a 3-day drying process for both extraction methods. Even if the reactor operating costs for PHA production are 25% higher than the wastewater treatment costs of the facility, the cost of the produced PHA is calculated to be 4.80 Euros/kgPHA. If the extraction process is performed using commercial NaOCl, the cost increases to 7.42 Euros/kgPHA. However, when the waste NaOH bath generated in the facility is used for extraction, the cost is calculated to be 6.31 Euros/kgPHA. As a result of the feasibility study, it was found that the PHA production from textile softening process wastewater would not meet the sales costs in the international market. However, it has been determined that with further developments and optimizations in pilot-scale systems, the production cost of PHA can be reduced to an average unit production cost of 4.5 Euros/kgPHA, as reported in international studies.
Benzer Tezler
- Tekstil boyahane atıksularının nanofiltrasyon membranları ile geri kazanımı ve renk giderimi
Recovery and color removal of texile dyehouse effluents by nanofiltration membranes
EBRU KURAL
- Effect of microwave pretreatment on fate of antimicrobials and conventional pollutants during anaerobic sludge digestion and biosolids quality for land application
Anaerobik çamur çürütme prosesinde uygulanan mikrodalga dezentegrasyon işleminin antimikrobiyallerin ve konvansiyonel kirleticilerin akıbetine ve arazi uygulaması için biyokatı kalitesine etkisi
GÖKÇE KOR BIÇAKCI
Doktora
İngilizce
2018
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
- Ardışık modifiye pirit-fenton ve biyolojik arıtım sistemleri ile klorlu fenol bileşiklerinin arıtımı
Sequential treatment of chlorophenolic compounds with modified pyrite-fenton and biological methods
İREMSU KAPLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Çevre MühendisliğiÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİLGÜN AYMAN ÖZ
- Integrated membrane filtration enhanced with chemical conditioning and biological treatability of olive mill wastewater
Zeytin karasuyunun kimyasal şartlandırma destekli entegre membran filtrasyonu sonrasında biyolojik arıtılabilirliğinin araştırılması
SUDE SALİMİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVAL SÖZEN
- The Incremental and comparison methods for the assessment of initial soluble inert cod
Başlık çevirisi yok
FATOŞ GERMİRLİ